Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННЫХ БРЕГГОВСКИХ РЕШЕТОК

Кусаинова К.Т. 1 Кабибулатов А.А. 1 Хамзина Б.Е. 1 Жетписбаева А.Т. 1 Иманмадиров Д.К. 1
1 Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина
В работе представлен краткий обзор и анализ исследований, связанных с волоконными брэгговскими решётками. Авторами описано экспериментальное исследование, проведенное ими с целью выявления зависимости длины волны брэгговской решётки от температуры. Эксперимент проводился с использованием двух оптических светочувствительных волокон с нанесёнными на них методом фазовой маски наклонными брэгговскими решётками с периодом решеток 540 нм и длиной 10 мм. Экспериментальные данные показали, что наклонные брэгговские решётки чувствительны к изменению температуры, что говорит о потенциальной возможности использования их в оптоволоконных датчиках температуры для возможного улучшения эффективности этих датчиков. По полученным экспериментальным данным представлен график зависимости длины волны брэгговской решётки от температуры и проведена аппроксимация. В ходе исследования выявлена явная линейная зависимость длины волны наклонной брэгговской решетки от температуры окружающей среды. Предложено длину волны наклонной брэгговской решетки использовать как индикатор изменения температуры окружающей среды. Авторами отмечено, что зависимость длины волны от температуры представляет большой интерес в контексте практического применения в производстве для мониторинга температуры, а также перспективы исследования.
оптоволокно
оптоволоконный датчик
метод фазовой маски
наклонная брэгговская решетка
длина волны
1. K. Kesavan, B. Arun Sundaram, A.K. Farvaze Ahmed, S. Parivallal, Pbiswas, S. Bandyopadhyay, K. Ravisankar and Umesh Tiwari. Performance assessment of indigenously developed FBG strain sensors under short-term and long-term loadings CSIR-Structural Engineering Research Centre, Council of Scientific and Industrial Research, India Central Glass and Ceramic Research Institute, Council of Scientific and Industrial Research. 2015. Vol. 40. No. 2. P. 577–590.
2. Solomon Udoh, James Njuguma, Radhakrishna Prabhu. Modelling and Simulation of Fiber Bragg Grating Characterization for Oil and Gas Sensing Applications. Proceedings of the 2014 First International Conference on Systems Informatics, Modelling and Simulation (2014). IEEE Computer Society, 2014. P. 255–260.
3. Ma K.-P., Wu C.-W., Tsai Y.-T., Hsu Y.-C., Chiang C.-C. Internal Residual Strain Measurements in Carbon Fiber-Reinforced Polymer Laminates Curing Process Using Embedded Tilted Fiber Bragg Grating Sensor. Polymers. 2020. Vol. 3 No. 12. P. 1472–1479.
4. Xin Tian, Xiaofan Zhao, Meng Wang, Qihao Hu, Hongye Li, Binyu Rao, Hu Xiao, Zefeng Wang. Influence of Bragg reflection of chirped tilted fiber Bragg grating on Raman suppression in high-power tandem pumping fiber amplifiers. Optics Express. 2020. Vol. 28. No. 13. P. 19508–19517.
5. Tolegenova А., Kisała P., Zhetpisbaeva A., Mamyrbaev O., Medetov B. Experimental determination of the characteristics of a transmission spectrum of tilted fiber bragg gratings. Metrol. Meas. Syst. 2019. Vol. 26 no. 3. P. 581–589.

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.

missing image file

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).

missing image file

Рис. 2. Спектральный отклик наклонной решетки

missing image file

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

missing image file

Рис. 4. График зависимости длины волны от температуры окружающей среды

missing image file

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.


Библиографическая ссылка

Кусаинова К.Т., Кабибулатов А.А., Хамзина Б.Е., Жетписбаева А.Т., Иманмадиров Д.К. ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННЫХ БРЕГГОВСКИХ РЕШЕТОК // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2021. – № 4. – С. 58-62;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13204 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674