CC BY
42ВКВО-2019- Стендовые
БЫСТРОЕ ИНДИКАТОРНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ДЕФОРМАЦИЙ МЕТОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ
РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
Кривошеев А.И.1,2,3, Носова Е.А.1'2'3, Константинов Ю.А.1, Барков Ф.Л.1, Бурдин В.В.1'2,
Смирнов А.С.1'2
1 Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН, г. Пермь 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь 3 Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь
* E-mail: antokri@yandex.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16162
Бриллюэновская рефлектометрия в последние годы является одним из мощнейших направлений в тестировании волоконных линий связи, исследовании волокон и кабелей различных типов, распределенной сенсорики. Измеряемая величина - бриллюэновский сдвиг - имеет линейную связь как с механическими напряжениями (или деформациями) оптического волокна, так и с температурой. Проблеме разделения этих величин посвящено достаточно много работ [1-3]. В [2,3] описано разделение температур и деформаций методом поляризационно-бриллюэновской рефлектометрии, в котором в качестве двух независимых сенсорных волокон выступают две поляризационные оси анизотропного волоконного световода. Согласно [3], метод на практике демонстрирует разрешение около 3 микрострейн по деформациям и 0,08°С по температурам. Очевидно, что на практике для получения таких значений на опыте со световодом с высоким модовым двулучепреломлением необходимо точное сканирование по частоте (около 0,1 МГц), что на коммерческом BOTDA-оборудовании составит десятки минут. Если речь идет о мониторинге состояния сложного устройства специального назначения или особо ответственного инженерного сооружения, такое время измерения может быть слишком длительным. В ряде задач необходимо срабатывание индикатора (объект вдобавок к деформациям начал нагреваться, или же напротив -кроме ожидаемых деформаций начали изменяться температуры). В таком случае будет уместно сканирование с большим шагом (порядка 1-5 МГц). Задача настоящего исследования - изучить возможность индикаторного разделения температур и деформаций при сканировании BOTDA спектральной области с бриллюэновским сдвигом с шагом порядка единиц МГц. На рис. 1 и 2 показан испытательный стенд и образец.
90° (У) 0° (x)
-0-0-
Pump
BOTDA
Probe
-ш-
(fUT)
90° (y) 0° (x)
РЫБ
Рис.1 - Подключение образца к бриллюэновскому Рис.2- Образец: 28 м РЫЖ, намотанных вручную на анализатору алюминиевый цилиндр
Сначала с образца были сняты несколько витков. Они были подвержены продольному растяжению с силой до 5Н. На анализаторе Бй^ 8ТЛ-Я 202 были зафиксированы /х и / (бриллюэновские сдвиги для поляризационных осей 0° и 90° к главной оптической оси соответственно). Далее этот же образец в свободном состоянии был подвергнут термоциклированию в диапазоне от 25°С до 60°С с фиксацией тех же показателей. На рис. 3 представлены линейные зависимости, отображающие связь бриллюэновских сдвигов обоих поляризационных осей с температурой. Графики для деформаций (силы растяжения) имеют ту же форму. Изменения бриллюэновского сдвига при вариации температур и силы продольного натяжения для двух поляризационных осей выглядят так:
A/fx = an At + ai2 AF ;
310
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Стендовые
А/ = 021 Аг + а22 АГ . (2)
Выражая из (1) и (2) Аг и АГ, получаем:
Аг = (А/ 022 - А/у 012) (011 022 - 021 012^ ; АГ = (А/у 011 - А/ 021) (011 022 - 021 012^
В калибровочных экспериментах выше были найдены коэффициенты 0ц, аи, а21, а22. Значения А/Х и А/у были получены из следующего эксперимента: с образца вновь были сняты несколько витков волокна и размещены рядом с ним на подносе. Поднос с образцом и бухтой волокна были помещены в термокамеру, где подверглись испытаниям на температурах 25°С, 30°С, 40°С, 50°С, 60°С. Итоговые изменения силы растяжения и температур отображены на Рис. 4.
Рис.
3 - Связь бриллюэновских сдвигов обеих поляризационных осей (ось ординат) с температурой (ось абсцисс)
Рис. 4 - Изменения силы растяжения и температур в отн. ед. (по длине образца)
По фрагменту со свободной намоткой видно, что графики температур изменяются в значительной степени, в то время как механические напряжения пренебрежимо малы и остаются неизменными. При увеличении температур растут и значения на обеих зависимостях, что логично -при нагреве увеличивается диаметр цилиндра и обеспечивает натяжение. Индикаторная регистрация, как не сложно заметить, функционирует. Изрезанность данных объясняется неравномерной намоткой и флуктуациями показателя преломления волокна.
Необходимо отметить, что при сличении фактических температур с полученными показаниями была определена погрешность около 30-40% от измеряемой величины. Это связано с применением малого разрешения при сканировании по спектру излучения.
В дальнейшем планируется совершенствовать метод для ухода от индикаторной регистрации к полноценной измерительной системе. Предполагается, что разумный компромисс между скоростью измерения и точностью будет найден благодаря гибкому алгоритму сканирования по спектру.
Литература
1. M.A.S. Zaghloul 1, M.Wang, G.Milione, M.-J.Li, S. Li, Yu.-K. Huang, T. Wang, K. P. Chen / Discrimination of Temperature and Strain in Brillouin Optical Time Domain Analysis Using a Multicore Optical Fiber / Sensors 2018, 18, 1176; doi:10.3390/s18041176
2. Разделение температуры и деформации в волокне, сохраняющем поляризацию, методом поляризационного распределенного бриллюновского анализа / А. С. Смирнов, А. И. Кривошеев, Ю. А. Константинов, Ф. Л. Барков, В. В. Бурдин // Фотон-Экспресс. - 2017. - № 6(142) : спец. вып. Фотон-Экспресс-Наука 2017 : Всерос. конф. по волокон. оптике, г. Пермь, 3-6 окт. 2017 г. - С. 183
3. W. Zou, Z. He, K. Hotate / Complete discrimination of strain and temperature using Brillouin frequency shift and birefringence in a polarization-maintaining fiber / Optics Express 17(3):1248-55, 2009 DOI: 10.1364/0E. 17.001248
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 311
