Квазираспределенный оптоволоконный измеритель температуры на основе волоконных брэгговских решеток с металлическим покрытием

Михаил Александрович Ксенофонтов; Александр Владимирович Поляков

doi:10.33581/2520-2243-2025-3-%p

Авторы

Михаил Александрович Ксенофонтов Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
Александр Владимирович Поляков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

квазираспределенный датчик, волоконная брэгговская решетка, металлическое покрытие, температурная чувствительность

Аннотация

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) в качестве многофункционального оптического чувствительного элемента имеет ряд преимуществ, таких как нечувствительность к электромагнитному воздействию, высокая точность и малый объем, что обеспечивает широкий спектр ее применения. На основе разработанной математической модели исследована чувствительность ВБР с металлическим покрытием из никеля, алюминия и меди в интервале температур от −140 до +200 °С. Установлено, что температурная чувствительность ВБР не является постоянной. Это обстоятельство обусловлено нелинейной зависимостью эффективного показателя преломления волокна и коэффициента теплового расширения металла от температуры. Наибольший сдвиг центральной длины волны отраженного от ВБР излучения зафиксирован для ВБР с алюминиевым покрытием. Показано, что в диапазоне температур от −140 до 0 °С чувствительность металлизированных ВБР повышалась от 6 до 37 пм/°С, в диапазоне температур от 0 до +200 °С она увеличивалась от 37 до 59 пм/°С. У ВБР с металлическим покрытием чувствительность в 3,5– 4,0 раза выше, чем у ВБР с полимерным покрытием. Выявлено, что для эффективного увеличения чувствительности датчика толщина металлического покрытия ВБР не должна превышать 200 мкм. Для формирования квазираспределенного волоконно-оптического датчика с использованием широкополосного оптического усилителя со спектральной полосой усиления 80 нм возможно на одном волоконном световоде интегрировать до шести металлизированных ВБР при условии, что спектральный интервал сдвига центральной длины волны отраженного от каждой ВБР излучения не будет накладываться в температурном интервале измерений. Способность датчика работать в большом диапазоне температур открывает широкие возможности для его применения в различных отраслях промышленности и решения прикладных задач, если электрические измерения нецелесообразны или небезопасны.

Биографии авторов

Михаил Александрович Ксенофонтов, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, доцент; заведующий лабораторией физикохимии полимерных материалов и природных органических соединений
Александр Владимирович Поляков, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, доцент; профессор кафедры физики и аэрокосмических технологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Библиографические ссылки

Silva LCB, Segatto MEV, Castellani CES. Raman scattering-based distributed temperature sensors: a comprehensive literature review over the past 37 years and towards new avenues. Optical Fiber Technology. 2022;74:103091. DOI: 10.1016/j.yofte.2022.103091.
Li J, Zhang M. Physics and applications of Raman distributed optical fiber sensing. Light: Science & Applications. 2022;11:128. DOI: 10.1038/s41377-022-00811-x.
Lu L, Wang Y, Liang C, Fan J, Su X, Huang M. A novel distributed optical fiber temperature sensor based on Raman anti-Stokes scattering light. Applied Sciences. 2023;13(20):11214. DOI: 10.3390/app132011214.
Yao C-K, Lin T-C, Chen H-M, Hsu W-Y, Manie YC, Peng P-C. Inclination measurement adopting Raman distributed temperature sensor. IEEE Sensors Journal. 2023;23(19):22543–22555. DOI: 10.1109/JSEN.2023.3306069.
Sheng D, Han Z, Qiao Z, Dong T, Wang C, Tian H. Distributed multi-parameter sensor based on Brillouin scattering in an etched few-mode multi-core fiber. Optics Communications. 2024;552:130085. DOI: 10.1016/j.optcom.2023.130085.
Zaghloul MA, Wang M, Milione G, Li M-J, Li S, Huang Y-K, et al. Discrimination of temperature and strain in Brillouin optical time-domain analysis using a multicore optical fiber. Sensors. 2018;18(4):1176. DOI: 10.3390/s18041176.
Bao X, Zhou Z, Wang Y. Review: distributed time-domain sensors based on Brillouin scattering and FWM enhanced SBS for temperature, strain and acoustic wave detection. PhotoniX. 2021;2:14. DOI: 10.1186/s43074-021-00038-w.
Hu L, Sheng L, Yan J, Li L, Yuan M, Sun F, et al. Simultaneous measurement of distributed temperature and strain through Brillouin frequency shift using a common communication optical fiber. International Journal of Optics. 2021;2021:1–6. DOI: 10.1155/2021/6610674.
Caloud J, Tomesova E, Balner V, Bogár O, Corre Y, Dejarnac R, et al. Conceptual design of fiber Bragg grating temperature sensors for heat load measurements in COMPASS-U plasma-facing components. Fusion Engineering and Design. 2023;193:113608. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113608.
Волошина АЛ, Коробкова УР, Коннов ДА, Варжель СВ, Карпов ЕЕ. Разработка волоконно-оптического датчика температуры на базе чирпированных решеток Брэгга, основанного на модуляции интенсивности оптического излучения. Оптический журнал. 2024;91(12):84–90. DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-12-84-90.
Mehmood Khan RY, Ullah R, Faisal M. Fiber Bragg grating temperature sensor and its interrogation techniques. Brilliant Engineering. 2023;4(3):4840. DOI: 10.36937/ben.2023.4840.
Samiappan D, Praveen N, Sampita R, Paras R, Rajamanickam N, Ramamoorthy K, et al. Fiber Bragg grating sensor-based temperature monitoring of solar photovoltaic panels using machine learning algorithms. Optical Fiber Technology. 2022;69:102831. DOI: 10.1016/j.yofte.2022.102831.
Fernández-Medina A, Frövel M, López Heredero R, Belenguer T, de la Torre A, Moravec C, et al. Embedded fiber Bragg grating sensors for monitoring temperature and thermo-elastic deformations in a carbon fiber optical bench. Sensors. 2023;23(14):6499. DOI: 10.3390/s23146499.
Liao T, Pei Y, Xu J, Lin H, Ning T. Fiber Bragg grating temperature sensors applied in harsh environment of aerospace. In: Institute of Electrical and Electronics Engineers. Asia Communications and Photonics Conference; 2018 October 26–29; Hangzhou, China. Hangzhou: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 2018. p. 1–3. DOI: 10.1109/ACP.2018.8595842.
Yamatoya T, Sekiguchi S, Koyama F, Iga K. High-power CW operation of GalnAsP/InP superluminescent light-emitting diode with tapered active region. Japanese Journal of Applied Physics. 2001;40(7a):L678–L680. DOI: 10.1143/JJAP.40.L678.
Wu B-R, Lin C-F, Laih L-W, Shih T-T. Extremely broadband InGaAsP/InP superluminescent diodes. Electronics Letters. 2000;36(25):2093–2095. DOI: 10.1049/el:20001440.
Wang G, Pran K, Sagvolden G, Havsgard GB, Jensen EA, Johnson GA, et al. Ship hull structure monitoring using fibre optic sensors. Smart Materials and Structures. 2001;10(3):472–478. DOI: 10.1088/0964-1726/10/3/308.
Li Y, Yang K, Li X. Temperature sensing characteristics of metal coated FBG during dynamic cooling process. Optical Fiber Technology. 2018;45(9):368–375. DOI: 10.1016/j.yofte.2018.08.013.
Gao H, Jiang Y, Cui Y, Zhang L, Jia J, Jiang L. Investigation on the thermo-optic coefficient of silica fiber within a wide temperature range. Journal of Lightwave Technology. 2018;36(24):5881–5886. DOI: 10.1109/JLT.2018.2875941.
Поляков АВ, Прокопенкова ТД. Квазираспределенная волоконно-оптическая система измерения температуры рециркуляционного типа на основе технологии спектрального мультиплексирования. Приборы и методы измерений. 2017;8(2):131–141. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-2-131-141.
Ren N, Li H, Huo N, Guo S, Li J. Research on temperature sensing characteristics of fiber Bragg grating in wide temperature range. Optics and Photonics. 2024;8(2):162–169. DOI: 10.3807/COPP.2024.8.2.162.
Lupi C, Felli F, Ippoliti L, Caponero M, Fabbri F, Paolozzi A. Lead coating to improve fiber Bragg grating sensitivity at cryogenic temperatures. In: Voet M, Willsch R, Ecke W, Jones J, Culshaw B, editors. Proceedings of the 17th International conference on optical fiber sensors; 2005 May 23–27; Bruges, Belgium. Bruges: SPIE – The International Society for Optical Engineering; 2005. p. 811–815 (Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering; volume 5855). DOI: 10.1117/12.624224.
Лунин БС, Торбин СН. О температурной зависимости модуля Юнга чистых кварцевых стекол. Вестник Московского университета. Серия 2, Химия. 2000;41(3):172–173. EDN: ESDBID.
Hamida BA, Cheng XS, Harun SW, Naji AW, Arof H, al-Khateeb W, et al. Wideband and flat-gain amplifier based on high concentration erbium-doped fibres in parallel double-pass configuration. Quantum Electronics. 2012;42(3):241–243. DOI: 10.1070/QE2012v042n03ABEH014696.
al-Azzawi AA, Azooz SM, Almukhtar AA, Mezaal YaS, al-Hilalli A, Hmood JaK, et al. A 95 × 40 Gb/s DWDM transmission system using broadband and flat gain amplification of promoted parallel EDFA. Optical and Quantum Electronics. 2022;54(12):870. DOI: 10.1007/s11082-022-04201-w.
Поляков АВ. Влияние динамических напряжений на долговечность кварцевых волоконных световодов в оптоэлектронных измерительных устройствах. Контроль. Диагностика. 2019;9:28–36. DOI: 10.14489/td.2019.09.pp.028-036.