Теоретические основы
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. 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. На рисунке схематически показаны поперечное сечение и профиль показателя преломления световода. Оптическая световедущая часть может защищаться слоем из акрилата, пластика, армированной оболочки и т. д., в зависимости от применения данного кабеля.
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
- Устойчивость к химическому воздействию и агрессивным средам
- Не подвержены влиянию электромагнитного возмущения
- Чувствительная часть сенсора не требует 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 эффекта комбинационного рассеяния (КР) света (или, в иностранной технической литературе, эффект Рамана), открытого еще в конце 1920-х 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 v0, то в спектре обратно рассеянного света будет наблюдаться центральный пик на несмещенной частоте v0 и два дополнительных пика, смещенных на частоту v: vs= v0-v (Стокс) и vas= v0+v (анти-Стокс).
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.
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 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 рисунке 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. 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.
- импульсный лазер,
- система фильтрации оптического сигнала,
- чувствительное волокно ~7 км,
- фотодиоды, регистрирующие соответствующие компоненты рассеяния,
- АЦП,
- блок обработки и индикации (БОИ).
Блок обработки извещателя ИП 132-1-P «Елань» обеспечивает:
- контроль температуры в ЧЭ на длинах от 100 до 8000 м;
- условное деление всей длины оптоволоконного кабеля на зоны контроля длиной 4 м (т. е. количество контрольных зон равно длине кабеля деленной на 4 м);
- выбор температурного класса и на основе полученных данных и их обработки, определение пожара по температуре для ВСЕХ температурных классов от А1 до G, либо по температуре и скорости прироста температуры для ВСЕХ классов от A1R до GR;
- определение и индикацию дистанции в метрах до очага пожара;
- определение и индикация нескольких зон, в которых произошел пожар;
- контроль исправности чувствительного элемента;
- выдачу извещений «Дежурный режим», «Пожар», «Неисправность»;
- взрывобезопасное оптическое излучение в оптоволоконный кабель ограничено мощностью лазера на уровне менее 10 мВт даже в условиях неисправностей.