В настоящее время для измерения температуры часто используются волоконно-оптические датчики ввиду своих преимуществ перед конкурентными технологиями, таких как быстрая передача данных, точность измерений, возможность масштабирования и т.д. Датчики, изготовленные с использованием волоконных брэгговских решеток, обладают преимуществами волоконно-оптических датчиков, при этом позволяя улучшить конкурентные преимущества перед другими технологиями. Использование брэгговских решёток зачастую приводит к повышению эффективности/экономии ресурсов/улучшению точности измерений и т.д. В связи с этим наклонные брэгговские решётки также вызывают интерес в контексте их использования в различных направлениях для достижения тех же целей, что и при использовании брэгговских решёток. Датчики с наклонной волоконной брэгговской решеткой являются новейшим типом волоконных датчиков и приобретают все большее значение в области мониторинга состояния конструкций гражданской инфраструктуры [1] и в нефтегазовой промышленности [2].
Интерес к наклонным брэгговским решеткам в настоящее время крайне высок. Это может быть подтверждено многочисленными исследованиями, которые проводятся по всему миру. К примеру, K.P. Ma, C. Wu и др. проводили эксперимент с наклонной брэгговской решеткой, которая была помещена в пластмассу, армированную углеродным волокном для получения данных о затвердевании вещества. Основываясь на полученном результате, они пришли к выводу, что наклонные брэгговские решетки могут быть применены для контроля качества изготовления и контроля повреждений аэрокосмических композитов [3].
Другой группой исследователей (Xin Tian, Xiaofan Zhao и др.) изучен потенциал использования брэгговских решеток в мощных волоконно-лазерных системах. Экспериментальные результаты показали, что, если длина волны Брэгга находится в диапазоне спектра романовского усиления с относительно высоким коэффициентом усиления, очень слабое брэгговское отражение может быть значительно усилено, что серьезно повлияет на выходную мощность лазера, эффективность и качество луча [4].
Другими исследователями были изучена зависимость ширины спектра пропускания наклонной брэгговской решетки от коэффициента преломления среды и по результатам проведённого эксперимента пришли к выводу, что наклонные брэгговские решетки могут использоваться для измерения коэффициента преломления среды [5].
Нами же было проведено исследование с целью определения зависимости длины волны брэгговской решётки от температуры окружающей среды.
Материалы и методы исследования
Для проведения эксперимента авторами были использованы два оптических светочувствительных волокна с нанесёнными на них методом фазовой маски наклоненными брэгговскими решётками с периодом решеток 540 нм и длиной 10 мм. На одно волокно была нанесена решетка с углом наклона в 3 °, а на второе – с углом наклона 5 °. Оба волокна были подключены к источнику света с одной стороны и к оптическому анализатору с другой. Участки, близкие к серединам кабелей, были зачищены, защитная оболочка кабелей была удалена. Этот участок был помещён в контейнер с 10 %-ным раствором воды с тростниковым сахаром, показатель преломления среды в растворе составил 1,3479. Контейнер с раствором и волокнами был помещён в климатическую камеру.
В нашем эксперименте сигнал был отправлен в наклонную брэгговскую решетку из источника света, который соединён с решеткой при помощи одномодового оптического волокна. Кабель был помещен в контейнер с раствором, контейнер – в климатическую камеру, температура варьировалась от 0 до 50 °С с шагом в 5 °. Спектры пропускания решетки поступали в оптический анализатор, после этого можно было вести работу с данными, проводить анализ спектров пропускания решётки. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования зависимости длины волны наклонной брэгговской решетки от температуры
Результаты исследования и их обсуждение
После проведения эксперимента, по полученным данным построен нормированный спектр решетки в среде Matlab. Нормированный спектр был получен нами путём соотношения спектра решетки на спектр источника света – синей линии на красную (рис. 2). Длина волны наклонной брэгговской (рис. 3) решетки менялась при повышении температуры окружающей среды. В ходе эксперимента выявлена зависимость 10 полученных значений длины волны от 10 значений температуры для наклонной брэгговской решетки с углом наклона в 3 ° (таблица) и на основе этой зависимости построен график (рис. 4).
Рис. 2. Спектральный отклик наклонной решетки
Рис. 3. Длина волны наклонной решетки
Зависимость длины волны наклонной брэгговской решетки от температуры окружающей среды
|
Температура окружающей среды, °С |
Длина волны наклонной брэгговской решетки, нм |
|
0 |
0,216 |
|
5 |
0,2178 |
|
10 |
0,2139 |
|
15 |
0,2128 |
|
20 |
0,2133 |
|
25 |
0,2104 |
|
30 |
0,2139 |
|
35 |
0,2126 |
|
40 |
0,2056 |
|
45 |
0,1939 |
|
50 |
0,1788 |
Рис. 4. График зависимости длины волны от температуры окружающей среды
Рис. 5. Аппроксимация зависимости
После проведения аппроксимации была отмечена явная линейная зависимость длины волны наклонной брэгговской решетки от температуры окружающей среды. Согласно полученной зависимости, формула аппроксимирующей линии имеет вид y = -5,5691x + 0,2220, что говорит о линейной природе зависимости длины волны брэгговской решетки от температуры окружающей среды (рис. 5).
При повышении температуры окружающей среды до 25 °С длина волны наклонной брэгговской решётки меняется, но изменения незначительны. Изменение длины волны особенно заметно на участке от 30 °С до 40 °С. При прохождении порога в 40 °С изменение длины волны достигло максимального значения в рамках проведённого эксперимента.
Заключение
Таким образом, в ходе нашего исследования нами выявлена линейная зависимость длины волны наклонной брэгговской решетки от температуры окружающей среды. Следовательно, значение длины волны наклонной брэгговской решетки можно использовать как индикатор изменения температуры окружающей среды. Данная характеристика длины волны представляет большой интерес в контексте практического применения в производстве для мониторинга температуры. Считаем, что для этого следует повторить те же измерения длины волны для других углов наклона наклонных брэгговских решеток.