CC BY
0ШКОЛА-КОНМРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
Датчик формы на основе многосердцевинного оптического волокна с брэгговскими решётками
Тимохин А.С., Журавлев С.Г.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва Е-mail: sashatimokhin123@bk.ru
В таких областях как, например, робототехника, авиастроение, медицина и т. д. стоит задача определения формы и положения объекта или механизма [1]. В научной литературе для решения подобных задач предлагают использовать датчики формы, основанные на многосердцевинном оптическом волокне со множеством массивов брэгговских решёток, расположенных по длине волокна через определённые интервалы [2]. Опрос брэгговских решёток, расположенных в разных сердцевинах и в различных местах по длине волокна, позволяет восстановить форму расположения волокна на плоскости или в пространстве. Однако запись большого количества массивов брэгговских решёток на одном отрезке волокна и их опрос являются технически сложными задачами. В данной работе предложен альтернативный подход, заключающийся в определении формы расположения в пространстве или на плоскости канала с малым диаметром за счёт перемещения многосердцевинного оптического волокна с одним массивом брэгговских решёток вдоль исследуемого канала.
Рис. 1. Схема продольного сечения изогнутого многосердцевинного оптического волокна с брэгговскими решётками.
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-48-50
Растяжение
Централь
ШКОЛА-КОНМРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
22-24 октября 2024 г.
Принцип действия предложенного датчика формы заключается в следующем. В каждой из выбранных точек на оси канала с помощью массива брэгговских решёток проводят измерения кривизны и направления изгиба. Принцип этого продемонстрирован на рис. 1. Сердцевины, расположенные ближе к центру изгиба, подвержены сжатию, дальше — растяжению [3]. По изменению длины волны брэгговского отражения в различных сердцевинах можно найти кривизну и направление изгиба в каждой точке вдоль оси канала. По полученным значениям кривизны и направления изгиба в ряде точек вдоль оси канала проводят восстановление формы расположения канала в пространстве [4].
Рис. 2. Реальное расположение канала на плоскости (синяя линия) и расположение канала, рассчитанное матричным методом (красная линия).
Для создания датчика использован отрезок многосердевинного оптического волокна, изготовленного в ИОФ РАН. Для ввода и вывода излучения из каждой сердцевины многосердцевинного оптического волокна использовали устройство ввода-вывода, также разработанное и изготовленное в ИОФ РАН. Предварительно проведены измерения чувствительности датчика к кривизне изгиба. Измеренная максимальная чувствительность к кривизне составила 0,050 нм/м-1, в то время как расчётное значение составило 0,049 нм/м-1. Для измерения формы расположения пластикового канала проводили перемещение массива волоконных брэгговских решёток вдоль канала с шагом 20 мм. По полученным данным матричным методом была восстановлена форма расположения
мм
160
-150 -100 -50 0 50 100
Координата вдоль оси х
мм
_ , ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
-ПРОКОГОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
канала, для чего была написана программа на языке Python. Сравнение рассчитанной и реальной формы расположения канала представлено на рис. 2. Максимальное отличие рассчитанной и реальной формы расположения канала не превышало 1,7 мм по оси ординат и 0,6 мм по оси абсцисс, что составляет 2,89 и 1,52 %, соответственно.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Егоровой О.Н. и д.ф.-м.н. Семёнову С.Л. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждении результатов. Отдельная благодарность к.ф.-м.н. Рыбалтовскому А.А. (НЦВО-Фотоника) за запись брэгговских решёток.
1. Amanzadeh M., Aminossadati S.M., Measurement. 2018, 128, 119137.
2. Duncan R.G., Froggatt M.E., Kreger S.T., et al., Proc. SPIE. 2007, 6530, 65301S, 65301S-11.
3. Flockhart G.M.H., MacPherson W.N., Barton J.S., et al., Opt. Lett.
2003, 28(6), 387-389.
4. Paloschi D., Bronnikov K.A., IEEE Sens. J. 2020, 21, 4599-4609.
