Волоконно-оптический амплитудный датчик направления и величины изгиба

Предмет исследования. Предложен вариант реализации волоконно-оптического датчика направления и величины изгиба. В отличие от известных спектральных измерительных комплексов, рассматриваемое решение предполагает использование амплитудной методики опроса, позволяющей увеличить быстродействие сенсора, применив более простые и доступные компоненты. Метод. Исследован чувствительный элемент на основе специальных дифракционных структур, который состоит из пар чирпированных волоконных брэгговских решеток. Чувствительные элементы закреплены на оснастке в виде стального стержня, подверженного изгибному воздействию. Основные результаты. Продемонстрирована способность датчика определять величину и направление изгиба в диапазоне отклонения от 0 до 30 мм со среднеквадратичным отклонением измеренных значений от реальных в 0,536 мм. Данный результат измерений достигнут с помощью обработки данных, полученных с трех измерительных устройств, нейронной сетью, скрытый слой которой составил 10 нейронов, при этом функцией активации установлена сигмоида. Практическая значимость. Результаты исследований имеют существенное значение для современных систем мониторинга. Реализация датчика направления и величины изгиба в формате волоконно-оптического устройства способна преодолеть ограничения пьезоэлектрических сенсоров, благодаря высокой помехозащищенности и стойкости к воздействию внешних сред. Предложенное технологическое решение позволяет отойти от спектральной методики проведения измерений, получившей широкое распространение в волоконно-оптических сенсорных системах. Применение амплитудного датчика величины и направления изгиба дает возможность его использования в составе устройств, где существует необходимость в точном позиционировании управляющих элементов или структурных компонент, подвергаемых изгибному воздействию. Благодаря измерению воздействия при помощи оценки оптической мощности сигнала, конструкция датчика не предполагает наличие сложного измерительного устройства. Работоспособность сенсора может быть обеспечена при помощи каскада недорогих, но при этом высокоскоростных и долговечных фотоприемных устройств.

1. Annamdas V.G.M. Review on developments in fiber optical sensors and applications // International Journal of Materials Engineering. 2011. V. 1. N 1. P. 1–16. https://doi.org/10.5923/j.ijme.20110101.01

2. Mihailov S.J. Fiber Bragg grating sensors for harsh environments // Sensors. 2012. V. 12. N 2. P. 1898–1918. https://doi.org/10.3390/s120201898

3. Kersey A.D., Davis M.A., Patrick H.J., LeBlanc M., Koo K.P., Askins C.G., Putnam M.A., Friebele E.J. Fiber grating sensors // Journal of Lightwave Technology. 1997. V. 15. N 8. P. 1442–1463. https://doi.org/10.1109/50.618377

4. Byron K.C., Sugden K., Bricheno T., Bennion I. Fabrication of chirped Bragg gratings in photosensitive fibre // Electronics Letters. 1993. V. 29. N 18. P. 1659–1660. https://doi.org/10.1049/el:19931104

5. Hill K.O., Bilodeau F., Malo B., Kitagawa T., Thériault S., Johnson D.C., Albert J., Takiguchi K. Chirped in-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion // Optics Letters. 1994. V. 19. N 17. P. 1314–1316. https://doi.org/10.1364/OL.19.001314

6. Feng K.-M., Chai J.-X., Grubsky V., Starodubov D.S., Hayee M.I., Lee S., Jiang X., Willner A.E., Feinberg J. Dynamic dispersion compensation in a 10-Gb/s optical system using a novel voltage tuned nonlinearly chirped fiber Bragg grating // IEEE Photonics Technology Letters. 1999. V. 11. N 3. P. 373–375. https://doi.org/10.1109/68.748240

7. Markowski K., Jedrzejewski K., Marzecki M., Osuch T. Linearly chirped tapered fiber-Bragg-grating-based Fabry–Perot cavity and its application in simultaneous strain and temperature measurement // Optics Letters. 2017. V. 42. N 7. P. 1464–1467. https://doi.org/10.1364/OL.42.001464

8. Wei P., Lang H., Liu T., Xia D. Detonation velocity measurement with chirped fiber Bragg grating // Sensors. 2017. V. 17. N 11. P. 2552. https://doi.org/10.3390/s17112552

9. Lemaire P.J., Atkins R.M., Mizrahi V., Reed W.A. High pressure H2 loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO2 doped optical fibres // Electronics Letters. 1993. V. 29. N 13. P. 1191–1193. https://doi.org/10.1049/el:19930796

10. Varzhel’ S.V., Mun’ko A.S., Konnov K.A., Gribaev A.I., Kulikov A.V. Recording Bragg gratings in hydrogenated birefringent optical fiber with elliptical stress cladding // Journal of Optical Technology. 2016. V. 83. N 10. P. 638–641. https://doi.org/10.1364/JOT.83.000638

11. Mikhneva A.A., Gribaev A.I., Varzhel’ S.V., Frolov E.A., Novikova V.A., Konnov K.A., Zalesskaya Y.K. Inscription and investigation of the spectral characteristics of chirped fiber Bragg gratings // Journal of Optical Technology. 2018. V. 85. N 9. P. 531–534. https://doi.org/10.1364/JOT.85.000531

12. Dmitriev A.A., Gribaev A.I., Varzhel S.V., Konnov K.A., Motorin E.A. High-performance fiber Bragg gratings arrays inscription method // Optical Fiber Technology. 2021. V. 63. P. 102508. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102508

13. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. P. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3

14. Дмитриев А.А., Гребнев К.В., Варжель С.В., Плотников М.Ю. Волоконно-оптический датчик вибрации на основе SMF-MMF-SMF перехода и наклонной решетки Брэгга // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 6. С. 801–807. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-6-801–807

15. Новикова В.А., Варжель С.В., Лосева Е.А., Дмитриев А.А. Экспериментальное исследование и моделирование волоконных брэгговских решёток с фазовым сдвигом // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 6. С. 36–44. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-06-36-44

16. Idrisov R.F., Gribaev A.I., Stam A.M., Varzhel’ S.V., Slozhenikina Yu.I., Konnov K.A. Inscription of superimposed fiber Bragg gratings using a Talbot interferometer // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. N 10. P. 694–697. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000694

17. Dmitriev A.A., Varzhel S.V., Grebnev K.V., Anokhina E.V. Strain gauge based on n-pairs of chirped fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology. 2022. V. 70. P. 102893. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.102893