Оптические датчики: датчики температуры, давления, деформации на основе волоконных брэгговских решёток (FBG)

Введение

Волоконные брэгговские решётки (FBG, Fiber Bragg Grating) — передовая технология оптических датчиков, обеспечивающая высокоточное измерение физических величин (температуры, давления, деформации и др.) в сложных условиях. Их ключевые преимущества:

• абсолютная калибровка (резонансная длина волны — естественная метка);
• мультиплексирование (десятки датчиков на одном волокне);
• электромагнитная совместимость (нечувствительность к ЭМИ);
• взрывобезопасность (отсутствие электрических токов в зоне измерения);
• долгосрочная стабильность и коррозионная стойкость;
• малые размеры и гибкость установки.

FBG‑датчики применяются в:

• аэрокосмической и автомобильной технике;
• энергетике (ЛЭП, трансформаторы, ветрогенераторы);
• строительстве (мониторинг мостов, тоннелей, зданий);
• нефтегазовой отрасли (скважины, трубопроводы);
• медицине (инвазивные сенсоры).

В статье рассмотрены:

• физический принцип работы FBG;
• конструкция и технология изготовления;
• схемы измерения и обработки сигнала;
• метрологические характеристики;
• типовые конфигурации датчиков;
• примеры применения;
• перспективы развития.

1. Физический принцип работы FBG

1.1. Что такое волоконная брэгговская решётка

FBG — периодическая модуляция показателя преломления сердцевины оптического волокна с периодом Λ. При распространении света возникает брэгговское отражение:

• только волна с длиной волны λB удовлетворяет условию фазового синхронизма;
• остальные длины волн проходят без существенного отражения.

Условие Брэгга:

λB​=2neff​Λ,

где:

• λB — резонансная длина волны отражения (брэгговская длина волны);
• neff — эффективный показатель преломления основной моды;
• Λ — период решётки.

1.2. Чувствительность к внешним воздействиям

Изменение λB под действием физических величин:

• Температура (T):λB​ΔλB​​=(α+ζ)ΔT, где α — коэффициент теплового расширения волокна, ζ — термооптический коэффициент (∂n/∂T).
• Деформация (ε):λB​ΔλB​​=(1−pe​)ε, где pe — эффективный фотоупругий коэффициент (для SiO₂ ≈ 0,22).
• Давление (P): через деформацию оболочки и изменение neff.

Суммарное смещение:

ΔλB​=λB​[(α+ζ)ΔT+(1−pe​)ε].

2. Конструкция и технология изготовления

2.1. Структура FBG

• Сердцевина волокна (легированная Ge, P) — зона записи решётки.
• Период Λ (обычно 500 нм – 1 мкм) задаёт λB (1300–1600 нм).
• Длина решётки (1 мм – 10 см) влияет на ширину полосы отражения.
• Коэффициент отражения (от < 1 % до > 99 %) регулируется интенсивностью УФ‑излучения при записи.

2.2. Методы записи

• Интерферометрический (двухлучевой):
  • УФ‑лазер (244 нм, 193 нм) интерферирует на волокне;
  • высокий контраст решётки.
• Фазовая маска:
  • УФ‑луч проходит через периодическую структуру маски;
  • простота и воспроизводимость.
• Поточка‑за‑точкой (с фемтосекундным лазером):
  • локальная модификация neff;
  • устойчивость к высоким температурам (до 1000 °C).

2.3. Типы волокон

• Стандартное SMF‑28 (1550 нм) — массовое применение.
• Волокна с высокой концентрацией Ge — повышенная чувствительность.
• Поляризационно‑сохраняющие (PMF) — для векторных измерений.
• Многосердцевинные — пространственное мультиплексирование.

3. Схемы измерения и обработки сигнала

3.1. Принципы детектирования

Задача: измерить ΔλB с точностью до пикометра (1 пм ≈ 0,1 °C или 1 με).

Методы:

• Спектральный анализ (оптический анализатор спектра, OSA):
  • прямое наблюдение пика отражения;
  • высокая точность, но низкая скорость.
• Интеррогаторы на основе перестраиваемых фильтров:
  • сканирующий лазерный диод + фотоприёмник;
  • скорость до 10 кГц.
• Кодирование по поляризации (PBI — Polarization Beat Interferometry):
  • два FBG с ортогональной поляризацией;
  • дифференциальное измерение.
• Референсные решётки — компенсация паразитных воздействий.

3.2. Мультиплексирование датчиков

• По длине волны (WDM):
  • каждый FBG имеет уникальную λB;
  • до 50 датчиков на волокне.
• По времени (TDM):
  • импульсное зондирование + временная селекция отражений;
  • устраняет перекрытие спектров.
• Гибридное WDM/TDM — сотни датчиков.

3.3. Компенсация перекрестных влияний

• Температурно‑компенсированные конструкции (металлические оболочки с нулевым КТР).
• Дифференциальные схемы (два FBG: один чувствительный, один референсный).
• Математическая обработка (разделение вкладов T и ε).

4. Метрологические характеристики

4.1. Точность и разрешающая способность

• Температура: ±0,1 °C (при разрешении 1 пм).
• Деформация: ±1 με (1 микродеформация = 10⁻⁶).
• Давление: ±0,01 МПа (зависит от конструкции сенсора).

4.2. Диапазон измерений

• Температура: −200 °C … +800 °C (в зависимости от покрытия).
• Деформация: до ±5 000 με (упругая зона).
• Давление: 0 … 100 МПа (для промышленных датчиков).

4.3. Динамический диапазон

• Отношение сигнал/шум (SNR) > 40 дБ.
• Линейность в рабочем диапазоне (нелинейность < 1 %).

4.4. Временные параметры

• Время отклика < 1 мс (ограничено инерционностью среды).
• Частота опроса до 10 кГц (для динамических измерений).

4.5. Долгосрочная стабильность

• Дрейф < 1 пм/год (при правильной герметизации).
• Устойчивость к циклическим нагрузкам.

5. Типовые конфигурации датчиков

5.1. Датчик температуры

• FBG без механической нагрузки;
• защита от деформации (свободное подвешивание в корпусе);
• применение: термомониторинг трансформаторов, кабелей, реакторов.

5.2. Датчик деформации

• FBG приклеен к поверхности конструкции (эпоксидный клей, сварка);
• калибровка по модулю Юнга материала;
• компенсация температуры (второй FBG).
• применение: мониторинг мостов, лопастей ветряков, корпусов самолётов.

5.3. Датчик давления

• FBG на мембране или в полости;
• давление вызывает изгиб/растяжение мембраны → деформация FBG;
• температурная компенсация.
• применение: скважины, гидравлические системы, медицинские катетеры.

5.4. Датчик наклона/ускорения

• FBG на гибкой балке с грузом;
• ускорение → изгиб балки → деформация FBG.
• применение: сейсмические датчики, системы стабилизации.

5.5. Многопараметрические сенсоры

• Несколько FBG