Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, стр. 78-82

ВВЕДЕНИЕ

Волоконно-оптические датчики благодаря своим положительным характеристикам находят широкое применение в различных областях производства, науки, медицины и т.д. Так как возрастает потребность в датчиках физических величин (давления, температуры, деформации, показателя преломления), возрастают и требования, которые предъявляются к измеряющему устройству. Датчики должны быть надежны, помехоустойчивы, долговечны, а также иметь простое управление. Исследования, проводимые в агрессивных средах, предъявляют особые требования к датчику, поскольку даже небольшие изменения состояния среды (давления и температуры) могут привести к существенным погрешностям или вывести сам датчик из строя.

Данная работа посвящена исследованию широкодиапазонного датчика температуры. Датчик сформирован в сердцевине оптического световода. Задачами исследования являются: измерение температурной чувствительности датчика и его прочностных свойств.

ЭФФЕКТ ПЛАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Существует негативный эффект, который серьезно ограничивает работу световодов в линиях связи – это разрушение волоконных световодов под действием оптического излучения интенсивностью ≥1 МВт/см² (при условии дополнительного инициирования процесса) [1]. В зарубежной литературе оно обозначается как catastrophic damage (катастрофическое повреждение) или Fuse-effect (“эффект плавления”).

Внешне явление выглядит следующим образом: если в одномодовый световод вводится лазерное излучение порядка 1 Вт, то при определенных условиях (при инициировании) в области сердцевины световода (масштаб ~1 мкм) возникает область яркого белого или голубоватого свечения (искра), которая движется навстречу лазерному излучению по световоду со скоростью ~1 м/с. В сердцевине световода после “пробегания” искры в большинстве случаев образуются микрополости (или пузыри, или каверны) размерами несколько микрометров, причем полости иногда могут формировать периодическую структуру вдоль сердцевины световода или сливаться в один длинный капилляр [2]. При этом волноводные свойства световода полностью разрушаются.

Процесс может быть инициирован разными способами, например загрязнением торца световода, контактом торца световода с металлической поверхностью [3], нагреванием участка световода в электрической дуге. В любом случае требуется нагрев участка волокна до температуры порядка 1000 К [4].

Одним из применений данного эффекта является создание различных оптических датчиков, которые могут работать в экстремальных средах. Известно, что волоконная брэгговская решетка разрушается при температуре ~550°С, следовательно, для измерения высоких температур не подходят датчики на основе решеток. Существуют оптические датчики на основе интерферометра Фабри–Перо, которые получают методами механической или химической обработки и далее склеиванием чувствительного элемента и оптического волокна [5, 6]. Такие датчики не отвечают требованиям компактности и требуют дополнительной защиты от внешних воздействий. Для получения компактного датчика, который сможет работать при высоких температурах, но при этом иметь химическую стойкость и малые размеры, можно воспользоваться эффектом плавления волокна. Подробный способ создания датчиков в сердцевине волокна был рассмотрен авторами в предыдущих публикациях [7, 8]. Датчики, созданные с помощью этого эффекта, показаны на рис. 1.

Рис. 1.

Структура датчиков, созданных с помощью эффекта плавления: а – датчик температуры, созданный в рамках описанного эксперимента; б – датчик гидростатического давления, созданный коллективом из Авейрусского университета (Universidade de Aveiro, Portuguese Republic) [4].

Структура такого датчика представляет собой микропустоты, расположенные вдоль сердцевины волокна. Эти микропустоты являются интерферометрами Фабри–Перо, и на их основе можно создавать датчики различной конфигурации [9]. Температурная чувствительность датчиков на основе микропустот составляет 10 млн^–1/°C [10].

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для измерения температурной чувствительности был собран экспериментальный стенд. Термочувствительная часть волоконного световода помещена в термокамеру ШС-80-01. Микрополость сформирована в одномодовом радиационно-стойком световоде и представляет собой термочувствительный интерферометр Фабри–Перо. Световод помещен на резиновую подложку и зафиксирован скотчем в свободной укладке, без натяжения.

Температура менялась от 30 до 90°С с шагом 10°С в первом эксперименте и от 20 до 320°С с шагом 30°С – во втором. Чтобы снять отраженный сигнал от термочувствительного датчика, была собрана схема лабораторного интеррогатора, которая состоит из волоконного объединителя 2 × 2 с коэффициентом деления 80/20%, широкополосного источника излучения EXFO FLS-5800, спектроанализатора Yokogawa AQ6319. Схема экспериментального стенда для измерения термочувствительности датчика представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Схема установки по измерению термочувствительности. Термокамера – ШС-80-01, волоконный объединитель 2 × 2 – с коэффициентом деления 80/20%, источник излучения – EXFO FLS-5800, спектроанализатор – Yokogawa AQ6319.

В дальнейшем отраженный спектр анализируется в пакете Matlab, спектральный сдвиг определяется по минимумам.

Эксперимент проводился на волокне с акрилатным покрытием. Так как при температуре выше 90°С происходит повреждение защитного покрытия, то необходима оценка его прочностных характеристик. Для проверки предельной прочности световода использовали разрывную машину Instron 5960, принцип работы которой объясняет рис. 3. Образец световода удерживался вертикально и наматывался на кабестаны с обоих концов, для уменьшения проскальзывания применялся широкий скотч. Расстояние между кабестанами составляло 500 мм, световод вытягивался вертикально с постоянной скоростью (100 мм/мин). Разрушающее напряжение регистрировалось во время разрыва световода. В работах [11, 12] приведены результаты зависимости предельной прочности световодов от влажности помещения, поэтому вся установка располагалась в контролируемой окружающей среде (относительная влажность 50 ± 5%, температура 23 ± 2°С).

Рис. 3.

Схематическое изображение осевого растяжения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Большинство медицинских волоконных зондов для измерения температуры имеет диапазон измерения от 20 до 90°С, кроме того используемые в эксперименте волокна имели акрилатное покрытие, которое разрушается при температуре >90°С. Поэтому в первом эксперименте было решено измерить поведение термочувствительного волокна в диапазоне 30–90°С с шагом 10°С.

На рис. 4 продемонстрирован спектр отражения интерферометра Фабри–Перо, анализ смещения спектра будем проводить по минимумам спектра, которые выделены ромбовидным маркером. На рисунке исходный спектр отражения отмечен штриховой линией, после нагрева до 40°С спектр сместился на 140 пм, и он отмечен сплошной линией. Из этого можно сделать вывод, что с повышением температуры происходит смещение спектральной картины в инфракрасную область.

Рис. 4.

График отражения интерферометра Фабри–Перо при нагреве от 32 до 40°C. Маркером отмечен спектральный минимум.

При нагреве еще на 10°C наблюдается дальнейшее смещение спектра в инфракрасную область. Как видно из рис. 5, весь спектр претерпевает смещение, кроме того наблюдаются небольшие колебания мощности сигнала, это может быть связано с тем, что спектр источника излучения имеет параболическую форму, и огибающая отраженного сигнала также представляет собой параболу.

Рис. 5.

График отражения интерферометра Фабри–Перо при нагреве от 32 до 50°C. Маркером отмечен спектральный минимум.

При дальнейшем нагреве спектр сдвигается уже на период от первоначального, на рис. 6 отраженный спектр при 60°C обозначен графиком с пунктирной линией.

Рис. 6.

График отражения интерферометра Фабри–Перо при нагреве от 32 до 60°C. Маркером отмечен спектральный минимум.

При дальнейшем увеличении количества графиков увеличивается сложность обработки информации из-за наложения большого количества графиков друг на друга, поэтому удобнее строить графики в виде тепловой карты, где по оси абсцисс отложены значения температур, а по оси ординат значения длины волны (рис. 7).

Рис. 7.

Тепловая карта отраженного спектра интерферометра Фабри–Перо при нагреве от 30 до 90°C. Светлые области – значения минимумов, темные – макcимумов.

Сдвиг спектра микрополости определяется по минимуму в диапазоне длин волн 1537–1539 нм. Зависимость сдвига спектра носит характер, близкий к линейному. Расчетная чувствительность датчика в этом случае составила 15.7 ± 0.7 млн^–1/°С.

Далее была проверена возможность датчика температуры регистрировать изменения спектра в гораздо более широком диапазоне температур. График отражения излучения интерферометра Фабри–Перо при нагреве от 30 до 80°С представлен на рис. 8.

Рис. 8.

График отражения интерферометра Фабри–Перо при нагреве от 30 до 80°C. Маркером отмечен спектральный минимум.

Сдвиг спектра микрополости определяется по минимуму в диапазоне длин волн 1537–1541 нм. Зависимость сдвига спектра носит характер, близкий к линейному [13, 14]. Чувствительность датчика в этом случае составила 13.6 ± 0.7 млн^–1/°С. В случае с большим шагом в измерениях при анализе отраженных спектров возникают сложности в определении максимумов и минимумов отраженного спектра, поэтому рекомендуется строить двумерные теплограммы, в которых визуально проще определять сдвиг спектра, или пользоваться фурье-преобразованиями при его анализе.

После выдержки световода при температуре 320°С его защитное покрытие изменило цвет и стало “черным”. Это связано с деструкцией акрилата, так как его рабочая температура находится в диапазоне от –40 до +85°С. Поэтому световоды для применения в экстремальных средах часто покрываются материалами, способными выдерживать высокие рабочие температуры. Одним из таких материалов является полиимид, его превосходные свойства термостойкости [15], высокой адгезии к кварцу и твердости позволяют использовать световоды при температуре 300–350°С.

До испытаний световод имел предельную прочность ~5.84 ГПа, а после ~270 ГПа. Предельная прочность до испытаний отлично коррелирует с литературными данными ~5.40 ГПа [16] и ~5.10 ГПа [17]. Таким образом, акрилатное покрытие не подходит под такие задачи, целесообразно акцентировать внимание между полиимидным и металлическим защитно-упрочняющим покрытиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования создан макет для проверки чувствительности датчиков к изменению температуры. При проведении экспериментов были получены температурные зависимости спектрального сдвига для датчика в диапазонах температур 30–90°С и 20–320°С.

В результате исследования характеристик одномодового радиационно-стойкого рассеивателя получены калибровочные графики зависимости спектра от температуры и определена температурная чувствительность, которая составила 15.7 ± 0.7 млн^–1/°С в сравнении с решетками Брэгга, имеющими чувствительность ~12 млн^–1/°С.

Предельная прочность световода в акрилатном покрытии после испытаний уменьшилась, поэтому для долговечности датчика необходимо использовать в качестве покрытия полиимид или металлы.

В дальнейшем планируется изучить датчик на основе волокна, покрытого полиимидным и металлическим покрытием.