Development of a sensitive element for fiber-optic strain gauge based on Bragg gratings

Abstract

Решается задача обеспечения стабильности работы чувствительного элемента волоконно-оптического тензометрического датчика в условиях одновременного воздействия механических напряжений и температуры окружающей среды. В качестве одного из наиболее перспективных чувствительных элементов воло-конно-оптических датчиков физических величин используются волоконные брэгговские решетки. Показано, что разработанная структура чувствительного элемента на основе двух решеток Брэгга с различными специально подобран-ными покрытиями может разделить влияние деформационного и температурно-го воздействий. Ключевые слова: волоконная брэгговская решетка, чувствительный элемент, волоконно-оптический тензометрический датчик, интерферометр Тальбота, фоторефрактивностьВведение. В настоящее время волоконные брэгговские решетки (ВБР) рассматриваются как один из наиболее перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических дат-чиков (ВОД) физических величин. К числу основных преимуществ ВОД можно отнести ус-тойчивость к воздействию электромагнитных полей, высокую чувствительность, радиацион-ную стойкость, широкий динамический диапазон измерений, малые габариты и вес.Недостаток тензометрических ВОД -чувствительность ВБР к изменениям температуры окружающей среды и, как следствие, возникновение изменений в результирующем сигнале, не связанных с деформацией решетки. Следовательно, необходимо таким образом измерять эти величины, чтобы изменение температуры не повлияло на результат измерения деформации.Один из подходов к этой проблеме описан в работах [1,2]. В них рассматривается по-строение сенсорной системы, основой чувствительных элементов которой служит оптическое волокно (ОВ) с записанными в него двумя ВБР. При таком подходе решетка, прикрепленная к материалу, производит измерение деформации, а не закрепленная -температуры.Также возможно использовать ВБР в комбинации с ВОД, работающим на другом прин-ципе [3], например, с распределенной волоконно-оптической системой контроля температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния, которая измеряет температуру вдоль ОВ.Основной недостаток обоих подходов заключается в неточном измерении температуры ВБР, измеряющей деформацию. При первом подходе температура двух ВБР может сущест-венно различаться, так как они пространственно смещены друг от друга, при втором -ком-бинационное рассеяние имеет пространственное разрешение порядка метра и более, следова-тельно, температура ВБР измеряется не точно.Механическую прочность чувствительных элементов ВОД, состоящего из двух ВБР, за-писанных в ОВ с различными легирующими примесями [4,5], и датчика, состоящего из двух ВБР, записанных в ОВ различного диаметра [6], снижает сварной стык на месте соединения двух волокон.Альтернативный способ решения этой проблемы заключается в применении суперпози-ции двух ВБР с различными резонансными длинами волн [7,8]. На основе изменения длин