ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

INCREASING THE SENSITIVITY OF DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS

Nikita Sitnikov

student, Department of Communication Lines and Measurements in Communication Technology, Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Konstantin Yablochkin

scientific supervisor, candidate of technical sciences, associate Professor, Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В этой статье рассматривается повышение чувствительности измерения температуры и путем изучения параметров датчика, включая разные типы покрытий и предварительную нагрузку. Сначала представлена экспериментальная установка, включающая изготовление SMF-датчика и выбор материала, отверждаемого УФ-излучением. Затем исследуется повышение чувствительности измерения температуры на основе различных покрытий.

ABSTRACT

This article discusses increasing the sensitivity of temperature and strain measurements by studying sensor parameters, including coating types and preload. First, an experimental setup is presented, including the manufacture of an SMF sensor and the selection of a UV-cured material. Then, an increase in the sensitivity of temperature measurement based on various coatings is investigated.

Ключевые слова: волоконно-оптические датчики; распределенные датчики; повышение чувствительности.

Keywords: fiber-optical sensors;distributed sensors; increased sensitivity.

В этом эксперименте была применена система оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR) - оптический распределенный датчик-опросник ODiSI-6000производства Luna Innovations.[1] Эта система может осуществлять практически непрерывное измерение температуры вдоль одномодового волокна (SMF) с высокой точностью и скоростью. Эта система основана на обнаружении интерференции обратного Рэлеевского рассеивания, которая чувствительна к отражению Френеля. Поэтому для этой системы в реальных кейсах необходимы специальные SMF-датчики с устранением отражения по Френелю. Этот тип датчиков SMF состоит из трех частей: разъема LC/APC, SMF и волокна без сердечника (NCF).

SMF используется в качестве чувствительной части, в то время как NCF используется для устранения отражения Френеля на конце датчика. Сравнение спектра обратного рассеивания между датчиком с NCF и без него показано на рисунке 1. Этот рисунок иллюстрирует, что спектр обратного рассеивания датчика без NCF включает шум, вызванный отражением Френеля.

а) с NCF                                                     б) без NCF

Рисунок 1. Сравнение спектра обратного рассеивания между датчиками

После изготовления SMF-датчика исследуются различные покрытия материалов для повышения температурной чувствительности. Повторное нанесение покрытия осуществляется с помощью машины для повторного нанесения покрытия на оптическое волокно FSR-06 производства Fujikura Ltd. Для этой машины необходимы материалы для покрытия, отверждаемые УФ-излучением. После сравнения параметров многочисленных материалов, отверждаемых УФ-излучением, для эксперимента с покрытием были выбраны UV683 и UV639, производства Permabond Ltd, поскольку они оба подходят для FSR-06 и имеют разные механические свойства после отверждения.[2, 3]

Результаты измерений SMF изменяются при воздействии изменения температуры из-за теплового расширения. Таким образом, выбор подходящего покрытия может улучшить температурную чувствительность SMF. Основываясь на этом принципе, температурная чувствительность волокна без защитного слоя и двух типов покрытия исследуется с помощью температурных экспериментов. Эти эксперименты проводятся в камере кондиционирования Synergetics   . Диапазон температур этих экспериментов составляет от -50 до 50°C. Кроме того, эти покрытия были исследованы как в свободном состоянии, так и в состоянии поверхностного монтажа соответственно, чтобы изолировать влияние изменения температуры только на датчик и датчик в сочетании с клеем.

а) измерения с UV683                              б) чувствительность с UV683

Рисунок 2. Температурная характеристика покрытия UV683.

На рисунке 2(а) показаны результаты измерений датчика SMF, который содержит покрытие UV683. Там покрытая часть очевидна из-за разницы в температурной чувствительности между UV683 и оригинальным покрытием (эпоксиакрилатное покрытие). Таким образом, температурная чувствительность покрытия UV683 рассчитана и нанесена на график на рисунке 2(б). На этом рисунке показано, что покрытие UV683 проявляет различную температурную чувствительность при температуре ниже и выше 0 °C. Это означает, что кусочная функция больше подходит для описания температурной чувствительности этих покрытий.

Те же температурные эксперименты были проведены с UV639 покрытием и с волокном без покрытия. Температурная чувствительность различных материалов покрытия и голого волокна сведена в таблицу 1.

Таблица 1.

Температурная чувствительность различных материалов покрытия

Эта таблица иллюстрирует, что влияние покрытия на температурную чувствительность более выражено при температурах ниже 0°C. При температуре выше 0 °C температурная чувствительность различных покрытий практически совпадает с чувствительностью голого волокна, что означает, что влияние покрытия на температурную чувствительность незначительно. Материалы, отверждаемые УФ-излучение, принятые в этом эксперименте (UV683 и UV639), демонстрируют гораздо более высокую температурную чувствительность, чем волокно без покрытия при температурах ниже 0° C.

Список литературы:

1. Luna Innovations // Products // 3dviz. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://lunainc.com/product/3dviz (дата обращения 02.01.2023)
2. Permabound Engineering Adhesives // Datasheets // Technical Datasheets. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:https://www.permabond.com/wp-content/uploads/2022/08/UV639_TDS.pdf [1](дата обращения 05.01.2023)
3. Permabound Engineering Adhesives // Datasheets // Technical Datasheets. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:https://www.permabond.com/wp-content/uploads/2016/04/UV683_TDS.pdf (дата обращения 05.01.2023)