Быстродействующее малогабаритное устройство регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Беликин, Михаил Николаевич

• Беликин, Михаил Николаевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Беликин, Михаил Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литературы

Раздел 1.1. Волоконные брэгговские решетки

Раздел 1.2. Волоконно-оптические датчики на основе решеток Брэгга

Раздел 1.3. Методы обработки спектральных параметров решеток Брэгга

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. Поиск путей создания устройства регистрации спектрального отклика для

волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках

Раздел 2.1 Температурное моделирование ЛД типа VCSEL с помощью метода конечных

элементов в среде COMSOL Multiphysics

Раздел 2.2 Метод спектрального контроля ВБР на основе амплитудной модуляции по току

ЛД типа VCSEL

Раздел 2.3 Временное моделирование метода спектрального контроля ВБР на основе

амплитудной модуляции по току ЛД типа VCSEL

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. Оптико-механическая модель деформации ВБР, закрепленной на изгибаемой

пластине

Раздел 3.1. Построение компьютерной модели

Раздел 3.2. Временной анализ деформации оптико-механической модели

Раздел 3.3. Частотный анализ деформации оптико-механической модели

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование свойств ЛД типа VCSEL

Раздел 4.1. Экспериментальное исследование свойств поверхностно излучающего лазера с

вертикальным резонатором при работе в постоянном режиме излучения

Раздел 4.2. Исследование свойств ЛД типа VCSEL при амплитудной модуляции по току

прямоугольными импульсами

Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. Исследование метода спектрального контроля ВБР на основе амплитудной

модуляции по току ЛД типа VCSEL

Раздел 5.1 Создание действующего макета устройства регистрации спектральных

параметров ВБР

Раздел 5.2. Оценка точности построения спектров ВБР с использованием макета с помощью контрольного анализатора спектра

Раздел 5.3. Оценка точности метода с использованием косвенного

параметра

Раздел 5.4. Оценка собственных шумов макета устройства регистрации спектральных

параметров ВБР

Раздел 5.5. Экспериментальное исследование спектральных свойств оптико-механической

модели

Раздел 5.6. Исследование частотных характеристик макета устройства регистрации

спектральных параметров ВБР

Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующее малогабаритное устройство регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Датчики на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) являются одной из наиболее динамично развивающихся технологий в области волоконно-оптических сенсорных систем. Датчики такого типа применяются для мониторинга широкого спектра физических величин, таких как механическое напряжение, вибрация, акустические колебания, ускорение, давление, температура, влажность и др. Датчики на основе ВБР находят применение в таких отраслях как нефтехимия и нефтедобывающая промышленность, медицина, строительство, электроэнергетика и машиностроение. К достоинствам таких датчиков можно отнести компактные размеры и малый вес чувствительных элементов, отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам, а так же возможность мультиплексирования большого числа чувствительных элементов в одном оптическом волокне и полная взрыво- и пожаробезопасность благодаря отсутствию токоведущих частей [1]. Конструктивные особенности волоконно-оптических датчиков открывают широкие возможности для разработки устройств, предназначенных для работы в условиях вредного воздействия окружающей среды. Такие датчики находят применение при измерении диаграмм напряжения в материале [2], в подводных связующих системах, в том числе трансатлантических [3], служат для измерений экстремально высоких температур [4] и в условиях повышенной радиации [5], а так же во многих других сферах.

К недостаткам измерительных систем на основе ВБР стоит отнести высокую стоимость устройств обработки сигналов, а так же их сравнительно крупные габариты и большой вес. В связи с этим актуальной является задача миниатюризации и удешевления устройства обработки сигналов от таких датчиков.

Целью работы является создание устройства спектрального контроля ВБР, имеющего в своей основе перестраиваемый узкополосный источник оптического излучения, обладающего высокой разрешающей способностью и высокой частотой опроса, и исследование его характеристик.

Для достижения этой цели требуется решение следующих задач:

- анализ существующих методов построения устройств регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках;

- создание и исследование метода регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках;

- моделирование температурных процессов поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL);

- создание и исследование макета быстродействующего малогабаритного устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках;

- создание оптико-механической модели воздействия механических деформаций на ВБР на примере изгибаемой пластины;

- создание и исследование действующего макета для исследования воздействия деформации на ВБР.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. Впервые предложен метод считывания спектральных параметров ВБР с использованием узкополосного поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, позволяющий регистрировать центральную длину волны спектра отражения ВБР с точностью не хуже 50 пм и с частотой опроса до 10кГц.

2. Впервые реализована динамическая компьютерная модель поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, с помощью которой получены зависимости изменения длины волны излучения от величины тока накачки и формы модулирующего токового импульса.

3. Впервые предложен метод линеаризации передаточной характеристики интеррогатора на основе узкополосного источника оптического излучения, позволяющий получать передаточную характеристику с отклонением от линейной зависимости величиной не более 11 пм.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Предложенный метод считывания спектральных параметров ВБР с использованием узкополосного поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, позволяет реализовывать устройства на его основе, отличающиеся относительно низкой стоимостью, а так же малыми габаритными размерами. За счет этого такой прибор может использоваться в непосредственной близости к чувствительному элементу, закрепляясь на подвижных узлах и деталях конструкций. Регистрация центральной длину волны спектра отражения ВБР с точностью не хуже 50 пм и с частотой опроса до 10кГц позволяет применять такие устройства для обработки сигналов различных спектральных датчиков на основе ВБР.

2. Предложенная динамическая компьютерная модель поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором позволяет определять зависимости изменения длины волны излучения от величины подаваемого на источник тока накачки, а так же формы модулирующего токового импульса. С помощью этой модели была проведена

оптимизация режимов работы источника оптического излучения, задействованного в разрабатываемом устройстве.

3. Предложенный метод линеаризации передаточной характеристики интеррогатора на основе узкополосного источника оптического излучения позволяет получать передаточную характеристику с отклонением от линейной зависимости величиной не более 11 пм, что обеспечивает постоянное значение погрешности во всем диапазоне измерений, а так же существенно снижает требования к аналого-цифровому преобразователю, используемому в разрабатываемом приборе. Защищаемые положения:

1. Метод считывания спектральных параметров ВБР с использованием узкополосного поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, позволяющий регистрировать центральную длину волны спектра отражения ВБР с точностью не хуже 50 пм и с частотой опроса до 10кГц.

2. Динамическая компьютерная модель поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, с помощью которой получены зависимости изменения длины волны излучения от величины тока накачки и формы модулирующего токового импульса.

3. Метод линеаризации передаточной характеристики интеррогатора на основе узкополосного источника оптического излучения, позволяющий получать передаточную характеристику с отклонением от линейной зависимости величиной не более 11 пм.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XLIV, XLV и XLVI научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2014-2016); на международной научно-практической конференции «Sensorica - 2015» (Санкт-Петербург, Россия, 2015); на III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2014-2015); на международной конференции International Symposium «Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies» (Санкт-Петербург, 2016); на международной конференции OSA - Advanced Solid State Lasers (Берлин, 2015). Внедрение результатов.

Результаты настоящего исследования используются на кафедре Оптических коммуникаций и измерительных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, а также легли в основу работ по разработке макетов устройств регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, выполняемых совместно с ООО НИЦ "ИРТ".

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях, входящих в список ВАК (из них 2 статьи в издании, включенном в систему цитирования Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации составляет 13 наименований.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков и 6 таблиц, список цитированной литературы представлен 78 наименованиями.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

Первая глава посвящена обзору современных достижений в области построения волоконно-оптических измерительных систем.

В главе рассматриваются основные оптические схемы и принципы, используемые для построения волоконно-оптических датчиков на основе решеток Брэгга, приводятся примеры современных измерительных систем, а так же области применения таких устройств. Также рассматривается классификация методов спектрального контроля ВБР, приводятся описания известных устройств, действующих по рассмотренным принципам.

Существенное внимание уделено имеющимся методам опроса и обработки сигналов волоконно-оптических датчиков на Брэгговских решетках. Затрагиваются основные метрологические вопросы проведения измерений с помощью волоконно-оптических сенсоров.

Раздел 1.1 Волоконные брэгговские решетки

Фоточувствительность легированного кварцевого стекла, то есть его способность изменять показатель преломления (1111) под действием излучения, в настоящее время активно исследуется и имеет широкое применение в системах волоконно-оптической связи, волоконных лазерах, системах измерения различных физических величин и др. 1о этой тематике опубликовано большое количество научных статей, проводятся международные научно-технические конференции, выходят тематические выпуски научных журналов и монографии.

Волоконная решетка 11 (или волоконная брэггвская решетка - ВБР) представляет собой участок волоконного световода (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодическая структура 1111 с периодом L, имеющая определенное пространственное распределение, схематически показанное на рисунке 1.1. Как правило, решетка формируется в фоточувствительной сердцевине световода 1, в то время как 1111 кварцевой оболочки 2 остается неизменным. Такая структура обладает уникальными спектральными характеристиками, которые и определяют ее широкое применение в различных устройствах волоконной оптики.

Рисунок 1.1 Схематическое изображение волоконной решетки показателя преломления

Структура ВБР выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимое резонансное взаимодействие между модами световода. Взаимодействие мод световода обычно описывается с помощью теории связанных мод, в рамках которой предполагается, что на определенной длине волны только две моды удовлетворяют условию фазового синхронизма и таким образом могут эффективно передавать друг другу энергию.

Волоконные брэгговские решетки связывают основную моду световода с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Это означает, что на определенной длине волны, распространяющееся по оптическому волокну излучение отражается от решетки полностью или частично - в зависимости от параметров решетки. Для однородной решетки с длиной Ь коэффициент отражения Я на резонансной длине волны 1ш выражается как Я = Ш (кЬ), где к = pDnmodhЛBG - коэффициент связи фптос{ -амплитуда синусоидальной модуляции 1111, h - часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода). Спектральная ширина резонанса однородной ВБР по полувысоте может быть выражена следующим приближенным соотношением:

(1.1)

На рисунке 1.2 представлены спектральные зависимости коэффициента отражения Я и групповой задержки ^ рассчитанные для однородных ВБР длиной Ь = 5 мм. Спектральные характеристики, приведенные на рисунках 1.2(а) и (б), соответствуют решеткам с амплитудой модуляции наведенного 1111 Dnmod =5 10-5 и 7.510-4 соответственно. Несмотря на одинаковую длину решеток, в соответствии с формулой (1.1) их спектральная ширина различна и составляет 0.18 нм и 0.64 нм соответственно.

Рисунок 1.2. Спектр отражения Я [сплошная кривая] и групповая задержка t [штриховая кривая] однородных брэгговских решеток с различной амплитудой модуляции наведенного ПП: .Опшоа = 5 105 (а), Dnmod = 7.510'4 (б). На врезках: схематический профиль ПП, наведенного в решетках

Резонансная длина волны брэгговских решеток 1во зависит от температуры световода и от приложенных к нему механических напряжений. Эта зависимость описывается следующим уравнением:

(1.2)

где DT - изменение температуры, е - приложенное механическое напряжение, Ру -коэффициенты Поккельса упруго-оптического тензора, п - коэффициент Пуассона, а -коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, п - эффективный показатель преломления основной моды. [6]

Лазеры, используемые для записи ВБР, могут быть как непрерывными, так и импульсными, с длиной волны излучения от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона спектра. Среди основных методов записи ВБР выделяют пошаговый метод, метод фазовой маски и интерферометрический метод. [7]

На данный момент ВБР активно используются в качестве основы чувствительных элементов для датчиков различных физических величин.

Раздел 1.2. Волоконно-оптические датчики на основе решеток Брэгга

В настоящее время волоконно-оптические датчики, основанные на ВБР, вызывают повышенный интерес со стороны разработчиков. Датчики на основе ВБР находят применение в таких отраслях промышленности как электроэнергетика, топливная промышленность, черная и цветная металлургия, химическая и нефтедобывающая промышленность, машиностроение, промышленность строительных материалов, а так же медицинская и полиграфическая промышленность. К достоинствам таких сенсоров можно отнести компактные размеры и малый вес чувствительных элементов, отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам, а так же возможность мультиплексирования большого числа чувствительных элементов в одном оптическом волокне и полная взрыво- и пожаробезопасность благодаря отсутствию токоведущих частей. Конструктивные особенности волоконно-оптических датчиков открывают широкие возможности для разработки устройств, предназначенных для работы в условиях вредного воздействия окружающей среды. Такие сенсоры используются для измерения широкого спектра различных физических величин.

1.2.1. Датчики температуры

Одним из самых распространенных применений ВБР в качестве чувствительного элемента является их использование в качестве датчиков измерения температуры. За основу таких измерений взят принцип термооптического эффекта - внешнее температурное воздействие вызывает изменение структуры оптического волокна с записанной в него ВБР, тем самым изменяя центральную длину волны отражения. С помощью регистрации этого параметра представляется возможным построение высокоточного датчика температуры окружающей среды, обладающего всеми преимуществами волоконно-оптических измерительных систем [8].

Относительное изменение длины волны под воздействием внешней температуры может быть описано с помощью выражения

Где ДХв,т/ДХв - изменение длины волны отражения ВБР под действием изменения внешней температуры на 1 градус Кельвина, dneff/dT - термооптический коэффициент, ри и р12 - постоянные Поккельса, ат - коэффициент теплового расширения оптического волокна.

Коэффициент теплового расширения оптических волокон без покрытия составляет 0.5е-6 1/К [9], постоянные Поккельса ри и р12 соответственно равны 0.113 и 0.252 [10], эффективный показатель преломления зависит от характеристик конкретного волокна. Термооптический коэффициент вычисляется экспериментально в зависимости от показателя преломления используемого оптического волокна. В общем случае чувствительность оптического волокна с записанной в него ВБР по отношению к внешнему температурному воздействию составляет 10.5 рт/°С на длине волны 1550 нм.

Оптическое волокно без специального покрытия с записанной в него ВБР используется для измерений температуры в пределах 300 °С [12]. Для расширения этого диапазона используется запись ВБР с применением длительной экспозиции [13], покрытие оптического волокна композиционными материалами [14-15], а также ВБР, записанные с помощью фемтосекундного лазера [16-17]. В зависимости от используемого метода и конструктивных особенностей представляется возможным линеаризация смещения центральной длины волны ВБР в диапазоне до 600°С. Недостатком представленных методов является высокая сложность формирования таких ВБР, вызывающая существенное повышение стоимости технологии производства.

(1.3)

При разработке подобных систем особое внимание уделяется их долговечности. Для повышения стабильности характеристик ВБР под воздействием внешней температуры сразу после производства ВБР производится их термический отжиг [11]. Использование современных методик обработки ВБР позволяет добиться расчетного времени работы ВБР до 25 лет при температурах от -80 до +80 °С в зависимости от типа волокна.

Как было указано выше, датчики измерения температуры на основе ВБР имеют традиционные преимущества волоконно-оптических измерительных систем - благодаря малым размерам (диаметр волокна до 250 мкм) оптическое волокно может быть размещено в объеме материала, а возможность мультиплексирования большого количества датчиков в одном оптическом волокне позволяет организовывать распределенные сенсорные системы широкого назначения. В работе [8] представлено применение сенсорной системы для измерения температуры роликового подшипника. В такой конфигурации миниатюризация датчика носит решающий характер (рисунок 1.3)

Подшипник с датчиками Обработка информационного сигнала

а б

Рисунок 1.3 Датчик температуры на основе ВБР; а - схема крепления, б - спектр

ВБР и его изменение

К недостаткам подобных систем можно отнести зависимость центральной длины волны отражения ВБР от прикладываемых к ней механических воздействий. Это проблема традиционно решается с помощью использования конструктивных особенностей расположения датчиков, а так же с помощью применения для фиксации ВБР клея с низким модулем Юнга и высокой теплопроводностью.

1.2.2. Датчики давления на основе ВБР

В последнее время наблюдается бурное развитие систем мониторинга давления, на рынке представлено большое количество различных датчиков [17]. Такие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с широко распространенными волоконными датчиками давления, основанными на принципе измерения интенсивности оптического излучения: поступающая информация кодируется непосредственно в длину волны

излучения, не зависящую от потерь на соединениях волокна, мощности оптического источника, его стабильности и прочих. Эта особенность понижает шумы системы, упрощает калибровку прибора и повышает общую надежность схемы. Благодаря малым размерам чувствительных элементов датчики давления на основе ВБР применяются для контроля параметров внутри композитных материалов в таких областях как строительство жилых и промышленных зданий, мостов, плотин и т.д., а так же в машиностроении и нефтедобывающей промышленности [18,19].

Принцип действия подобных сенсоров заключается в следующем - при осуществлении давления на ВБР происходит пропорциональное смещение ее центральной длины волны отражения, вызванное механическим изменением периода ВБР. С помощью точного контроля такого смещения можно производить оценку прикладываемого внешнего механического воздействия. Само по себе оптическое волокно с записанной в него ВБР показывает низкую чувствительность к давлению [20], в связи с чем в подавляющем большинстве таких датчиков используются оригинальные конструкции, усиливающие измеряемое воздействие. Например, в работе [26] представлена конструкция капсулы с мембраной, на которой закреплена ВБР (рисунок 1.4)

Рисунок 1.4 Конструкция капсулы для ВБР

Помимо усиления воздействия на оптическое волокно отличительной особенностью такой конструкции является возможность осуществления распределения внешнего механического воздействия равномерно по конечному участку волокна, что позволяет избежать неравномерного смещения спектра ВБР, а так же искажения его формы, что негативно сказывается на определении достоверных параметров его центральной длины волны отражения.

Главной сложностью разработки таких систем является чувствительность ВБР к температурным изменениям окружающей среды, и, как следствие, возникновение температурных изменений в результирующем сигнале, не связанных с деформацией

решетки. Эта особенность вызывает необходимость введения дополнительной температурной компенсации, усложняющей систему. Существует большое количество механизмов температурной компенсации: создание ВБР с двумя пиками отражения [21], использование гибридных ВБР [22], использование чирпированных ВБР [25] а так же ВБР, встроенных в стеклянные трубки [23,24].

Одним из наиболее распространенных способов температурной компенсации является принцип, включающий в себя использование двух ВБР - чувствительную для измерения внешнего воздействия и опорную, предназначенную для произведения температурной компенсации. Так в работе [24] представлена конструкция, использующая оптическое волокно, расположенное внутри стеклянной трубки, с записанными в него двумя ВБР на расстоянии 10 мм друг от друга. Выводы одной из решеток закреплены внутри трубки с помощь эпоксидного клея (рисунок 1.5)

Рисунок 1.5 Конструкция датчика давления с температурной компенсацией на основе кварцевой трубки

Внутренний диаметр трубки составляет 650 мкм, внешний 2950 мкм, длина трубки - 30 мм. Диаметр оболочки волокна 135 мкм. Коэффициент отражения ВБР - 80%. Фиксация решетки 01 позволяет ей не реагировать на изменения давления, оставаясь чувствительной только для измерений температуры. Решетка 02 за счет отсутствия жесткой фиксации к стеклянной трубке реагирует как на изменение давления, так и на изменение температуры.

Преимущества такого метода температурной компенсации - малые габариты и простота исполнения. Минусы - дополнительная температурная зависимость от характеристик эпоксидного клея. Стеклянная трубка позволяет выдерживать давление до 1000 мкм/м, при последующем увеличении давления ВБР 01 начинает смещаться, тем самым увеличивая погрешность измерений.

Одним из примеров использования волоконных датчиков давления на основе ВБР является устройство мониторинга деформации материала, рассмотренное в работе [20]. Авторами проводилось исследование механических напряжений в воздушном винте,

выполненном из композитных материалов. Для этого в объем лопасти винта помещались 2 массива ВБР, состоящих из 5 датчиков - по массиву на каждую сторону лопасти. Расположение ВБР, а так же результаты построения диаграммы механического напряжения представлены на рисунке 1.6

Рисунок 1.6 Диаграммы механического напряжения на внешней (а) и внутренней (б) стороны исследуемой лопасти

В ходе эксперимента регистрировались данные для различных скоростей вращения лопастей воздушного винта. Вращающиеся части пропеллера соединялись с блоком обработки сигналов с помощью подвижного волоконно-оптического соединения, его максимальная частота вращения - 2000 оборотов в минуту. Регистрируемые таким образом данные позволяют производить практические испытания образцов различных конструкций воздушных и гребных винтов в лабораторных условиях на предмет деформаций при различных режимах работы.

1.2.3. Датчики влажности

Сенсорные системы на основе ВБР могут использоваться в качестве устройств контроля влажности окружающей среды. Для описания влажности введены такие величины как абсолютная влажность, относительная влажность и удельная влажность [27], однако в качестве измеряемого параметра традиционно используется относительная влажность. Основные сферы применения приборов по учету и регистрации влажности -

сельское хозяйство, химические и медико-биологические лаборатории, промышленное производство, медицинские устройства, а так же мониторинг окружающей среды метеорологическими службами. Влажность является важнейшим параметром воздуха в различных складских помещениях, таких как библиотеки, музейные хранилища и прочие. В настоящее время существуют различные типы датчиков влажности - емкостные [28], резистивные [29], гравиметрические [30] и механические датчики [31].

Принцип работы датчиков влажности на основе ВБР основан на мониторинге параметров полимерного материала, чувствительного к концентрации влажности в окружающей среде. Одним из самых популярных таких покрытий являются полиамидные термостойкие полимеры. Нанесенный на оптическое волокно с ВБР такой материал сужается или расширяется в зависимости от концентрации воды в воздухе. Это механическое изменение фиксируется с помощью ВБР - при ее растяжении (сжатии) происходит пропорциональное изменение центральной длины волны отражения ВБР, что регистрируется устройствами обработки сигналов [32]. Общий вид и фотография примера такого датчика представлен на рисунке 1.7

Рисунок 1.7 а - волокно с полиамидным покрытием, б - фотография чувствительного элемента действующего образца датчика влажности

Датчики на основе оптического волокна с записанными в него ВБР обладают традиционными преимуществами перед указанными системами - компактный размер, малые габариты, устойчивость к электромагнитным помехам, коррозионная стойкость и другие. Недостаток таких устройств - необходимость компенсации паразитных воздействий на ВБР - температуры, давления, вибрации и прочих. Для исключения внешних воздействий на ВБР применяются механизмы компенсации - самый популярный метод заключается в расположении опорного датчика связи в непосредственной близости от чувствительного элемента. С его помощью производится исключение влияния внешних параметров на ВБР, за исключением искомых.

1.2.4. Датчики коррозии

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Беликин, Михаил Николаевич, 2016 год

ЛИТЕРАТУРА

[1] Edgar A. MENDOZA, Yan ESTERKIN, Cornelia KEMPEN, and Zongjian SUN. MultiChannel Monolithic Integrated Optic Fiber Bragg Grating Sensor Interrogator// Photonic Sens (2011) 1: 281. doi:10.1007/s13320-011-0021-8

[2] M. Seaver, S. T. Trickey,and J. M. Nichols. Strain measurements from FBGs embedded in rotating composite propeller blades," in Optical Fiber Sensors// OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2006), paper ThD2.

[3] E. M. Dianov. Fiber optics: from communications to 'nervous' systems// Herald of the Russian Academy of Sciences, vol. 77, no. 4, pp. 368-372, 2007.

[4] A. Azhari, R. Liang and E. Toyserkani. A novel fibre Bragg grating sensor packaging design for ultra-high temperature sensing in// Measurement Science and Technology, №25 (2014) 075104 (11pp)

[5] Yung Bin Lin, Tzu Kang Lin, Chun-Chung Chen, Jen Chang Chiu and Kuo Chun Chang. Online health monitoring and safety evaluation of the relocation of a research reactor using fiber Bragg grating sensors// Smart materials and structures №15, (2006) 1421-1428

[6] 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 (2005), с. 1085-1103

[7] С.В. Варжель. Брэгговские дифракционные структуры для волоконно-оптических измерительных систем// Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Санкт-Петербург - 2012, с 9-10

[8] Lars Hoffmann, Mathias S. Müller, Sebastian Krämer, Matthias Giebel, Günther Schwotzer and Torsten Wieduwilt. Applications of fibre optic temperature measurement// Proc. Estonian Acad. Sci. Eng., 2007, 13, 4, 363-378

[9] Lagakos, N., Bucaro, J. and Jarzynski, J. Temperature-induced optical phase shifts in fibers// Appl. Opt., 1981, 20, 2305-2308.

[10] Bertholds, A. and Daendliker, R. Determination of the individual strain-optic coefficients in single-mode optical fibers// Journal of Lightwave Technol., 1988, 6, 17-20.

[11] Мешковский И.К., Варжель С.В., Беликин М.Н., Куликов А.В., Брунов В.С. Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2013. - Т. 56. - № 5. - С. 91-93

[12] Kashyap R. Fiber Bragg Gratings// Academic Press Print Book ISBN : 9780123725790 Release Date: 04 Nov 2009

[13] Groothoff N and Canning J. Enhanced type IIA gratings for high-temperature operation Opt. Lett.292360-2 2004

[14] Zhang B and Kahrizi M. High-temperature resistance fiber Bragg grating temperature sensor fabrication// IEEE Sensors Journal 7586-91, 2007

[15] Fokine M. Underlying mechanisms, applications, and limitations of chemical composition gratings in silica based fibers// Journal Non-Cryst. Solids 34998-104, 2004

[16] Mihailov S J, Grobnic D and Smelser C W. High-temperature multiparameter sensor based on sapphire fiber Bragg gratings Opt. Lett.352810-2, 2010

[17] Grobnic D, Mihailov S J, Smelser C W and Ding H 2004 Sapphire fiber Bragg grating sensor made using femtosecond laser radiation for ultrahigh temperature applications// IEEE Photonics Technol. Lett. 162505-7

[18] W W. Morey. Distributed Fiber Grating Sensors// Proc. OFS'90, pp. 285-288, Sydney, Australia, Dec. 1990.

[19] W.W. Morey, J. R. Dunphy and G. Meltz. Multiplexed fiber Bragg grating sensors// Proc. 'Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors', SPIE vol. 1586, pp. 216-224, Boston, Sept, 1991.

[20] J.D. Prohaska, E. Snitzer, B. Chen, M.H. Maber, E.G. Nawy, W.W. Morey. Fiber Optic Bragg Grating Strain Sensor in Large Scale Concrete Structures // Proc. SPIE 1798, Fiber Optic Smart Structures and Skins V, 286 (March 26, 1993); doi:10.1117/12.141330

[21] M.G. Xu, L. Reekie, Y.T. Chow, J.P. Dakin. Optical in-fibre grating high pressure sensor// Electron. Lett. 29 (1993) 398-399.

[22] S.W. James, M.L. Dockney, R.P. Tatam. Simultaneous independent temperature and strain measurement using in-fibre grating sensors// Electron. Lett. 32 (1996) 1133-1134.

[23] H.J. Patrick, G.M. Williams, A.D. Kersey, JR. Pedrazzani, A.M. Vengsarkar. Hybrid fiber Bragg grating/long period fiber grating sensor for strain/temperature discrimination, IEEE Photon. Technol. Lett. 8 (1996) 1223-1225.

[24] M. Song, B. Lee, S.B. Lee, S.S. Choi. Interferometric temperature-insensitive strain measurement with different-diameter fiber Bragg grating// Opt. Lett. 22 (1997) 790-792.

[25] M. Song, S.B. Lee, S.S. Choi, B. Lee. Simultaneous measurement of temperature and strain using two fiber Bragg gratings embedded in a glass tube// Opt. Fiber Technol. 3 (1997) 194-196.

[26] S. Kim, J. Kwon, S. Kim, B. Lee. Temperature-independent strain sensor using a chirped grating partially embedded in a glass tube// IEEE Photon. Technol. Lett. 12 (6) (2000) 678-680

[27] Frantisek Urban, Jaroslav Kadlec, Radek Vlach, Radek Kuchta. Design of a Pressure Sensor Based on Optical Fiber Bragg Grating Lateral Deformation// Sensors 2010, 10, 11212-11225; doi:10.3390/s101211212

[28] Ryszard, H. & Henryk, J. W. Fiber optic technique for relative humidity sensors// Proceedings of SPIE in Optoelectronic and Electronic Sensors II, Vol. 3054, SPIE, Szczyrk, Poland, pp. 145-150.

[29] Chil-Won Lee, Hee-Woo Rhee. Humidity sensor using epoxy resin containing quaternary ammonium salts// Sensors and Actuators B: Chemical Vol. 73(No.2-3): 124-129.

[30] Gerlach, G. & Sage, K. A piezoresistive humidity sensor// Sensors and Actuators A:PhysicalVol. 53(No. 1-3): 181-184.

[31] Qiu, Y. Y., Azeredo-Leme, C., Alcacer, L. & Franca, J. E. Characterization of a cmos humidity sensor using different polyimides as sensing films// Proceedings of SPIE in Electronics and Structures for MEMS II, Vol. 4591, SPIE, Adelaide, Australia, pp. 310-315. 2001

[32] Sager, K., Schroth, A., Nakaldal, A. & Gerlach, G. Humidity-dependent mechanical properties of polyimide films and their use for ic-compatible humidity sensors// Sensors and Actuators A: Physical Vol. 53(No. 1-3): 330-334., 1996

[33] Lutang Wang, Nian Fang and Zhaoming Huang. Polyimide-Coated Fiber Bragg Grating Sensors for Humidity Measurements// High Performance Polymers - Polyimides Based - From Chemistry to Applications: p. 145-166

[34] Broomfield, J.P. Corrosion of Steel in Concrete// December 14, 2006 by CRC Press Reference - 296 Pages ISBN 9780415334044 - CAT# RU4047Z, London, 1997.

[35] Schiessl, P; Raupach, M. Monitoring System for the Corrosion Risk for Steel in Concrete// Concr. Int. 1992, 14(7), 52-55.

[36] Raupach, M. Corrosion Behaviour of the Reinforcement under On-Site-Conditions// Proceedings of 15th International Corrosion Congress, Frontiers in Corrosion Science and Technology, Granada, 2002, Art.096.

[37] Ghandehari, M. Ingress Monitoring in Concrete Structures// Proceedings of the 15th ASCE Conference on Engineering Mechanics,New York, 2001, CD-ROM

[38] Zhou, Z.; He, J.; Ou, J. Fiber Optic Sensors// InTech: Rijeka, Croatia, 2012; Chapter 4, p. 77.

[39] Clara J. Pacheco and Antonio C. Bruno. A Noncontact Force Sensor Based on a Fiber Bragg Grating and Its Application for Corrosion Measurement// Departamento de Física, Pontificia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Sensors 2013, 13, 11476-11489;

[40] Lalonde, F. Magnetic Field Measuremen// Hydropower'92. Broch Lysne, Balkema: Rotterdam, The Netherlands, 1992.

[41] Talas, P., Toom, P. Dynamic measurement and analysis of air-gap variations in large hydroelectric generators// IEEE Trans. Power App. Syst. 1983, 9, 226-228.

[42] А.Н. Врублевский, А.М. Бовда, А.В. Денисов. Разработка магнитострикционного привода для интеллектуальной дизельной форсунки// Двигатели внутреннего сгорания -2'2006

[43] Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение// М.: Техносфера, 2006. - 224 с.

[44] Armstrong, W. A general magneto-elastic model of Terfenol-D particle actuated composite materials// J. Intell. Mater. Syst. Struct. 2002, 13, 137-141.

[45] Goran, E. Handbook of Giant Magnetostrictive Materials// Academic Press: Los Angeles, CA, USA, 2000.

[46] H.R. Carvalho, A C. Bruno, A.M. Braga, L.C.G. Valente, A.L.C. Triques, M.C. Caspary. Remote magnetostrictive position sensors interrogated by fiber Bragg gratings// Sensors and Actuators A 135 (2007) 141-145

[47] Wang Shan-li, Wang Yong, Hu Man-li, Wang Jian-hong, Guo Cheng, Lei Hai-feng. A New Style of FBG Vibration Sensor// Journal of Basic and Applied Physics. Feb. 2013, Vol. 2 Iss. 1, PP. 20-23

[48] Minghao Yu , Xin Zhou, Tengyun Guo, Jinxue Song. A Novel Fiber Bragg Grating Accelerometer Based on Fiber Vibrating Wire// Proceedings of the 8th International Conference on Sensing Technology, Sep. 2-4, 2014, Liverpool, UK

[49] Tarun Kumar Gangopadhyay. Prospects for Fibre Bragg Gratings and Fabry-Perot Interferometers in fibre-optic vibration sensing// Sensors and Actuators A 113 (2004) 20-38

[50] Wang Tao, He Dawei, Wang Ziqian, Wang Yongsheng. A novel temperature self-compensation FBG vibration sensor// Journal of Physics: Conference Series276 (2011) 012146

[51] Wenjun Zhou, Xinyong Dong, Lan Li, Kai Ni, Yongxing Jin. A FBG-based, temperature-insensitive vibration sensor// Photonics and Optoelectronics Meetings (POEM) 2009 Vol. 7514 751402-1

[52] H. Y. Au, S. K. Khijwania, H. Y. Tam. Fiber Bragg Grating Based Accelerometer// 19th International Conference on Optical Fibre Sensors, Proc. of SPIE Vol. 7004, 70042S (2008), doi: 10.1117/12.78599

[53] Teng Li, Feng Lishuang, Lin Heng, Zhang Bo, Liu Chunzhi. A new fiber Bragg grating accelerometer// Sixth Intl. Symp. on Instrumentation and Control Technology: Signal Analysis,

Measurement Theory, Photo-Electronic Technology, and Artificial Intelligence, SPIE Vol. 6357, 63574C (2006), doi: 10.1117/12.717311

[54] Jinghua Zhang, Xueguang Qiao, Manli Hu, Zhongyao Feng. Flextensional fiber Bragg grating-based accelerometer for low frequency vibration measurement// 2011 Chinese Optics Letters, pp 1671-7694/2011/090607(4)

[55] Kuo Li, Tommy H. T. Chan, Man Hong Yau, Theanh Nguyen, David P. Thambiratnam and Hwa Yaw Tam. Very sensitive fiber Bragg grating accelerometer using transverse forces with an easy over-range protection and low cross axial sensitivity// Applied Optics, September 2013 / Vol. 52, No. 25 pp 6401 - 6410

[56] Kuo Li, Man Hong Yau, Tommy H. T. Chan, David Thambiratnam and Hwa Yaw Tam. Fiber Bragg grating strain modulation based on nonlinear string transverse-force amplifier// Optics Letters / Vol. 38, No. 3 / February 1, 2013

[57] Kuo Li, Tommy H. T. Chan, Man Hong Yau, David P. Thambiratnam and Hwa Yaw Tam. Experimental verification of the modified spring-mass theory of fiber Bragg grating accelerometers using transverse forces// Applied Optics Vol. 53, No. 6 / 20 February 2014

[58] Guo Yongxing, Zhang Dongsheng, Meng Hui, Wen Xiaoyan, Zhou Zude. Metal packaged fiber Bragg grating accelerometer// OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Proc. of SPIE Vol. 8421, 84213

[59] Wolfgang Zeller, Lars Naehle, Peter Fuchs, Florian Gerschuetz, Lars Hildebrandt and Johannes Koeth. DFB Lasers Between 760 nm and 16 |im for Sensing Applications// Sensors, 2010, 10, 2492-2510; doi:10.3390/s100402492 pp 2493-2510

[60] Keun Ho Rhew, Su Chang Jeon, O-Kyun Kwon, Dae Hee Lee, Byung Soo Yoo, and Ilgu Yun. Reliability Assessment Of 1.55-Pmvertical Cavity surface emitting Lasers For Optical Communication Systems//IEEE 07CH37867 45th Annual International Reliability Physics Symposium, Phoenix, 2007 pp 476-479

[61] A. Consoli, J. Arias, J. M. Tijero, F. J. López Hernández and I. Esquivias. Electrical characterization of longwavelength VCSELs with tunnel Junction// Proc. of SPIE Vol. 7952, 79520C • © 2011 SPIE • CCC code: 0277-786X/11/$18 • doi: 10.1117/12.873860

[62] B. Van Hoe, E. Bosman, J. Missinne, S. Kalathimekkad, G. Lee, Z. Yan, K. Sugden, D.J. Webb, G. Van Steenberge, P. Van Daele. Low-cost fully integrated fiber Bragg grating interrogation system// Third Asia Pacific Optical Sensors Conference, Proc. of SPIE Vol. 8351, 83510U • © 2012 SPIE • CCC code: 0277-786X/12/$18 • doi: 10.1117/12.914253

[63] William R. Allan, Zachary L. Graham, Jose R. Zayas, Dennis P. Roach, and David A. Horsley. Multiplexed Fiber Bragg Grating Interrogation System Using a microelectromechanical Fabry Perot Tunable Filter// IEEE sensors journal, vol. 9, no. 8, august 2009 pp 936-943

[64] A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey. Multiplexed Fiber Bragg Grating interrogation System Using a microelectromechanical Fabry-Perot Tunable Filter// Optics Letters Vol. 18, Issue 16, pp. 1370-1372 (1993)

[65] Keun Ho Rhew, Su Chang Jeon, Dae Hee Lee, Byueng-Su Yoo, Ilgu Yuna. Reliability assessment of 1.55-nm vertical cavity surface emitting lasers with tunnel junction using high-temperature aging tests /Microelectronics Reliability 49 (2009) pp 42-50

[66] Ahmad Hayat, Alexandre Bacou, Angélique Rissons and Jean-Claude Mollier. Optical Injection-Locking of VCSELs// Advances in Optical and Photonic Devices, Book edited by: Ki Young Kim, ISBN 978-953-7619-76-3, pp. 352, January 2010

[67] COMSOL Multiphysics User's Guide [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://nf.nci.org.au/facilities/software/COMSOL/4.3/doc/pdf/mph/COMSOLMultiphysicsUsersG uide.pdf

[68] COMSOL Multiphysics Acoustics Module [Электронный ресурс]/ Режим доступа: https://extras.csc.fi/math/comsol/3.5/doc/aco/acomodlib.pdf

[69] Application note - Modulating VCSELs [Электронный ресурс]/ Режим доступа: https://www.finisar.com/sites/default/files/downloads/ application_note_modulating_vcsels.pdf

[70] H Seidel, L Csepregi. Design Optimization For Cantilever-Type Accelerometers// Sensors and Actuators. #6 (1984) pp 81-92

[71] Забиякин Александр Николаевич. Разработка чувствительного элемента датчика продольных механических напряжений и температуры на основе волоконных решеток Брэгга// Выпускная квалификационная работа, НИУ ИТМО, 2015

[72] М. Н. Беликин, А. В. Куликов, В. Е. Стригалев, А. С. Алейник, А. Ю. Киреенков. Поиск и исследование малогабаритного источника излучения для волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков// "Оптический журнал", т. 82, № 12, 2015

[73] Hyejin Jeong. Heterogeneously bonded vertical cavity surface emitting lasers and thermal modeling// Dissertation, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2013

[74] Беликин М.Н., Алейник А.С., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чиргин М.А., Подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брегговских решеток // Научно-

технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2015. - Т. 15. - № 5(99). - С. 809-816.

[75] Belikin M.N., Kulikov A.V., Meshkovsky I.K. Method for spectral interrogation of the fiber bragg gratings using a tunable narrowband light source // Advanced Solid State Lasers, ASSL 2015 - 2015, pp. ATh2A.47

[76] Munko A.S., Varzhel' S.V., Arkhipov S.V., Gribaev A.I., Konnov K.A., Belikin M.N. The study of the thermal annealing of the Bragg gratings induced in the hydrogenated birefringent optical fiber with an elliptical stress cladding // Journal of Physics: Conference Series - 2016, Vol. 735, No. 1

[77] Thomas M. Adams, Richard A. Layton. Introductory MEMS: Fabrication and Applications/ Springer - ISBN: 978-0-387-09510-3, 2010

[78] Mohammad Vaziri, Ali Vaziri, Prof. S.S. Kadam. Vibration analysis of a cantilever beam by using F.F.T. analyzer// Vaziri International Journal of Advanced Engineering Technology, E-ISSN 0976-3945, Vol. IV/ Issue II/April-June, 2013/ pp 112-115