Вопросы и ответы о Технологии вбр

- Как работает волоконная брегговская решетка?

- Как измеряется деформация?
- Чувствительно ли измерение деформации к температуре?
- В случае одновременного воздействия напряжения и температуры можно ли измерять только одно из них?
- Как влияет давление на ВБР?
- Где можно применять ВБР-технологию в жёстких условиях эксплуатации?
- Какое максимальное расстояние может быть у оптической линии?

     Волоконная брэгговская решетка - это небольшой участок оптического волокна, содержащий периодическую структуру из множества отражающих точек. Такая структура формирует отражение определенных длин волн падающего света. Решетка создается воздействием интенсивного УФ-излучения на сердцевину волокна.

     Расстояние между отражающими точками в решётке всегда одинаковое. Длина волны, которая точно соответствует этому расстоянию, отражается решёткой. Все остальные длины волн проходят через решётку без отражения и без затухания. Таким образом, сигнал от ВБР представляет собой узкий спектр отражённой длины волны.
     Длина волны отражённого пика определяется измерительным устройством (интеррогатором). Когда на решётку осуществляется внешнее воздействие (например, механическое напряжение), расстояние между отражающими точками меняется, и отражается уже другая длина волны. Это позволяет измерять смещение Брэгговской длины волны. 

     Значения, измеряемые интеррогатором (преобразователем оптических данных), представляют собой пиковые длины волн узкого спектра, отражённого сенсором на основе волоконной брэгговской решётки (ВБР). Когда деформация в оптическом датчике вызывает смещение длины волны, интеррогатор регистрирует изменение пикового значения, которое пропорционально величине деформации.
     В качестве коэффициента пропорциональности используется градуировочный коэффициент датчика, указанные в его паспорте. 

     Волоконные брэгговские решётки чувствительны как к деформации, так и к температуре. Это означает, что при измерении деформации датчика, одновременно подверженного механическому напряжению и температурным изменениям, результат будет также зависеть от температуры.

     Однако этот эффект хорошо изучен и легко компенсируется. Существует несколько подходов к компенсации влияния температуры:

• Использование в конструктиве датчика дополнительной ВБР, реагирующей только на изменение температуры. Данная решетка должна быть изолирована от механических деформаций конструктивно.
• Установка внешнего датчика термокомпенсации – в месте монтажа датчика подлежащему температурной компенсации монтируется дополнительный датчик, измеряющий температуру. Датчики должны находиться в одном температурном поле.

     В обоих случаях компенсация изменений температуры выполняется математически, с учётом чувствительности датчиков к температуре

     Чтобы измерять только механическое напряжение (деформацию), необходимо компенсировать влияние температуры. Для этого используют:

• специальные механические конструкции сенсоров,
• дополнительные датчики температуры на основе волоконных брэгговских решёток (ВБР) - волоконно-оптический термокомпенсатор.

     Исключить деформацию из измерений можно только в том случае, если корпус решётки изолирует чувствительный элемент от механической деформации конструкции. Это реализуется:

• конструктивным исполнением сенсоров,
• Либо использованием «голой» ВБР, свободной и незакреплённой. Но это ненадежный метод.

     При воздействии давления на брэгговскую решётку наблюдается смещение длины волны отражённого пика. 

     Однако эффект давления значительно меньше, чем изменения длины волны, вызванные деформацией или температурой, и поэтому в большинстве случаев им пренебрегают.

     Волоконно-оптические системы успешно применяются в следующих экстремальных условиях:

• высокая температура,
• сильное электромагнитное воздействие,
• вакуум,
• высокое напряжение,
• криогенные среды.

     Примеры практических применений:

• мониторинг вибраций и температуры в генераторах большой мощности,
• контроль горячих точек в силовых трансформаторах,
• мониторинг состояния лопастей ветровых турбин,
• контроль напряжений в топливных баках самолётов,
• мониторинг деформаций, температуры и перемещений в термоядерных реакторах,
• мониторинг космических аппаратов и др., 
• мониторинг температуры и давления в нефтяных и газовых скважинах.

     Затухание сигнала в оптическом волокне очень мало. В сочетании с оптическими интеррогаторами длина оптоволоконной линии может достигать десятков километров.