Оптоволоконные датчики.

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. Нас интересует возможность использования оптоволокна для создания датчиков.

Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479.

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина — оболочка».

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Волоконно-оптические датчики используют:

1) Изменение характеристик волокна (рис. 4.3, а) при механическом воздействии. При этом используются такие физические явления, как эффект Фарадея, эффект Керра.

2) Изменение параметров передаваемого света (рис. 4.3, б).

3) Преобразование «физическая величина свет». Чувствительным элементом может быть как сам измеряемый объект, так и специальный элемент, прикрепляемый к нему (рис. 4.3, в).

Исходя из принципа кодирования измеряемой информации, можно условно разделить на группы:

фазовые – датчики, в которых используется высококогерентный источник излучения и производится измерение фазы световой волны, изменяющейся под влиянием внешнего параметра;

со спектральным кодированием – датчики, где, в отличие от чисто фазовых, используется источник излучения с широким спектром с возможностью анализа всего спектра;

амплитудные – датчики, в которых измеряемый параметр модулирует интенсивность проходящей или отраженной световой волны;

туннельные – датчики, где используется эффект туннелирования излучения через малый зазор.

поляризационные – датчики, использующие информацию о поляризации световой волны;

Существует несколько возможных вариантов использования оптоволокна в качестве сенсорного элемента измерительной системы [27…31]. В простейшем случае световод закладывается в конструкцию и воспринимает деформации и механические напряжения без дополнительных конструктивных решений. Предпосылкой такого варианта реализации сенсорного элемента являются высокие механические свойства оптоволокна (упругость, прочность на разрыв). Такой подход позволяет реализовывать распределенные измерительные системы на базе волоконной оптики.

Диагностика состояния световода осуществляется путем измерения отражательной и пропускательной способности, а также путем анализа рассеянности обратно рассеянного в световоде излучения (Релеевского, Рамановского, Брилюэновского) с использованием различных типов рефлектометров.

В этом случае можно получить как обобщенную интегральную характеристику напряженно-деформированного состояния контролируемой конструкции, так и локализовать места концентрации напряжений с точностью от 1 до 0,5 метра.

Вариант применения – для мониторинга напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе возведения и эксплуатации сложных строительных объектов.