Физика процесса

В последние годы технология применения оптических волокон развивается бурными темпами. Благодаря тому, что свойства оптического световода можно варьировать в широких диапазонах, существует множество типов волокон, каждый из которых по своим свойствам удовлетворяет определенным требованиям, в зависимости от применения. Так, например, в линиях связи минимизируются потери внутри световода, которые могут быть связаны как с внутренними факторами (коэффициент затухания внутри стекла), так и с внешними (изгибные потери, рассеяние на тепловых колебаниях и т.д.). В отличие от этого, в сенсорных применениях чувствительность к внешним факторам повышает помогает измерять параметры внешней среды. Физические воздействия на волокно, такие как давление, деформация, температурное изменение, влияют на свойства световода в месте воздействия и можно измерив изменение свойств волокна в данной точке, вычислить параметры окружающей среды.

В общем случае волоконный световод состоит из двух концентрических слоев: ядра (сердцевина) и оптической оболочки. Показатель преломления оболочки немного меньше показателя преломления сердцевины, что обеспечивает распространение излучения в ядре за счет полного внутреннего отражения. На рис. 1 схематически показаны поперечное сечение и профиль показателя преломления световода. Как правило, одномодовые и многомодовые волокна отличаются радиусом сердцевины: у стандартного телекоммуникационного волокна радиус сердцевины 2-3 мкм, в то время как у многомодового – 25-30 мкм. Оптическая световедущая часть может защищаться слоем из акрилата, пластика, армированной оболочки и т.д., в зависимости от применения данного кабеля.

Рис.1 - Структура оптоволокна

Главные преимущества волоконно-оптических датчиков по сравнению с классическими аналогами следующие:

• Небольшие размеры
• Очень высокая скорость отклика на изменение параметров среды
• Небольшой вес
• Возможность одновременной регистрации одним датчиком нескольких параметров
• Надежность
• Очень широкий температурный рабочий диапазон
• Небольшая цена за единицу длины измерительной линии
• Высокая чувствительность
• Большое время эксплуатации
• Высокое пространственное разрешение
• Очень устойчивы к химическому воздействию и агрессивным средам
• Не подвержены влиянию электромагнитного возмущения
• Чувствительная часть сенсора не требуют подключения к линиям электропередачи.

Таким образом, волоконные сенсоры незаменимы для отраслей, связанных с горючими и взрывоопасными материалами, например, угле-, нефте- и газодобычи и пр. для  использования в системах пожарной сигнализации различных сооружений.

Одним из способов измерения температуры вдоль оптического волокна является использование эффект комбинационного рассеяния (КР) света (или, в англоязычной литературе, эффект Рамана), открытого еще в конце 1920х годов независимо друг от друга индийским физиком Раманом и советскими физиками Ландсбергом и Мандельштамом. Согласно теории комбинационного рассеяния света, этот процесс сопровождается заметным изменением частоты рассеиваемого спектра: если источник испускает монохроматический свет, то в спектре рассеянного излучения обнаруживаются дополнительные линии, число и расположение которых тесно связано с молекулярным строением вещества. При КР преобразование первичного светового потока сопровождается обычно переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни энергии, причем частоты новых линий в спектре рассеяния являются комбинациями частоты падающего света и частот колебательно-вращательных переходов рассеивающих молекул. Если молекула вещества перешла из основного состояния в возбужденное, в спектре КР проявляются линии, имеющие значительно большую длину волны по сравнению с источником света (т.н Стокс). Возможен также и обратный процесс, когда молекула в результате КР переходит из возбужденного в основное состояние (т.н. анти-Стокс). Таким образом, если в оптоволокно входит лазерный импульс с несущей частотой ν₀, то в спектре обратно рассеянного света будет наблюдаться центральный пик на несмещенной частоте ν₀ и два дополнительных пика, смещенных на частоту ν: ν_s= ν₀-ν (Стокс) и ν_as= ν₀+ν (анти-Стокс) (рис. 2).

Очевидно, что заселенность возбужденного уровня напрямую зависит от температуры вещества, а значит, и интенсивность анти-Стоксовой компоненты будет проявлять температурную зависимость. Известно, что в силикатном оптоволокне компоненты КР отстоят от центральной компоненты приблизительно на 440 см^-1. Для исключения нетемпературных эффектов, приводящих к изменениям интенсивности анти-Стоксовой компоненты (таких как изгибные потери или потери на сварках волокна), требуется произвести её нормировку на интенсивность стоксовой компоненты КР. В этом случае будем иметь известную формулу для температурной зависимости:

,                                                 (1)

где ν_as, ν_s – частоты антистоксовой и стоксовой компонент соответственно, k_B – константа Больцмана, h – постоянная Планка, а T – абсолютная температура. Как было сказано выше, информация о температуре содержится в основном в анти-стоксовой компоненте, однако ее интенсивность настолько слабая, что эту линию рассеяния едва видно. Для того чтобы можно было выделить из шумового сигнала достаточное количество анти-стоксового рассеяния, используют многомодовые волокна, в которых площадь рассеяния существенно выше по сравнению с одномодовыми световодами. Благодаря этому в многомодовых волокнах требуется приблизительно один метр волокна, чтобы накопить достаточное количество сигнала для обработки. В одномодовых же линиях аналогичная длина волокна должна составлять 4-10 метров, что в разы снижает пространственное разрешение датчика в целом. Однако у датчиком на основе многомодовых волокон также есть и существенный недостаток – это относительно большие потери, которые ограничивают длину чувствительной линии до 10км. Для достижения приемлемых характеристик датчика, требуется мощный импульсный источник опроса, высокочувствительная система регистрации и сложные методы обработки сигнала. В настоящее время существует всего несколько коммерческих систем, которые активно продаются в мире. Большинство этих устройств портативные, однако обычно они не устанавливаются на постоянной основе, а технический персонал фирмы-производителя приезжает на измеряемый объект, устанавливает оборудование, снимает данные и передает их заказчику. После выполнения всех необходимых процедур, датчик температуры обычно демонтируется и увозится с объекта. Только небольшое число производителей устанавливают свои сенсоры на постоянной основе для мониторинга температуры.

На рис. 3 приведена упрощенная схема температурного датчика на основе КР. Лазерные импульсы с частотой несколько килогерц заводятся в оптоволоконную линию длиной, состоящую из одномодового или многомодового волокна. В каждой точке оптоволоконного кабеля происходит комбинационное рассеяние света и, регистрируя время прибытия обратно-рассеянного излучения, можно определить место, где конкретно произошло рассеяние (рис. ). КР в обратном направлении, проходя через спектральный фильтр, разделяется на стоксовую и анти-Стоксовую компоненты и перенаправляется на два высокочувствительных фотодиода, данные с которых поступают на АЦП и далее на компьютер, где эти сигналы обрабатываются и вычисляется температура (рис. 4) по формуле (1).

Рис. 3. Схема регистрации КР: 1 – импульсный лазер, 2 – система фильтрации оптического сигнала, 3 – чувствительное волокно  до 8 км, 4 – фотодиоды, регистрирующие соответствующие компоненты рассеяния, 5 – АЦП, 6 – блок обработки и индикации (БОИ).

Рис.4 а) рефлектограмма

Рис.4 б) расчитанная температура