ОПТОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-791.2

Герасимов М.А. студент

5 курс, факультет «Очное отделение»

Лактюшин Д.Н. студент

5 курс, факультет «Очное отделение» научный руководитель: Колмаков В.О., к.т.н., доцент

доцент

кафедра «Системы обеспечения движения поездов» Красноярский институт железнодорожного транспорта

Россия, г. Красноярск

ОПТОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Аннотация: Статья посвящена оптоволоконным датчикам температуры, а также принципам его работы.

Ключевые слова: оптоволоконные датчики температуры, световое рассеяние, Рамановские линии, датчики, температура.

Gerasimov M.A. student

5 course, faculty «internal branch»

Laktyushin D.N.

student

5 course, faculty «internal branch»

Scientific adviser: Kolmakov V. O., ca.of technical Sc., associate professor

associate professor

Department «systems of ensuring the movement of trains»

Krasnoyarsk Institute of railway transport

Russia, Krasnoyarsk

FIBER OPTIC TEMPERATURE SENSORS

Annotation: The article is devoted to fiber-optic temperature sensors, as well as the principles of its operation.

Key words: fiber-optic temperature sensors, light scattering, Romanov lines, sensor, temperature.

Принцип работы оптоволоконного датчика

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и

интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния так называемого антистоксова диапазона зависит от температуры, в то время как, стоксов диапазон от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света.

• Бриллюэновские линии, которые более интенсивные чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Час.'потэ с?г,яш вского шучшця

Датчики температуры на основе Рамановских линий Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что

интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Метод измерения

Самым известным методом обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry = оптическая рефлектометрия временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания. Соотношение излучаемого рассеивания света с эффектом Рамана, сигнал обратного рассеивания при измерении комбинационного рассеянного света составляет коэффициент 1000. Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов.

Использованные источники: 1. Под ред. Э. Удда Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников 2008