Принцип работы ВБР-датчиков
Чувствительными элементами точечных волоконно-оптических датчиков являются волоконные брэгговские решетки (рис. 1). Такие решетки записаны в оптическом волокне при помощи (чаще всего) ультрафиолетового лазера и представляют собой участок световода с периодическим изменением показателя преломления вдоль оси. ВБР каждого датчика отражает свет определенной длины волны с шириной спектра ~0,2 нм.
При механическом и температурном воздействии изменяются период и показатель преломления решетки, вследствие чего мы наблюдаем смещение длины волны отраженного света. Измеряя величину этого смещения, можно определить относительную деформацию и изменение температуры. Для того чтобы разделять эти величины, необходимо использовать одновременно две решетки, одна из которых изолирована от механических воздействий. По ней фиксируются сдвиги длины волны вследствие температурных изменений. Это позволяет учесть влияние температуры на вторую решетку, а также тепловое расширение материала, к которому прикреплен датчик, и, таким образом, измерить деформацию. В одной оптоволоконной линии может быть объединено множество решеток, каждая из которых дает отклик на своей длине волны, при этом расстояние между решетками может быть от 10 мм до нескольких километров.
Распространенным методом опроса датчиков является сканирование массива ВБР перестраиваемым лазером, с фиксацией отражения при помощи фотодетектора. Диапазон перестройки у современных устройств составляет 100 нм (1500–1600 нм), частота опроса от 1 до 500 Гц, а количество параллельных каналов – до 8. В связи с тем что диапазон измерения датчиков может достигать ±3000 отн. ед., что соответствует сдвигу длины волны на ±3,5 нм, в каждом канале рекомендуется размещать не более 25 датчиков, чтобы спектры ВБР не накладывались друг на друга в процессе измерения. Другим важным параметром является спектральное разрешение прибора. От него зависит разрешение датчиков по температуре и деформации. У современных анализаторов сигнала оно достигает 1 пм (~0,1 °С, ~10–6 отн. ед.).
Волоконно-оптические датчики обладают следующими преимуществами по сравнению со своими электрическими аналогами:
– абсолютная невосприимчивость к электромагнитным полям и помехам;
– устойчивость к радиации;
– устойчивость к сложным климатическим условиям и агрессивным химическим средам;
– отсутствие необходимости электрического питания, заземления и гальванической развязки;
– абсолютная пожаробезопасность и взрывобезопасность;
– датчик может находиться на большом расстоянии (десятки километров) от считывающего устройства (справедливо как для квазираспределенных систем на основе ВБР, так и любых распределенных систем);
– малое время отклика датчика, малая тепловая инерционность;
– возможность последовательного соединения множества датчиков в одну цепочку;
– не являются источником радиоволн;
– не могут поразить электрическим током;
– не подвержены влиянию коррозии;
– обладают высоким экологическим индексом (безопасности окружающей среды);
– более высокое разрешение и меньшая погрешность по сравнению с классическими решениями;
– позволяют снизить нагрузку на структуру объектов за счет небольшого веса;
– компактность;
– срок службы 20 лет;
– первичная поверка распространяется на весь срок службы.
Для записи ВБР в оснащении компании есть три технологии: эксимерным лазером через фазовые маски с гибкой подстройкой параметров; через интерферометры ультрафиолетовым лазером и посредством пошаговой записи фемтосекундным лазером через защитные покрытия. Такое оснащение позволяет производить очень широкий спектр ВБР, которые применяются в производстве датчиков, оборудования для линий связи, лазерных установок и пр.
На основе ВБР производится основной объем волоконно-оптических датчиков, которые применяются для измерения физических величин: деформации, перемещения, давления, уровня жидкости, температуры, ускорения, вибрации и угла наклона. Сейчас количество производимых датчиков доходит до 1000 единиц в год. В 2016 г. планируется значительное увеличение объемов производства.
Сами ВБР тоже являются отдельным продуктом, они поставляются не только заказчикам на территории РФ, но и зарубежным производителям волоконно-оптических датчиков и лазерного оборудования.© 2025 ПАО "ПНППК"