Способ построения комбинированных волоконно-оптических датчиков на основе макроизгибов оптического волокна

Предмет: Физика
Раздел предмета: Волоконная оптика / Оптоэлектроника / Датчики на основе оптического волокна

Введение

Комбинированные волоконно-оптические датчики — это устройства, использующие оптическое волокно как чувствительный элемент для измерения различных физических величин, таких как температура, давление, деформация, влажность и др. Одним из эффективных способов реализации таких датчиков является использование макроизгибов оптического волокна.

Принцип действия волоконно-оптического датчика на основе макроизгиба

Оптическое волокно передаёт свет за счёт полного внутреннего отражения. Однако, если волокно изогнуть (создать макроизгиб), часть света может выйти из сердцевины в оболочку и рассеяться. Это приводит к потерям мощности сигнала, передаваемого через волокно. Эти потери зависят от:

• радиуса изгиба,
• длины участка изгиба,
• параметров самого волокна,
• внешних воздействий (температура, давление и т. д.).

Таким образом, измеряя изменение интенсивности выходного сигнала, можно судить о воздействующих на волокно параметрах.

Способ построения комбинированного датчика

1. Выбор типа волокна:

Обычно используют одномодовые или многомодовые волокна. Многомодовые волокна более чувствительны к изгибу, но менее стабильны к шумам.

2. Формирование макроизгиба:

Создаётся изгиб с определённым радиусом [R]. Потери при изгибе можно описать экспоненциальной зависимостью:

[\Delta P \propto \exp\left(-\frac{R}{R_c}\right)]

где:

• [\Delta P] — потери мощности,
• [R] — радиус изгиба,
• [R_c] — критический радиус изгиба, зависящий от параметров волокна.

3. Комбинирование с другими чувствительными элементами:

Чтобы создать комбинированный датчик, макроизгиб сочетается с другими эффектами:

• Температурная чувствительность: участок волокна помещается в материал с высоким коэффициентом теплового расширения — изменение температуры приводит к изменению радиуса изгиба.
• Давление: макроизгиб помещается в эластичную оболочку, которая сжимается под давлением, изменяя изгиб.
• Влажность: покрытие волокна гигроскопичным материалом, который набухает при повышении влажности и изменяет изгиб.

4. Оптическое считывание:

Измеряется интенсивность прошедшего света или используются интерференционные методы (в случае более сложных схем).

Пример реализации

Представим, что мы хотим создать комбинированный датчик, измеряющий одновременно давление и температуру. Тогда:

• Волокно изгибается и закрепляется на подложке.
• На один участок накладывается термочувствительный материал (например, полимер), на другой — эластомер, чувствительный к давлению.
• Изменения температуры и давления вызывают деформацию изгибов, что влияет на потери света.
• Сигнал с выхода волокна анализируется и по калибровочной кривой определяется значение параметров.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая чувствительность,
• Электромагнитная совместимость,
• Возможность удалённого мониторинга,
• Компактность.

Недостатки:

• Необходимость калибровки,
• Зависимость от внешних факторов (например, вибрации),
• Ограниченная долговечность при частом изгибании.

Заключение

Комбинированные волоконно-оптические датчики на основе макроизгибов — это перспективный способ мониторинга различных параметров окружающей среды. Их работа основана на зависимости потерь света от деформации волокна. Комбинируя изгиб с другими чувствительными элементами, можно создавать многофункциональные сенсоры.