CC BY
143ВКВО-2019- Стендовые
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО
Фадеев К. М.1*, Минкин А. М.1, Ларионов Д.Д.1, Созонов Н. С.2
1 Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь 2 ООО «Инверсия-Сенсор», г. Пермь * E-mail: constantinefadeev@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16175
В современной технике широко распространены датчики давления, они активно применяются как в медицине, так и в аэрокосмической сфере. В большинстве применений используются электрические датчики. Однако в областях с жесткими условиями внешней среды, где невозможно использовать электрические датчики, применяются преимущественно волоконно-оптические датчик, благодаря невосприимчивости к электромагнитному излучению, малым размерам, пожаро- и взрывобезопасности и т.д. Датчики на базе интерферометров отличаются высоким разрешением и большим динамическим диапазоном. Интерферометр Фабри-Перо является наиболее привлекательным для создания датчика давления из-за его простоты, компактности и чувствительности.
Интерференционная картина создается от двух обратных отражений, например, от торца оптического волокна и мембраны. Такой интерферометр Фабри-Перо может быть описан уравнением двухлучевой интерференции:
где, I - интенсивность интерференции, I\ и I2 - интенсивности отраженных лучей от двух поверхностей, ф0 - начальная фаза интерференции, L - длина полости, П0 - показатель преломления среды, заполняющей полость, X - длина волны.
В работе демонстрируется волоконно-оптический датчик давления на основе интерферометра Фабри-Перо. Известны датчики, где мембрана формируется из оптического волокна [1, 2]. Такая технология позволяет создать датчик диаметром немного большим, чем диаметр оптического волокна, что привлекательно для медицинских измерений. Однако такая конструкция датчика не позволяет оптимизировать чувствительность датчика за счет вариации диаметра упругой мембраны, который влияет на максимально допустимое давление. Конструкция нашего датчика представлена на рис. 1, а. Чувствительным элементом датчика является мембрана из кварцевого стекла толщиной около 50 мкм и диаметром 600 мкм. Она присоединена к феруле из кварцевого стекла, внутри которой закреплено оптическое волокно также из кварцевого стекла. Достоинством такой конструкции является согласование деталей по коэффициенту теплового расширения, термостойкость, химическая стойкость и возможность настроить упругий элемент на заданный диапазон давлений. Два обратных отражения происходят от границ сред оптическое волокно-воздух и воздух-мембрана. Мембрана с внутренней стороны покрыта слоем золота толщиной около 100 нм. Напыление позволяет улучшить видимость интерференционной картины, а также исключить вклад третьего обратного отражения от границы сред кварц-среда измеряемого давления. Под действием давления среды происходит прогиб мембраны, что приводит к изменению длины воздушной полости интерферометра. В связи с этим происходит изменение периода интерференционной картины на рис. 1, б.
Ферула
ВБР
а)
К
Воздушный зазор
ы
Л
Оптическое волокно
Мембрана
1540 1560
Длина волны, нм
Рис. 1. а) Схема конструкции волоконно-оптического датчика давления; б) Спектр волоконно-оптического датчика давления с датчиком температуры на базе ВБР
336
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Стендовые
Датчик реагирует также и на температуру. Для исключения температурной чувствительности используется волоконная брэгговская решетка в качестве датчика температуры для термокомпенсации датчика давления, на рис. 1, б виден характерный пик, положение которого связано с температурой.
Во время эксперимента датчик погружался в герметичную барокамеру и подключался к источнику излучению и приемнику. Тестирование датчиков на давление проводилось в установке гидравлического нагружения с рабочей жидкостью этиленгликоль. Схема эксперимента представлена ниже (рис. 2).
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
В результате эксперимента датчик выдержал нагрузку в 475 бар. При повышении давления произошло разрушение мембраны. Чувствительность мембраны (преобразователь внешнего давления в изменение длины зазора) составила 12 нм/бар. Чувствительность датчика можно определить и смещению интерференционной картины (преобразователь внешнего давления в оптический сигнал). При таком методе, чувствительность составляет 90 пм/бар. Стоит отметить, что чувствительность датчика регулируема - можно подобрать необходимое значение по чувствительности или максимальному давлению за счет выбора толщины и диаметра упругой мембраны.
Рис. 3. Зависимость смещения спектра интерференционной картины от давления
Датчик способен выдержать высокие температурные нагрузки. Такой датчик потенциально может быть применен в авиационной и химической отраслях, например, как датчик давления топлива, воздуха для регулировки внутренних систем в газотурбинном двигателе или химическом реакторе.
Литература
1. Donlagic D, et al, OPTICS EXPRESS 17 (2009)
2. Xiao H, et al, OPTICS LETTERS 38, 4609-4612 (2013)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 337
