Волоконно оптические датчики температуры

Волоконно-оптические датчики температуры и давления для промышленного применения .

Датчики не подвергаются влиянию любых видов электромагнитных помех.

Температурные датчики позволяют измерять температуру от −50°С до +350°С (специальные

волокна до +600°C) и не требуют калибровки при установке и в процессе эксплуатации.

Датчики давления устойчиво работают за пределами температурного лимита электрических датчиков (+120°C), не испытывают текучести при давлениях до 1500 атм и работают в любых агрессивных средах.

• Электрические станции и высоковольтные электрические сети
• Нефтегазовая промышленность и нефтепереработка
• Шахты, морской транспорт
• Ядерные энергетические установки, двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели
• Специальное применение на заказ

Волоконно-оптическая система измерения наноперемещений

• Разрешение  - 1 нм
• Невосприимчивость к электромагнитным помехам
• Абсолютная пожаро- и взрывобезопасность 

О бласти применения

• Нанотехнологии
• Высокоточное машиностроение
• Аэрокосмическая промышленность
• Нефтегазовая промышленность
• Химическая промышленность
• Строительство и эксплуатация построенных объектов            

Мониторинг деформаций, внутренних напряжений. Контроль целостности зданий, мостов, туннелей и т.д. Измерение давления и температуры в резервуарах и хранилищах. Измерение температуры, деформаций, внутренних напряжений и контроль целостности трубопроводов, резервуаров и хранилищ. Измерение физических параметров в агрессивных средах и пожароопасных условиях.

Общий вид прибора

Интерферометрическая волоконно-оптическая система предназначена для прецизионного измерения перемещений, температуры, деформации, давления и других физических величин, которые могут быть преобразованы в механическое перемещение. Высокая чувствительность системы обеспечивается применением интерферометра Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента. Система позволяет измерять абсолютное значение базы интерферометра в диапазоне 50…250 мкм с разрешением не хуже 1 нанометра. На этом принципе реализованы датчики давления и температуры.

Работа системы основана на цифровой обработке оптического спектра излучения, отраженного от измерительного зонда. Использование спектрального кодирования обеспечивает высокую помехозащищенность системы и ее нечувствительность к флуктуациям оптической мощности в линии связи.

Система состоит из набора миниатюрных датчиков, подключенных к блоку регистрации волоконно-оптическим кабелем. Конструктивное исполнение датчиков может изменяться в соответствии с техническими условиями заказчика.

Технические характеристики

Разрешение по перемещению

Датчики температуры и деформации объектов на основе волоконных решеток показателя преломления

Волоконно-оптический датчик (ВОД) - датчик физических величин, в конструкции которого в качестве чувствительного элемента и передающей оптическое излучение среды используется волоконный световод. Чувствительный элемент ВОД преобразует определенное физическое воздействие в изменение свойств прошедшего, отраженного или рассеянного излучения. По принципу действия ВОД можно разделить на группы в соответствии с тем, какой параметр оптической волны измеряется для получения информации о физическом воздействии: интенсивность, фаза, состояние поляризации, спектральный или мoдовый состав излучения.

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость линейного перемещения и скорость вращения, ускорение, параметры колебаний и звуковых волн, уровень жидкостей, показатель преломления, электрическое и магнитное поле, дозу радиационного излучения, а также ряд других физических величин.

Использование ВОД основывается на таких явлениях, как электрооптический, магнитооптический, упругооптический, термооптический эффекты, люминесценция, комбинационное рассеяние, рассеяние Рэлея и Мандельштама-Бриллюэна, межмодовое взаимодействие и других.

Преимуществами ВОД являются: защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокая чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, малые габариты и вес, высокая коррозионная и радиационная стойкость, электроизоляционная прочность, пожаробезопасность, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких световодах, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика.

Одним из новых и перспективных вариантов ВОД температуры и механических деформаций являются датчики с использованием волоконных решеток показателя преломления в качестве чувствительного элемента (см. раздел обзора "Датчики физических величин на основе брэгговских решеток" ).

Сферы использования ВОД температуры и деформации объектов, построенные на основе решеток, весьма разнообразны. Приведем далеко не полный перечень возможных областей применения таких систем:

• все виды строительства и коммуникаций;
• автомобилестроение;
• авиация;
• кораблестроение;
• эксплуатация и контроль состояния (целостность, безопасность) городских строений и промышленных объектов.
  

  Демонстрационный макет квазираспределенной системы измерения температуры и деформации объектов

  Общий вид макета

  

  Система построена на основе спектрального мультиплексирования отдельных каналов, каждый из которых представляет собой спектр отражения однородной волоконной брэгговской решетки длиной 5 мм. Максимум отражения от решетки зависит от температуры и деформации световода (см. раздел обзора "Волоконные брэгговские решетки" ). По смещению резонансных длин волн решеток с использованием специально разработанного для этой цели программного обеспечения восстанавливается температура и деформация объекта.

  Спектр отражения серии волоконных брэгговских решеток в системе измерения температуры и деформации

  Схема системы датчиков представлена на следующем рисунке.

  Схема системы

  

  Широкополосный сигнал от полупроводникового источника света 3 через волоконно-оптический разветвитель 2 поступает в волоконную измерительную линию 1. Отраженный решетками сигнал через тот же ответвитель поступает на оптический анализатор спектра 4. Персональный компьютер 5 через требуемые промежутки времени считывает спектр и обрабатывает его с помощью специальной программы.

  Для анализа технических характеристик системы серия датчиков закреплена на металлической балке 6. Размеры балки составляют 1200*110*20 мм. Балка располагается на опорах 7. расположенных по ее краям.

  На следующем рисунке представлены измеренные системой датчиков напряжения, которые возникают на верхней поверхности балки при приложении нагрузки в районе ее середины.

  Результаты тестирования квазираспределенного волоконно-оптического датчика температуры и деформации

  В этом эксперименте балка последовательно нагружалась грузами по. г (на рисунке видны 12 соответствующих "ступенек"), затем также последовательно эти грузы были сняты с балки, и система таким образом была приведена в исходное состояние. Серия из шести кривых 1 соответствует брэгговским решеткам, которые измеряют суммарное воздействие деформации и температуры, в то время как серия 2 - решеткам, которые измеряют только изменение температуры. Кривые из серии 1 с наибольшей величиной деформации соответствуют решеткам, которые находились ближе всех к точке приложения нагрузки. Поскольку во время эксперимента система находилась при температуре, близкой к постоянной, кривые в серии "температурных" решеток 2 характеризуют шумовые характеристики и стабильность системы. В том случае, если окружающая температура меняется, в разработанной системе этот температурный дрейф учитывается, что позволяет измерять деформацию независимо от температуры.

  Шумовые характеристики и долговременная стабильность системы на примере измерения температуры представлены на следующем рисунке.

  Следует отметить масштабируемость системы как по количеству датчиков на одной измерительной линии (до 50 - 100 точек измерения), так и по количеству волоконно-оптических каналов измерения (с использованием оптического переключателя). Локальность измерений может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в зависимости от конкретных условий и задач.

  Технические данные и характеристики системы