Оптические тензодатчики представляют собой датчики деформации на основе оптических волокон. Существует несколько оптических технологий, подпадающих под одну и ту же классификацию, но в этой статье основное внимание уделяется датчикам на основе волоконной решетки Брэгга (ВРБ) — технологии, используемой HBK. ВРБ в основном используются для измерения деформации, но также можно легко интегрировать в датчики различных типов, например датчики температуры, ускорения или перемещения.

По сравнению с традиционными электрическими тензорезисторами оптическим тензодатчикам не требуется электричество. Вместо этого технология основана на свете, которое распространяется по волокну. Таким образом, датчики полностью пассивны и невосприимчивы, например, к электромагнитным помехам. Это лишь одна из причин, по которой оптические тензодатчики превосходят электрические.

Конструктив

В этой статье мы сосредоточимся на волоконно-оптических датчиках деформации, где датчиком является само волокно. Другие типы измерительных технологий используют само волокно для передачи света, а не для измерения с его помощью.

Оптическое волокно обычно состоит из стеклянного или кварцевого волокна и полимерного покрытия. Он очень похож на обычное телекоммуникационное волокно и может иметь длину до нескольких километров с множеством точек измерения по всей длине. Само волокно состоит из двух слоев: сердцевины и окружающей оболочки меньшей плотности. Для защиты кварцевое волокно обернуто полимерным покрытием.

Итак, почему важна эта разница в плотности между ядром и оболочкой? Лазер используется для передачи света через волокно. Две различные плотности материала волокна создают барьер, который направляет свет внутрь волокна, чтобы он не рассеивался. Чтобы это работало, важно, чтобы волокно не было слишком сильно согнуто.

Оптический тензодатчик состоит из сердцевины из кварца и оболочки, которая направляет свет в волокно, и внешнего покрытия (обычно из полимеров) для защиты.

Метод работы

Волокно как датчик

Для создания реального датчика деформации на оптическое волокно наносится так называемая волоконная решетка Брэгга (ВРБ). По сути, это образец интерференции материалов, который отражает свет иначе, чем остальная часть волокна. Для лучшего понимания вы можете визуализировать волокно в виде цилиндрического отрезка прозрачного материала с несколькими тонкими срезами. Когда свет от лазера попадает на этот узор, определенные длины волн отражаются, а другие проходят.

Материальные интерференции – «срезы» – размещаются через определенные промежутки. Когда волокно растягивается или сжимается и, следовательно, подвергается положительному или отрицательному напряжению, эти интервалы меняются. Когда волокно растягивается, оно удлиняется, а промежутки увеличиваются, и наоборот.

Мало того, что отраженному свету требуется немного больше или меньше времени, чтобы вернуться назад, когда ВРБ находится под напряжением, но и длина волны, которая отражается, также изменяется. Говоря научным языком, ВРБ имеет определенный показатель преломления. Показатель преломления материала описывает, насколько свет преломляется при прохождении через материал. Когда решетка меняет форму из-за деформации, меняется и ее показатель преломления.

Одна волоконная решетка Брэгга в целом имеет длину примерно 5 миллиметров, отдельные материальные интерференции не видны невооруженным глазом, только под микроскопом. Многие волоконные решетки Брэгга могут быть вписаны в одно длинное волокно, и каждое из них будет работать как отдельный датчик деформации.

Когда оптическое волокно устанавливается к объекту измерения, оно будет деформироваться вместе с этим материалом. Измеренная деформация, в свою очередь, позволит проанализировать механическое напряжение в материале, что является целью большинства измерений деформации.

Чтобы привести практический пример, когда волокно накладывается на балки длинного моста, оно натягивается, когда в элементах балки есть напряжение. Это может быть, например, из-за вибрации проезжающих мимо транспортных средств. Когда конструкция с годами оседает или даже в ней появляются слабые места или трещины, это становится видимым по информации о деформации и, следовательно, механическом напряжении, получаемой датчиками, — полезное указание на то место, где требуется техническое обслуживание.

Роль устройства для опроса оптических датчиков

Для измерений оптическое волокно необходимо подключить к так называемому опросному устройству; оно непрерывно излучает свет с разными длинами волн, по одной за раз, охватывая, таким образом, широкий спектр. Это называется «перестраиваемый лазер». Свет распространяется по волокну, в какой-то момент отражается ВРБ и возвращается к опросчику.

Благодаря разным периодам отдельных ВРБ можно различать сигналы разных датчиков. Остальной свет преломляется при достижении конца волокна, поэтому он не мешает измерению. Фактическую деформацию и, в свою очередь, напряжение материала можно вывести из необработанных световых сигналов, которые возвращаются от ВРБ.

Температурная компенсация имеет решающее значение

Оптоволоконные датчики на основе решетки Брэгга чрезвычайно чувствительны к температуре. Очевидно, что волокно, как и любой другой материал, расширяется при повышении температуры и сжимается при понижении температуры. Изменяется и показатель преломления. Без компенсации это привело бы к измерению деформации, вызванной не напряжением материала, а колебаниями температуры. Существует несколько методов компенсации, в том числе:

- Установка датчика температуры рядом с тензодатчиком. Это позволяет проводить математическую компенсацию путем сравнения данных и вычитания температурных эффектов.

- Размещение двух ВРБ в двух тензорезисторов таким образом, чтобы при нагрузке один сжимался, а другой растягивался. Температурные эффекты одинаковы для обоих (например, удлинение), но влияние механического напряжения различно. Для одного ВРБ деформация «положительна», так как она находится под растяжением, а для другого деформация «отрицательна», поскольку он сжимается. Таким образом, становится возможной математическая компенсация.

- Инкапсулированные волокна в механическом устройстве, которое расширяется в направлении, противоположном тестируемому материалу, таким образом, что напряжение, приложенное к ВРБ, компенсирует температурный эффект, и математическая компенсация не требуется.

Сферы применения для волоконно-оптических датчиков

«В рамках проекта ITER во Франции наши датчики должны работать в огромном диапазоне температур, начиная примерно от −270°C до 300°C, и находиться под воздействием интенсивных электромагнитных полей. Это то, с чем не справится ни один электрический тензодатчик», — говорит Кристина Барбоза, описывая одно из своих любимых применений оптических тензодатчиков.

Можно найти и менее экзотические приложения, например, для контроля состояния конструкций или инфраструктуры. Поскольку одно волокно может вмещать множество датчиков, оптическая технология предлагает себя в качестве решения для крупных проектов, таких как мониторинг туннелей или трубопроводов. К одному оптическому опросчику можно подключить несколько волокон, а затраты на прокладку кабелей и установку ниже по сравнению с традиционными тензорезисторами.

Более того, технология оптических измерений является первым выбором для всех приложений, где электричество, необходимое для традиционных тензометрических датчиков, может быть проблемой, включая среды с большим количеством электромагнитных помех (например, космос) или там, где существует высокая опасность взрыва (например, нефтеперерабатывающие заводы).