Разработка и исследование метода измерения характеристик потока газожидкостной смеси на основе волоконных дифракционных структур и волоконного нагревательного элемента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Клишина Виктория Александровна

• Клишина Виктория Александровна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Клишина Виктория Александровна

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Методы измерения скорости потоков газов и жидкостей и определения их направления с применением оптических устройств

1.1.1. Реализация оптических технологий на принципах работы механических анемометров

1.1.2. Реализация оптических технологий на принципах тепловой метки

1.1.3. Реализация оптических технологий на принципах работы использования трубки Пито

1.1.4. Реализация оптических технологий на принципах работы ультразвуковых анемометров и оптические методы измерения скорости и направления потоков

1.1.5. Метод с молекулярной меткой (с молекулярной маркировкой)

1.1.6. Лазерная доплеровская велосиметрия

1.1.7. Реализация оптических технологий на принципах работы тепловых анемометров/велосиметров

1.1.8. Волоконно-оптические методы создания нагревательного элемента с изменением геометрии световода

1.2. Методы определения фазы вещества с помощью средств волоконной оптики

1.3. Комбинированные методы измерения и/или компенсации температуры и деформации с использованием ВБР

1.3.1. Использование отрицательного коэффициента термического расширения

1.3.2. Использование двух материалов с разными КТР

1.3.3. Запись ВБР в волокна с различным диаметром оболочки

1.3.4. Запись двух ВБР с разными длинами волн брэгговского резонанса в одну и ту же область (суперпозиция ВБР)

1.3.5. Использование эталонной (опорной) ВБР

1.3.6. Использование атермальных корпусов для ВБР

1.3.7. Иные способы компенсации

Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальное исследование тепловой анемометрии с использованием волоконно-оптического нагревательного элемента

2.1. Общий принцип работы волоконно-оптического анемометра

2.2. Принцип работы ВБР

2.3. Исследование методов создания волоконно-оптического нагревательного элемента

2.4. Результаты моделирования пространственных и временных градиентов температуры чувствительного элемента теплового волоконно-оптического анемометра

2.5. Разработка и исследование метода определения скорости и направления потоков жидкости

Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальное исследование и измерение параметров потока (фазы, температуры) газожидкостной смеси, влияющих на чувствительный элемент волоконно-оптического анемометра

3.1. Разработка способа и волоконного чувствительного элемента для идентификации веществ (жидкостей и газов) по их тепловым характеристикам

3.2. Разработка и исследование научно-технического решения по компенсации перекрестной чувствительности к температуре и осевой нагрузке, возникающей при использовании волоконных брэгговских решёток

3.2.1. Разработка методики создания атермального корпуса для создания опорной (эталонной) ВБР

3.2.2. Разработка методики компенсации перекрестной чувствительности ВБР к температуре и осевой нагрузке

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Охранные документы на результаты интеллектуальной деятельности

Приложение 2. Тексты публикаций

Реферат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода измерения характеристик потока газожидкостной смеси на основе волоконных дифракционных структур и волоконного нагревательного элемента»

Актуальность темы.

На сегодняшний день измерительные устройства на основе оптических волокон находят широкое применение во множестве отраслей промышленности. При этом существуют универсальные устройства, применение которых необходимо одновременно в нескольких областях. К таким приборам можно отнести анемометры и велосиметры, представляющие из себя устройства для определения скорости движения потоков газов и/или жидкостей. Данные измерения необходимы в таких областях, как медицина, строительство, авиа и аэрокосмическая, газо- и нефтедобывающая отрасли, гидро- и электроэнергетика, химическая промышленность, металлургия.

Существует несколько основных принципов работы анемометров/велосиметров (далее по тексту под анемометром будет пониматься прибор для измерения скоростей газов и/или жидкостей):

• механический, основным минусом которого является наличие подвижных элементов;

• ультразвуковой, требующий размещения источника и приемника на заданном расстоянии;

• лазерная доплеровская анемометрия, при которой затруднительно исследование мутных сред ввиду большого количества рассеивающих частиц;

• методы с визуализацией частиц/групп частиц, которые требуют больших вычислительных ресурсов, введения трассирующих частиц, а также имеют схожую с лазерной доплеровской анемометрией проблему исследований мутных сред;

• тепловой (иначе называемый метод горячей проволоки), исключающий указанные недостатки и основанный на использовании металлической нити. К минусам такого метода относится подверженность

окислению и коррозии, а также ограничения, связанные с электромагнитными помехами. Данные недостатки возможно исключить заменой металлической нити на оптическое волокно.

Существующие волоконно-оптические методы на основе горячей проволоки (то есть нагревательного элемента) различаются подходами к созданию такого нагревательного элемента. Так, в работах представлены в основном три решения: изменение геометрии оптического волокна, использование дифракционных структур и использование специализированных волокон, при этом в описанных методиках имеется ряд недостатков, таких как использование нестандартных волокон, внешнего нагревателя, дифракционных структур (характеристики которых зависят от внешней среды), одного и того же волокна и в качестве нагревательного элемента, и в качестве измерительного, исследование только газовых (воздушных) потоков. Кроме того, в подавляющей части работ отсутствуют исследования направлений, либо представленные в литературе методики имеют такие конструктивные решения, которые не подходят для эксплуатации в труднодоступных местах, ограничивая применения для реализации удаленных измерений.

Так как исследование потоков потенциально подразумевает наличие каких-либо примесей или состояния смены фазы веществ, актуальной задачей в данном направлении является разработка такого устройства, функционирующего на тех же элементах, что и измерители скорости и направления, для минимизации используемых вычислительных ресурсов, применяемого оборудования и оптимизации промышленных процессов при серийном производстве. При этом в литературе таких оптических методик по одновременному измерению указанных параметров не представлено, а в отдельных работах описаны решения, либо не совместимые друг с другом, либо конструктивно не применимые для эксплуатации в отдельных отраслях промышленности.

При переходе к созданию устройств на основе волоконных дифракционных структур их особенностями, во-первых, является перекрестная чувствительность к температуре и осевой нагрузке, а во-вторых, спектральный опрос таких структур, требующий создания опорного элемента. Различные подходы к решению проблемы перекрестной чувствительности сводятся к использованию подложек с фиксацией волокон на них (как в случаях с тензометрическими датчиками), относительно сложных конструкций в виде дополнительных корпусов, размещением дополнительных волокон в свободном состоянии, либо же применимы только в лабораторных условиях. При этом для удаленных распределенных измерений в реальных отраслях промышленности такие методики либо полностью непригодны, либо ограниченно применимы. В свою очередь, существующие решения по разработке опорного элемента имеют либо несимметричность конструкции, приводящую к сложностям на этапах подготовки таких образцов, либо относительно узкий температурный диапазон при высокой неравномерности спектральных откликов. Таким образом, требуются новые подходы и создание более усовершенствованных методик, позволяющих устранять перекрестную чувствительность и реализовывать относительные измерения спектральных характеристик.

Актуальность данной работы заключается в том, что описанные раннее проблемы могут встречаться как при решении задач в конкретных областях промышленности (например, в газо- и нефтедобывающих скважинах, где все упомянутые измерения требуют разработки новых подходов), так и независимо друг от друга в различных отраслях промышленности (например, компенсация перекрестной чувствительности волоконных дифракционных структур и разработка опорного элемента требуется при любых измерениях, основанных на использовании таких структур). Таким образом, результаты работы имеют широкие перспективы как с точки зрения решения точечных проблем по определению различных физических величин, описанных раннее, так и с точки зрения выработки новых принципов для решения актуальных

задач современного рынка развития сенсорных систем на основе волоконных дифракционных структур.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методики измерения скорости и определения направления потока газожидкостной смеси с возможностью разделения фаз и компенсацией температуры и осевой нагрузки для осуществления удаленных измерений.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• проведение аналитического обзора по тематике определения скорости, направления и фазы потока оптическими методами с оценкой их преимуществ и недостатков, а также выявлением возможных способов их усовершенствования;

• исследование волоконно-оптических методов создания нагревательного элемента;

• разработка волоконно-оптического метода измерения скорости и определения направления потока жидкости и его экспериментальные исследования;

• разработка научно-технического решения по идентификации смены фазы в проходящем потоке;

• разработка метода измерения и компенсации перекрестной чувствительности к температуре и осевой нагрузке, влияющих на чувствительный элемент с волоконными брэгговскими решетками (ВБР);

• разработка эталонной (опорной) ВБР для реализации относительных измерений.

Методы исследования.

При анализе источников литературы по тематике исследования была рассмотрена значительная часть современных работ, опубликованных не более 10 лет назад, для общего представления актуального уровня развития существующих технологий. Реализация моделирования осуществлялась в программной среде COMSOL Multiphysics, основанной на использовании

метода конечных элементов с возможностью включения различных физических модулей и определения граничных условий для объектов и сред. Обработка и интерпретация данных, а также их визуализация выполнялись в программной среде MATLAB. Построение конструкций чувствительных элементов и принципиальных схем реализовывалось в графических средах КОМПАСА и Microsoft Visio.

При проведении экспериментальных исследований использовалось современное оборудование, имеющее высокий класс точности. Для надежной верификации данных производилась итерация измерений для оценки среднеквадратического отклонения (СКО). Во время проведения экспериментов оценивались внешние условия, которые потенциально могли вносить ошибку в измерения. Дополнительно в работе прорабатывалась концепция компенсационного элемента, исключающего влияние внешних параметров на разрабатываемые волоконно-оптические чувствительные элементы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный принцип построения волоконно-оптического чувствительного элемента датчика измерения скорости и определения направления потока жидкости на основе единой структуры, состоящей из массива с тремя волоконными брэгговскими решетками и волоконного нагревательного элемента в виде биконической перетяжки, позволяет производить регистрацию указанных характеристик потока при скоростях до 0,9 м/с с возможностью одновременного определения обоих параметров.

2. Предложенный принцип построения волоконно-оптического чувствительного элемента датчика для определения удельной теплоемкости веществ в жидком и газообразном состоянии на основе одномодового оптического волокна с решеткой Брэгга и многомодового оптического волокна с биконической перетяжкой, позволяет создать датчик измерения указанной величины в диапазоне от 1,0 до 4,2 кДж/(кг*К) с возможностью

идентификации смены фазы вещества как в статическом состоянии среды, так и в проходящем потоке.

3. Предложенные способы стабилизации длины волны брэгговского резонанса волоконной дифракционной структуры в диапазоне температур от -15^ до 105^ и осевой нагрузки в диапазоне от 0 до 2 Н, заключающиеся в применении компенсационных устройств, принцип работы которых основан на подборе адгезивных к волокну материалов по критерию согласования коэффициентов термического расширения и жесткости, с уменьшением неравномерности показаний до 70 пм для температурной стабилизации в указанном диапазоне и с сохранением чувствительности к осевой нагрузке не более 11 пм/Н при увеличении температуры до 50°С

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Впервые предложен принцип работы волоконно-оптического чувствительного элемента датчика измерения скорости и определения направления потока жидкости, функционирующего на анализе температурных градиентов, с применением волоконно-оптических элементов на основе массива волоконных брэгговских решеток и области оптического волокна с биконической перетяжкой, соединенных с помощью металлического сплава.

2. Впервые предложена методика волоконно-оптического измерения удельной теплоемкости вещества, основанная на анализе сдвига длины волны брэгговского резонанса при одних и тех же выводимых мощностях, в которой одномодовое оптическое волокно использовалось в качестве измерителя, а многомодовое оптическое волокно с биконической перетяжкой использовалось для создания волоконного нагревательного элемента, при этом оба волокна с указанными областями фиксировались в полой трубке.

3. Впервые предложен принцип построения компенсационного волоконно-оптического элемента, состоящего из измерительной части, а именно, участка с массивом волоконных брэгговских решеток, одна из

которых чувствительна к температуре и осевой нагрузке, а другая чувствительна только к температуре, и из эталонной (опорной) части, а именно, волоконной брэгговской решетки в атермальном корпусе, включающем закрепление волокна в двух алюминиевых капиллярах, между которыми находится участок с волоконной брэгговской решеткой, и их последующее прикрепление к кварцевой трубке с помощью эпоксидного клея.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертации, заключается в создании волоконно-оптической измерительной системы, анализирующей одновременно несколько физических параметров потока (скорость, направление) с возможностью идентификации смены фазы вещества и компенсацией температуры и осевой нагрузки для реализации работы такого комплекса в удаленных, труднодоступных местах.

Объектом исследования является массив волоконно-оптических измерительных устройств на основе волоконных дифракционных структур и полностью волоконного нагревательного элемента, а также компенсационный элемент для устранения влияния внешних параметров на сенсорные устройства.

Предметом исследования являются волоконно-оптические методы измерения скорости и направления потока, идентификации смены фазы вещества, компенсации температурных изменений внешней среды и приложенной осевой нагрузки, воздействующей на чувствительный элемент.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. В части исследований различных методов создания нагревательного элемента были проанализированы способы выведения излучения из сердцевины оптического волокна в оболочку, результаты данной работы могут быть использованы в областях, в которых необходимо создание квази-распределенных и точечных рассеивателей, а также частичное или полное выведение излучения из световода. К таким областям

применения относят, например, биомедицину, где волоконные рассеиватели используются в фотодинамической терапии, фотоиммунотерапии, а также при проведении неинвазивных операций.

2. В части исследований методики определения скорости и направления потока результаты могут быть использованы при создании волоконно-оптических анемометров/велосиметров для проведения исследований в труднодоступных местах, например, таких как стволы газо- и нефтедобывающих скважин. Кроме того, результаты исследований могут быть применены при приборостроении для решения задач в области медицины, авиа- и аэрокосмической, химической и металлургической отраслей, гидро- и электроэнергетике и т.д.

3. В части работ по анализу тепловых характеристик различных веществ результаты могут быть применимы в химической промышленности для анализа жидких и газообразных веществ, а также для определения уровня жидкостей (при создании массива волоконных брэгговских решеток). Идентификация фазы вещества в проходящем потоке имеет практическую ценность при решении задач по определению смены вещества в движущихся потоках и наличия примесей в потоках известных веществ. Такие исследования могут быть применимы в нефте- и газодобывающих скважинах, в химической промышленности, в области промышленной безопасности для сигнализации о загрязнении воздуха.

4. В части исследований методов создания компенсационного элемента волоконная брэгговская решетка в разработанном атермальном корпусе может использоваться в качестве опорной структуры в опрашивающих устройствах, требующих калибровки длины волны при изменяющихся внешних условиях. Кроме того, такая структура может использоваться как опорная для реализации относительных измерений для сенсорных устройств на основе волоконных дифракционных структур. В части исследований метода компенсации перекрестной чувствительности,

результаты работ могут быть применимы в различных областях создания сенсоров на принципах работы волоконных брэгговских решеток.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается использованием оборудования высокого класса точности, а также современных программ для исследования процессов моделирования и построения зависимостей, таких как Matlab, Comsol Multiphysics. Кроме того, экспериментальные исследования проводились несколько раз, по результатам чего были получены среднеквадратические отклонения для оценки возможных погрешностей. В работе использовались проверенные методики, усовершенствование которых достигалось за счёт применения новых подходов, имеющих фундаментальную основу. Также полученные результаты докладывались на всероссийских и международных конференциях и конгрессах и были опубликованы в российских журналах, входящих в перечень ВАК и в зарубежных журналах, входящих в базы цитирований Scopus и/или Web of Science.

Внедрение результатов работы.

По результатам проведенных исследований было получено два патента на изобретения. Также по результатам работ было одержано 3 победы на конкурсе грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2020 г., 2022 г., 2023 г.) по направлению - Приборостроение в области прикладных исследований. Кроме того, полученные результаты используются в проектной деятельности научно-исследовательского центра Световодной фотоники Университета ИТМО.

Апробация результатов работы.

Основные результаты данной работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях и конгрессах: International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-2019) (30 июня - 4 июля 2019 г.), Международная конференция

«Фундаментальные проблемы оптики» (21-25 октября 2019 г., 19-23 октября 2020 г.), Конгресс молодых ученых (2020 г., 2021 г., 2022 г., 2023 г.), XV Международная конференция «Прикладная оптика-2022» (15-16 декабря 2022 г.), XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике (1-3 февраля 2023 г.), Учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2021 г., 2022 г., 2023 г.).

Личный вклад автора.

Реализация моделирования, разработка методик, изготовление образцов, подготовка и сборка экспериментальных стендов, проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных данных, а также их визуализация были выполнены лично соискателем, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, первая - литературный обзор, вторая и третья - экспериментальные данные и результаты моделирования, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 132 страницах, содержит 69 рисунков, 6 таблиц, 23 формулы и список литературы из 121 источника.

Публикации.

Основное содержание научно-исследовательской работы (диссертации) опубликовано в 6 статьях, из них 5 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science и/или Scopus, 1 публикация в журналах из перечня ВАК и 2 охранных документа на результаты интеллектуальной деятельности.

Патенты:

> Патент на изобретение, RU 2804474 «Способ и волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов)». Авторы: Клишина В.А., Варжель С.В., Лосева Е.А., Куликова В.А.

> Патент на изобретение, RU 2793155 «Способ пассивной компенсации температурной зависимости оптических параметров

волоконной брэгговской решетки». Авторы: Куликова В.А., Варжель С.В., Дмитриев А.А., Козлова А.И., Куликов А.В., Клишина В.А.

Научные статьи в международных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus/Web of Science:

> Klishina V.A., Varzhel S.V., Kulikova V.A. Fiber-optic method for identification of various substances by their thermal characteristics // Journal of Optical Technology. 2023. Vol. 90. No. 4. pp. 221-225

> Klishina V.A., Varzhel S.V., Loseva E.A. Method for simultaneous measurement of velocity and direction of fluid flow using fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology (Q2). 2023. Vol. 75. 103215

> Umnova A.V., Aleinik A.S., Strigalev V.E., Novikova V.A., Ashirov A.N. A Fluid Flow Sensor Based on Fiber Bragg Gratings with Induction Heating // Technical Physics Letters. 2021. Vol. 47. No. 12. pp. 877-880

> Novikova V.A., Varzhel S.V., Tokareva I.D., Dmitriev A.A. Liquid flow motion rate measuring method, based on the fiber Bragg gratings // Optical and Quantum Electronics. 2020. Vol. 52. No. 132

> Новикова В.А., Варжель С.В. Исследование методов создания горячей проволоки волоконно-оптического теплового анемометра [Methods of hot wire creation for fiber-optical thermal anemometer] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics]. 2020. Т. 20. № 4(128). С. 500-506

Научные статьи, опубликованные в журналах из перечня ВАК РФ:

> Куликова В.А., Варжель С.В., Дмитриев А.А., Волошина А.Л., Клишина В.А., Калязина Д.В. Методика корпусирования волоконной брэгговской решетки для ее пассивной температурной компенсации // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 28-36

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность работы, исходя из которой сформулирована цель и поставлены задачи, решаемые для её достижения.

Также в данном разделе приведена научная новизна работы, указаны теоретическая и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлено три раздела, посвященных литературному обзору по тематике исследования.

В разделе 1.1 первой главы описаны различные подходы к измерению скорости потоков жидкости/газов и определения их направления с применением оптических, а в частности волоконно-оптических технологий. Исходя из проведенного литературного обзора, были выделены принципы работы анемометров и велосиметров (далее под анемометрами будут пониматься приборы для измерения скоростей потоков газов и/или жидкостей): механические, тепловые, ультразвуковые, трубка Пито. К их недостаткам относят наличие вращающихся подвижных деталей (механические), подверженность окислению и коррозии, чувствительность к электромагнитным помехам (тепловые), наличие «выступающих» частей (ультразвуковые), вероятность засорения трубки (трубка Пито).

Далее были описаны классические оптические методы измерения: методы визуализации, метод с молекулярной меткой, лазерные доплеровские анемометры/велосиметры. Недостатки перечисленных оптических методов связаны с необходимостью использования дорогостоящего оборудования и высокими требованиями к вычислительным мощностям, необходимостью введения трассирующих частиц или химического воздействия на поток, а также проблемы при исследовании мутных сред.

Помимо перечисленных полностью оптических методов, реализация классических методов (механических/тепловых/трубка Пито) также возможна в оптическом исполнении. Среди прочих оптических анемометров выделяются устройства с принципом работы горячей проволоки, где для устранения недостатков металлическая нить заменяется оптическим волокном. Таким образом концепция по адаптации принципа горячей проволоки на волоконно-оптических технологиях (а именно волоконных

дифракционных структурах (решетках Брэгга или ВБР)) была выбрана как наиболее перспективная с точки зрения проведения удаленного мониторинга в труднодоступных местах.

В разделе 1.2 первой главы представлены методы определения различных веществ с помощью средств волоконной оптики. Так как в работе в качестве основной методики исследования скоростей потоков был выбран метод горячей проволоки, для анализа фаз потока возможно использование тех же принципов (для исключения необходимости применения дополнительного оборудования и наиболее оптимального использования имеющихся ресурсов). Таким образом, обзор посвящен анализу тепловых характеристик веществ для их идентификации и описаны оптические методы измерения таких физических величин, как теплоемкость и теплопроводность. Исходя из недостатков существующих работ (использование внешнего электрического нагревателя, необходимость статичного закрепления выносных частей чувствительного элемента на расстоянии друг от друга, использование специализированных нестандартных видов волокон, возможность реализации только в лабораторных условиях, необходимость перестройки используемого оборудования при изменении внешних параметров) выявлена потребность в разработке нового научно-технического подхода к созданию такого устройства.

В разделе 1.3 первой главы описаны комбинированные методы определения температуры и деформации с использованием волоконных дифракционных структур, а также представлены методики создания опорного волоконно-оптического элемента в виде использования атермальных корпусов.

Устройства на основе волоконных брэгговских решеток требуют температурной компенсации ввиду того, что изменение температуры приводит к сдвигу длины волны брэгговского резонанса. Таким образом, при измерении каких-либо физических величин путём анализа сдвига длины волны брэгговского резонанса необходимо также измерять и температуру,

либо же применять пассивные методы компенсации температуры. Кроме того, при воздействии осевой нагрузки на оптическое волокно с волоконной дифракционной структурой также происходит как изменение её периода, так и в результате действия упругооптического эффекта происходит изменение показателя преломления, что приводит к сдвигу длины волны брэгговского резонанса. В данном разделе рассмотрены наиболее применяемые методики для компенсации указанных параметров и определены преимущества и недостатки их использования.

Во второй главе представлено экспериментальное исследование тепловой анемометрии на основе волоконно-оптического нагревательного элемента и волоконных дифракционных структур.

В разделе 2.1 второй главы описан общий принцип работы волоконно-оптического измерителя скорости, изображенный на Рисунке 1. В сердцевину оптического волокна записываются две ВБР (используемые в качестве датчиков температуры), расположенные на относительно небольшом расстоянии друг от друга (несколько миллиметров). В области ВБР1 осуществляется нагрев (на рисунке показан оптический метод при выведении излучения из сердцевины волокна в оболочку), а ВБР2 используется как датчик температуры с целью компенсации её влияния на измерения датчика.

Рисунок 1 - Общий принцип работы волоконно-оптического анемометра с

решётками Брэгга

При нагреве области с ВБР1 происходит спектральное смещение длины волны брэгговского резонанса (Ах ^ А1) в длинноволновую область, далее, при возникновении потока, нагретая область с ВБР1 охлаждается, и длина волны брэгговского резонанса смещается в коротковолновую область А3, при этом < А3 < при V ф 0 (К - скорость потока). С увеличением скорости потока увеличивается и охлаждение, что приводит к большему смещению А3 в область коротких длин волн, оценка такого смещения позволяет вычислять скорость проходящих потоков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Клишина Виктория Александровна, 2023 год

список источников

1. Васильев С.А., Медведков О.И., Королев И.Г. и др. Волоконные решетки показателя преломления и их применения // Квант, электрон. 2005. Т. 35. № 12. С. 1085-1103. https://www.mathnet.ru/rus/qe/v35/ il2/pl085

Vasil'ev S.A., Medvedkov O.I., Korolev I.G., et al. Fibre gratings and their applications // Quant. Electron. 2005. V. 35. № 12. P. 1085-1103. https://doi.org/10.1070/ QE2005v035nl2ABEH013041

2. Kadhim S.A., Kazr K.A., Ali A.H., et al. Fiber communication system based on FBG as dispersion compensator, design an experimental setup // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1294. № 2. P. 22019. https://doi. org/10.1088/1742-6596/1294/2/022019

3. Yuksel K., Kinet D., Chah К., et al. Implementation of a mobile platform based on fiber Bragg grating sensors for automotive traffic monitoring // Sensors. 2020. V. 20. № 6. P. 1567. https://doi.org/10.3390/s20061567

4. Chang Y.-T., Yen C.-T., Wu Y.-S., et al. Using a fiber loop and fiber Bragg grating as a fiber optic sensor to simultaneously measure temperature and displacement // Sensors. 2013. V. 13. N° 5. P. 6542-6551. https://doi.org/10.3390/sl30506542

5. Diaz C.A.R., Leal-Junior A.G., André P.S.B., et al. Liquid level measurement based on FBG-embedded diaphragms with temperature compensation // IEEE Sens. J. 2018. V. 18. № 1. P. 193-200. https://doi.org/ 10.1109/JSEN. 2017.2768510

6. Lo Y.-L., Kuo C.-P. Packaging a fiber Bragg grating without preloading in a simple athermal bimaterial device // IEEE Trans. Adv. Packag. 2002. V. 25. P. 50-53. https://doi.org/10.1109/TADVP.2002.1017685

7. Lo Y.-L., Kuo C.-P. Packaging a fiber Bragg grating with metal coating for an athermal design // J. Light. 2003. V. 21. № 5. P. 1377. https://dor.org/10.1109/ JLT.2003.810925

В ходе экспериментальной части получены температурные зависимости длины волны брэгговского резонанса для термокомпенсиро-ванной решетки длиной 1 мм. Конечные эксперименты продемонстрировали, что неравномерность показаний по длине волны решетки в атермальном корпусе составила 70 пм в диапазоне температур от -15 до 105 °С.

Разработанная технология температурной компенсации ВБР с помощью корпусирования имеет практическое значение в таких областях, как телекоммуникационные системы, где необходимо применение стабильных по длине волны волоконно-оптических фильтров на основе дифракционных отражателей, в лазерных технологиях, в которых решетка служит в качестве элемента, обеспечивающего постоянную длину волны излучения вертикально-излучающего лазера, а также в области волоконно-оптической сенсорики для калибровки систем высокой точности.

8. Tong L„ Jing Z„ Yu'e K„ et al. The wavelength shifting and temperature athermalization of fiber Bragg grating // Acta Opt. Sin. 2003. V. 23. № SI. P. 283.

9. Lee S.-M., Gu X. Passive temperature compensation package for optical long period fiber gratings // J. Opt. Soc. Korea. 1999. V. 3. № 2. P. 74-79. http://dx.doi. org/10.3807/JOSK.1999.3.2.074

10.Yoffe G.W., Krug P.A., Ouellette F„ et al. Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings //Appl. Opt. 1995. V. 34. № 30. P. 6859-6861. https://doi.org/10.1364/AO.34.006859

11.Lachance R.L., Van A.V., Morin M., et al. Adjustable athermal package for optical fiber devices // US Patent 6 907 164 B2. 2005. Publ. Jun. 14, 2005.

12.Tsai H.-H., Jang W.-Y., Yeh F.-F, Central wavelength tunable mechanism for temperature compensated package of fiber Bragg gratings // IEEE Trans. Adv. Packag. 2001. V. 24. № 1. P. 86-90. https://doi.org/ 10.1109/6040.909630

13. Morey W.W., Glomb W.L. Incorporated Bragg filter temperature compensated optical waveguide device // US Patent 5 042 898 A. 1991. Publ. Aug. 27, 1991.

14. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. № 12. P. 4309-4341. https://doi.org/ 10.1063/1.1148392

15. Cernuschi F., Eyring H. An elementary theory of condensation // J. Chem. Phys. 1939. V. 7. № 7. P. 547-551. https://doi.Org/10.1063/l.1750485

16. Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования: учеб. по-соб. для вузов. М.: Металлургия, 1975. 366 с. Kazantsev E.I. Industrial furnaces. A reference guide for calculations and design: Textbook for universities [in Russian]. Moskow: "Metallurgiya" Publ., 1975.366 p.

17. Lemaire P.J., Atkins R.M., Mizrahi V., et al. High pressure H/sub 2/ loading as a technique for achieving

ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO/sub 2/ doped optical fibres // Electron. Lett. 1993. V. 13. № 29. P. 1191-1193. https://doi.org/ 10.1049/el:19930796 18.Варжель С.В., Мунько А.С., Конное К.А. и др. Запись решеток Брзгга в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой, подвергнутом водородной обработке // Оптический журнал. 2016. V. 83. № 10. Р. 74-78.

Varzhel S.V., Mun'ko A.S., Konnov К.А., et al. Recording" Bragg gratings in hydrogenated birefringent optical fiber with elliptical stress cladding// J, Opt. Technol. 2016. V. 83. № 10. P. 638-641. https://doi. org/10.1364/JOT.83.000638

АВТОРЫ

Варвара Александровна Куликова — инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57997721300; https://orcid.org/0000-0002-0457-4517; [e-mail]

Сергей Владимирович Варжель — кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия: Scopus ID: 55247304200; https://orcid.org/0000-0002-3120-8109; [e-mail]

Андрей Анатольевич Дмитриев — кандидат технических наук, инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57215003358; https://orcid.org/0000-0002-0674-8381; [e-mail]

Анна Ладимировна Волошина — инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57997721200; https://orcid.org/0000-0002-7118-2193; [e-mail] Виктория Александровна Клишина — инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 5720282 9251; https://orcid.org/0000-0001-5254-2133; [e-mail]

Дарья Владимировна Калязина — студент, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; https://orcid. org/0000-0002-7195-435Х; [e-mail]

19. Draitriev A.A., Gribaev A.I., Varzhel S.V., et al. Highperformance fiber Bragg gratings arrays inscription method // Opt. Fiber Technol. 2021. V. 63. P. 102508. https://doi.Org/10.1016/j.yofte.2021.102508

20. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., et al. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Opt. Quantum Electron. 2016. V. 48. № 12. P. 1-7. https://doi.org/10.1007/ sll082-016-0816-3

21. Munko A.S., Varzhel S.V., Arklupov S.V., et al. The study of the thermal annealing of the Bragg gratings induced in the hydrogenated birefringent optical fiber with an elliptical stress cladding // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V, 735. № 1, P. 012015. https://doi. org/10.1088/1742-6596/735/1/012015

Varvara A. Kulikova — Engineer, ITM0 University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57997721300; https://orcid. org/0000-0002-0457-4517; [e-mail]

Sergey V. Varzhel — PhD (Physics and Mathematics), Associate Professor, Head of the laboratory, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 55247304200; https://orcid. org/0000-0002-3120-8109; [e-mail]

Andrey A. Dmitriev — PhD (Engineering), Engineer, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57215003358; https://orcid.org/0000-0002-0674-8381; [e-mail]

Anna L. Voloshina — Engineer, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57997721200; https://orcid. org/0000-0002-7118-2193; [e-mail] Victoria A. Klishina — Engineer, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57202829251; https://orcid. org/0000-0001-5254-2133; [e-mail]

Daria V. Kaliazina — Student, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; https://orcid.org/0000-0002-7195-435X; [e-mail]

AUTHORS

Статья поступила в редакцию 01.03.2023 The article was submitted to the editorial office 01.03.2023

Одобрена после рецензирования 24.05.2023 Approved after review 24.05.2023

Принята к печати 24.07.2023 Accepted for publication 24.07.2023