Курсовая работа: Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя преломления

4.3. Использование скола одномодового волокна в качестве чувствительного элемента

Экспериментальные измерения показали, что температурная зависимость мощности сигнала, отражённого от охлаждаемого скола волокна, имеет характерный перегиб, а температура, при которой он происходит, кореллирует со значением точки инея воздуха подаваемого в камеру. Для проведения количественных измерений величины наблюдаемых изменений уровня отражённого сигнала при изменениях влажности газа и температуры скола волокна, были измерены абсолютные значения оптической мощности как СЛД (185 мкВт), так и выхода оптического разветвителя (9566 нВт), направляющего излучение СЛД на охлаждаемый скол волокна в рабочей части детектора.

Перед каждой фазой эксперимента производился нагрев чувствительной части до 70°С с целью испарения остатков влаги из чувствительной области. Затем производилось медленное охлаждение детектора конденсата со скоростью 1°С/мин. При этом контролировался отражённый от скола волокна сигнал.

Проведена серия экспериментов, в ходе которых использовался воздух с различным влагосодержанием, которое точно задавалось генератором влажного газа. Влагосодержание может характеризоваться значением точки инея – максимальной температуры прилегающего к охлаждаемой поверхности слоя газа, при которой на этой поверхности начинает образовываться плёнка инея. Таким образом, наиболее сухому газу соответствует наименьшее значение точки инея. На рисунках 3-5, приведены зависимости отражённого сигнала (жирная линия) и температуры скола волокна (тонкая линия) от времени при подаче в камеру влажного воздуха с различным влагосодержанием, характеризуемым тремя значениями точки инея: -8,8°С (рисунок 3), -13,9°С (рисунок 4) и -30,3°С (рисунок 5). Наблюдается хорошее соответствие температуры характерного излома на температурной зависимости мощности отражённого сигнала и точки инея, задаваемой генератором влажного газа.

Рис.43. Зависимости отражённого сигнала (жирная линия) и температуры скола волокна (тонкая линия) от времени при подаче в камеру воздуха с точкой инея -30,3°С.

При измерении точки росы газа с заданным влагосодержанием до момента образования конденсата наблюдалось плавное уменьшение оптического сигнала. Оно вызвано температурной зависимостью показателя преломления кварца, а также механическими напряжениями, вызванными разницей температурных коэффициентов линейного расширения сплава Розе, которым волокно припаяно к ТЭМ. В момент, когда толщина плёнки конденсата достигает порядка длины волны излучения, сигнал начинает расти, а далее изменяется по синусоидальному закону. Это вызвано тем, что появляется часть света, вышедшего из волокна, которая отражается от границы раздела конденсат-воздух и возвращается обратно в волокно. Таким образом, плёнка конденсата образует интерферометр Фабри-Перо, поэтому при изменении температуры и толщины плёнки, происходит периодические колебания сигнала.

Максимальная погрешность измерения сорбционно-емкостного преобразователя относительной влажности ДВ2ТСМ в диапазоне от 0 до 10% составляет ±0,095 показания прибора [72]. Для точки инея -30°С это составит ±0,8°С. Погрешность термопреобразователя сопротивления составляет ±0,1°С. На основании этого следует, что результаты измерения точки инея укладываются в пределы погрешности измерительного оборудования.

5. Заключение

Волоконно-оптические датчики для контроля температуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами подобных устройств [4]. Такой датчик незаменим во многих направлениях современной промышленности. Пока у этих устройств нет аналогов, которые могли бы так же успешно применяться в газовой промышленности, различного рода печах и сушильных установках, например, в СВЧ, турбинах и генераторах, двигателях, различных областях медицины и инженерии, аэронавтике и космонавтике [3]. Основная проблема эксплуатации ВОД датчиков температуры заключается в необходимости дорогостоящего оборудования для снятия и обработки показаний датчиков и малом быстродействии; вместе с тем их использование является относительно недорогим для конечных потребителей за счет устойчивости к излучениям и коррозии, малому потреблению энергии и определенности получаемых данных.

Список литературы

1. В.А. Гуртов «Оптоэлектроника и волноводная оптика», ПетрГу, 2005.

2. С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов, "Волоконные решетки показателя преломления и их применения", Квантовая Электроника, 35, 12, 1085-1103, 2005

3. Jose Miguel Lopez-Higuera «HANDBOOK OF OPTICAL FIBRE SENSING TECHNOLOGY», John Wiley & Sons Ltd, 2002.

4. «Волоконно-оптические датчики», под ред Э. Удда, Техносфера, 2008.

5. А.Н. Пихтин «Оптическая и квантовая электроника», Высш. шк, 2001.

6. И.В. Рубцов «Волоконно-оптический термометр как новый элемент мониторинга строительных сооружений», Технологии строительства 1(35)/2005.

7. http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=18798&p_page=6

8. http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?&uri=ol-24-24-1826