Разработка и исследование волоконно-оптических датчиков влажности газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Дикевич, Алексей Александрович

• Дикевич, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дикевич, Алексей Александрович

Общая характеристика работы

Введение

Список сокращений

ГЛАВА 1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ВЛАЖНОСТИ

1.1. Методы измерения влажности

1.2. Основные понятия гигрометрии. Характеристики влагосодержания и Благосостояния газов и выбор единиц измерения влажности

1.3. Волоконно-оптические методы измерения влажности 19 1.3.1. Метод точки росы.

1.4. Принцип работы оптического волокна

1.5. Волоконные Брэгговские решетки

1.5.1 Брэгговское отражение

1.5.2 Типы фоточувствительности в германосиликатных волокнах 32 1.5.3. Методы повышения фоточувствительности в кварцевом оптическом волокне

1.6. Свойства ВБР

1.6.1. Профиль показателя преломления

1.6.2. Типы ВБР

1.6.3. Чувствительность к температуре и натяжению

1.6.4. Основные преимущества

1.7. Выводы к главе

ГЛАВА 2. ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ БРЭГГОВСКИХ РЕШЁТОК

2.1. Методика измерения спектральных характеристик ВБР

2.1.1. Измерение брэгговской длины волны

2.1.2. Измерение ширины спектра отражения брэгговской решётки

2.1.3. Измерение ширины полосы брэгговской решётки

2.1.4. Измерение коэффициента отражения и силы брэгговской решётки

2.1.5. Измерение вносимых потерь

2.1.6. Измерение спектра оболочечных мод

2.2. Методы изготовления ВБР

2.2.1. Установка для записи волоконных брэгговских решёток через фазовую маску

2.2.2. Последовательность записи волоконных брэгговских решёток

2.3. Математическое описание брэгговских решёток

2.3.1. Спектральный отклик ВБР с точки зрения формализма связанных мод

2.3.2. Метод Т-матрицы

2.3.3. Метод случайной Т-матрицы

2.4. Генератор влажного газа

2.5. Выводы к главе

ГЛАВА 3. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

3.1. Схема измерения с применением OSA

3.2. Схема измерений с применением чирпированной решётки 70 3.4. Разработка и оптимизация технологического процесса записи волоконных брэгговских решёток для создания датчиков на их основе

3.4. Запись волоконных брэгговских решёток для датчиков

3.5. Выбор фактора аподизации

3.6. Выводы по технологии записи брэгговских решёток

3.6. Волоконно-оптический датчик влажности

3.6.1. Нанесение полиимида

3.6.2. Измерение реакции ВБР

3.7. Выводы к главе

ГЛАВА 4. Волоконно-оптический датчик точки росы

4.1. Состав и принцип работы

4.1.1. Чувствительный элемент

4.1.2. Источник излучения

4.1.3. Фотоприёмник

4.1.4. Охлаждение чувствительного элемента

4.1.5. Источник питания и регулятор

4.1.6. Программное обеспечение

4.1.7. Конструкция корпуса

4.2. Принцип работы датчика

4.3. Экспериментальные результаты

4.3.1. Использование скола одномодового волокна в качестве чувствительного элемента

4.3.2. Использование скола многомодового волокна в качестве чувствительного элемента

4.4. Обсуждение

4.5. Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование волоконно-оптических датчиков влажности газов»

Актуальность работы

В связи с быстрым развитием автоматизированных систем управления и контроля, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам стремительно возрастает потребность в датчиках. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надёжностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоёмкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени соответствуют волоконно-оптические датчики [1].

Приборы для измерения влажности газовых сред широко используются практически во всех областях человеческой деятельности - в промышленности, сельском хозяйстве, метеорологии, музеях, библиотеках, хранилищах и т.д., занимая значительную долю существующих средств измерений. Особенно остро задача измерения влажности газов стоит в таких областях, как микроэлектроника, атомная энергетика, химическая промышленность, а также транспортировка природного газа. Специфика областей применения гигрометров выдвигает особые требования к функциональным характеристикам применяемых в их составе чувствительных элементов.

В связи с ужесточением требований к условиям производства и хранения продукции все чаще возникают задачи непрерывного мониторинга параметров микроклимата в складских и производственных помещениях. Кроме того, растёт актуальность задачи организации распределённых измерений относительной влажности в сложных окружающих условиях, например, при организации локализации места утечки теплоносителя в контуре охлаждения ядерного реактора. Применение волоконно-оптических преобразователей относительной влажности и температуры предлагает широчайшие возможности для построения систем распределённых измерений, в том числе и в сложных окружающих условиях, так как они нечувствительны к внешним магнитным полям, не подвержены коррозии, позволяют проводить детектирование на значительном удалении и предоставляют широчайшие возможности по мультиплексированию.

Другой специфической областью применения гигрометров является контроль Благосостояния технологических газов микроэлектроники, химической и фармакологической промышленности, а также природного газа при его транспортировке. Основной особенностью этих областей применения гигрометров являются повышенные требования к их метрологическим характеристикам в области низких концентраций влаги. Как показал сравнительный анализ методов и тенденций измерения влажности технологических газов, решение поставленных задач возможно с помощью конденсационного метода, сущность которого заключается в измерении температуры, до которой необходимо охладить прилегающий к охлаждаемой поверхности слой анализируемого газа для того, чтобы довести его до состояния насыщения при рабочем давлении.

Основной проблемой при создании конденсационного гигрометра для измерения низких концентраций влаги является разработка высокочувствительного детектора образования конденсата, поскольку при низких значениях влажности анализируемый газ содержит очень малое количество влаги и для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо детектировать формирование сконденсированной фазы на уровне долей микрон.

Датчики типа «охлаждаемое зеркало» не обладают достаточной чувствительностью и временем реакции в заданном диапазоне, поэтому продолжаются работы в направлении поиска возможностей увеличения чувствительности сенсора.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование волоконно-оптических методов измерения влажности, направленных на измерение относительной влажности и точки росы в широком диапазоне концентраций водяного пара.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ методов измерения и тенденций развития технических средств измерения влагосодержапия и Благосостояния и выбрать метод, позволяющий наиболее эффективно решить задачу измерения влажности в каждом соответствующем диапазоне;

• разработать конструкцию и технологический маршрут изготовления волоконно-оптического сорбционного сенсора относительной влажности, выбрать оптимальную технологию мультиплексирования датчиков;

• разработать конструкцию и технологический маршрут изготовления волоконно-оптического конденсационного сенсора микровлажности;

• разработать подходы к созданию законченных приборов, реализующих разработанные методы измерений.

Научная новизна:

• На основании проведённого моделирования параметров волоконных брэгговских решеток, проведён выбор оптимальных параметров их записи.

• Исследованы особенности записи аподизированных волоконных брэгговских решёток с применением тримминга для получения заданных спектральных параметров, оптимальных для использования решёток в качестве чувствительных элементов датчиков влажности. Показана возможность их использования для создания волоконно-оптических датчиков относительной влажности.

• Предложен метод измерения точки росы, основанный на изменении коэффициента отражения от скола оптического волокна при его охлаждении до температуры, при которой прилегающий к охлаждаемой поверхности слой анализируемого газа достигает состояния насыщения. Показана возможность применения разработанного метода определения слоя конденсата для создания волоконно-оптического гигрометра точки росы.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

• Разработан технологический процесс записи волоконных брэгговских решёток заданного профиля для использования их в качестве чувствительных элементов датчиков.

• Разработаны два варианта архитектуры распределенных волоконно-оптических измерительных линий на основе мультиплексированных измерительных преобразователей относительной влажности для распределённого мониторинга влажности и температуры.

• Разработаны методы температурной компенсации показаний измерительных преобразователей относительной влажности за счёт введения дополнительного канала для измерения температуры.

• Предложена конструкция миниатюрного волоконно-оптического детектора образования конденсата, позволяющего создать недорогой гигрометр точки росы с повышенным быстродействием.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретическое обоснование выбранных методов измерения влагосодержания и Благосостояния для волоконно-оптических датчиков влажности.

2. Технологический процесс изготовления волоконных брэгговских решёток заданного профиля для использования их в качестве чувствительных элементов датчиков.

3. Метод измерения точки росы газов, основанный на изменении коэффициента отражения от скола оптического волокна при его охлаждении до температуры, при которой прилегающий к охлаждаемой поверхности слой анализируемого газа достигает состояния насыщения.

Внедрение результатов работы Результаты диссертационной работы используются в Научно-производственной компании «Оптолинк» в процессе разработки волоконно-оптического гигрометра.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на: 1. XVI ВНТК «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 2006;

2. Всероссийский молодёжный научно-инновационный конкурс — конференция «Электроника — 2006», Москва, 2006;

3. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-2007», Москва, 2007;

4. International Symposium on "Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics", Ekaterinburg, 2007;

5. IX Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2007

6. Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007;

7. 3rd French-Russian Seminar: "New Achievements in Materials and Environmental Sciences" NAMES-2007, Metz, France, 2007

8. First Mediterranean Photonics Conference, Ischia-Napoli, Italy, 2008;

9. 14th European Conference on Integrated Optics, Eindhoven, Netherlands, 2008;

10. 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-2008», Москва, 2008;

11. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008», Москва, 2008;

12. SPIE Europe Optics + Optoelectronics, Prague, Czech Republic, 2009. Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе: статья в журнале «Известия ВУЗов, серия Электроника», а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 128 страниц машинописного текста, включая 12 таблиц, 46 рисунков, одно приложение и список литературы в количестве 81 наименований, а также приложение, содержащее 6 страниц.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Дикевич, Алексей Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ методов измерения и тенденций развития волоконно-оптических сенсоров влажности. Показано, что на основе волоконных брэгговских решёток возможно создание сетей датчиков для распределённых измерений относительной влажности.

2. Разработана технология записи аподизированных коротких ВБР с применением тримминга, а также алгоритмы выбора их оптимальных параметров.

3. Рассмотрены возможности реализации распределённой мультиплексированной сети волоконных брэгговских датчиков относительной влажности. Предложено два варианта архитектуры.

4. С использованием метода матрицы рассеяния рассчитаны оптимальные параметры технологического процесса записи ВБР для датчика относительной влажности.

5. Проведено испытание макета температурно компенсированного брэгговского датчика влажности с различной толщиной плёнки полиимида. Результаты экспериментов показали принципиальную возможность реализации датчика влажности на структуре этого типа.

6. Предложена конструкция волоконно-оптического детектора образования конденсата.

7. Разработан и изготовлен стенд для испытаний чувствительных элементов конденсационного гигрометра точки росы, позволяющего с контролируемой скоростью изменять температуру датчика, одновременно контролируя отражённый от него сигнал.

8. Создан и испытан макет гигрометра точки росы, работающий в диапазоне от О до, по крайней мере, -32°С т.и. Результаты измерений согласуются с данными измерительного оборудования в пределах погрешностей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дикевич, Алексей Александрович, 2009 год

1. Окоси, Окамото, Оцу, Нисихара, Кюма, Хататэ. «Волоконно-оптические датчики», Пер. сяпоп.- JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.- 256с

2. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства гигрометрии. Метрологические аспекты. — М.:Издательство стандартов, 1988

3. Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия. М.: Химия, 1980, 600 с, (пер. с английского)

4. Берлинер М.А. Измерения влажности. — М.: Энергия, 1973

5. Аналитическое приборостроение. Методы и средства для анализа жидких сред,-Тезисы докладов Всесоюзн. научно-техн. конф., Тбилиси, 1980, с.63.

6. Humidity and Moisture Measurement and Control in Science and Industry, vol. 1-4, New York, 1965.

7. Соков И.А. Метрологическое обеспечение гигрометрии: Обзорная информ. -М., 1987, 56 с. — (Сер. "Информационное обеспечение общесоюзных научно-технических программ"; Вып. 1/ ВНИИКИ).

8. ГОСТ 8.221-76. ГСИ. Влагометрия и гигрометрия. Термины и определения.

9. Wexler A., Vapor Pressure Formulation for Ice, Journal of Research of the National Bureau of Standards —A. Physics and Chemistry, January — February 1977, Vol. 81A, No. l,p. 5-19.

10. Технологический регламент ВМО. т.1. Общая часть, 3-е издание, 1968, Женева, ВМО, № 49

11. Соков И.А. Основные понятия и термины в гигрометрии —М., 1986, 52 с. — (Сер. "Метрологическое обеспечение измерений"; Вып. 5/ ВНИИКИ)

12. R. Narayanaswamy, О. S. Wolfbeis, "Optical Sensors: Industrial, Environmental and Diagnostic Applications", Springer, 2004

13. Paul V Lambeck, Integrated optical sensors for the chemical domain// Measurement Science and Technology 17 (2006) - R93-R116

14. Numata, Т.; Otani, Y.; Morishima, К.; Umeda, N., "Optical Dew Point Sensor using Plasmonic Resonance of Cap-shaped Silver Nanoparticles", CLEO/Pacific Rim 2005. Volume, Issue, 30-02 Aug. 2005 Page(s): 1183 1184

15. Kronenberg, Rastogi, Giaccari, Limberner, "Relative humidity sensor with optical Bragg grattings", Optics letters, Vol.27, No. 16, pp. 1385-1387, 2002

16. T.L. Yeo, T. Sun, K.T.V. Grattan, D. Рапу, R. Lade and B.D. Powell, "Characterisation of a polymer-coated fibre Bragg grating sensor for relative humidity sensing", Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 110, Issue 1, Pages 148-156, 2005

17. Ainhoa Gaston, Fatima Perez, and Joaquin Sevilla, "Optical Fiber Relative-Humidity Sensor with Polyvinyl Alcohol Film", Applied Optics, Vol. 43, Issue 21, pp. 41274132,2004

18. Pat. № 2830945 (USA). Apparatus for water determination, F.A. Keidel, 1958, (GO IN 27/46)

19. Pat. № 2900317 (USA). Coulometric reagent generation, F.A. Keidel, 1959, (G01N 27/46)

20. Агасян П.К., Хамракулов Т.К. Кулонометрический метод анализа, М.: Химия, 1984,168с

21. ГСП. Гигрометры кулонометрические "Байкал-1", "Байкал-2", "Байкал-3". Техническое описание и инструкция по эксплуатации Паспорт. ДДИ1.550.056 ТО

22. Н. Leonard. Sherman. Sensor and condition circuits simplify humidity measurement. EDN, May 16, 1985, v.30, 11, 179 p.

23. Pat. № 5460450 (USA). Cryogenic hygrometer, Arden L. Buck, 1995, (G01N 25/02)

24. Pat. № 5299867 (USA). Low moisture cryogenic hygrometer, Arden L. Buck, 1994, (GO IN 25/02).

25. Pat. № 5052818 (USA). Method of and apparatus for measuring very low water content in gas, O. Nishizawa, T. Tagawa, T. Kijima, 1991, (G01N 25/06).

26. Pat. № 4345455 (USA). Dew point hygrometer with continuous balancing system, Stanley B. Hayes, 1982, (G01N 25/68).

27. Pat. № 2202941 (GB). Melting/freezing point apparatus, D. W. Washbourn, D.R. Keene, 1988, (G01N 25/04).

28. Pat. № 2036339 (GB). Measuring dew point, F.M. Dadachaji, 1980, (G01N 25/68).

29. Pat. № 4216669 (USA). Contaminant error reduction system for dew point hygrometers, J.C. Harding, 1980, (GO IN 25/02).

30. Pat. № 4629333 (USA). Chilled mirror hydrometer with performance monitoring, V.J. Dosoretz, S. Ronchinsky, 1986, (GOIN 25/02).

31. Pat. № 4826327 (USA). Dewpoint meter, A.K. Michell, 1989, (G01N 25/02).

32. Pat. № 4946288 (USA). Dew point analyzer, P. Siska, K. Vij, G. Eisenbard, 1990, (GO IN 25/02).

33. Pat. № 5022045 (USA). Optical-type, phase transition humidity-responsive device, S.B. Elliott, W. Hills, 1991, (GOIN 25/12)

34. Каталог фирмы Vaisala (Finland), 2008.

35. Data Sheet, The DEWCAP® Sensor for High Accuracy Dewpoint Measurement, Vaisala (Finland), 2005

36. H. Leonard. Sherman. Sensor and condition circuits simplify humidity measurement. EDN, May 16, 1985, v.30, 11, 179 p.

37. Pat. № 4948263 (USA). Dew-point sensor, R. Herrmann, D. Funken, 1990, (G01N 25/68).

38. Dufor, Deflay R. Thermodynamics of clouds, N-Y-London, Academic Press, 1963.

39. M.G. Kovac, D. Chleck, P. Goodman. A new Moisture Sensor for »In-Situ, Monitoring of Seald Packages, Solid State Technology, February 1978, p. 35, 36, 39, 53.

40. Пат. N 3819890 (ФРГ). Способ и устройство для измерения очень низких содержаний воды в газе, 1989, (GolN 25/26).

41. Пат. N 231653 (ГДР). Устройство для обнаружения конденсата на зеркале точки росы, 1987, (G01N 25/66).

42. Pieter R. Wiederhold, The Principles of Chilled Mirror Hygrometry, Sensors Online.

43. Pal. № 2126350A (GB), Dew-point measuring device, H. Waldschmidt N., Takahashi N„ 1983, (G01N 25/68).

44. Mason, B.J., "The supercooling and nucleation of water," Adv. Phys. 7 221—234, 1958)

45. Sparrow, I.J.G., Emmerson, G.D., Gawith, C.B.E., Smith, P.G.R., "Planar waveguide hygrometer and state sensor demonstrating supercooled water recognition," Sensors and Actuators B: Chemical, 107, (2), 856-860, 2005)

46. Wiederhold P.R., "Water vapor measurement: Methods and instrumentation", CRC Press, 1997, 384 p.

47. K.O. Hill, F. Fujii, D. C. Johnson and B. S. Kawasaki, "Photosensitivity on optical fiber waveguides;application to reflection filter fabrication", Appl. Phys. Lett. 32, 647-9(1978)

48. G. Meltz, W. W. Morey and W. H. Glenn, "Formation of Bragg gratings in optical fiber by transverse holographic method", Opt. Lett. 14, 823-5 (1989)

49. V. Mizrahi, "Components and devices for optical communications based on UV-written-fiber phase gratings", Tech. Digest Int. Conf. on Optical Fiber Commun. (CA, USA), 243-4 (1993)

50. A.D. Kersey, M.A. Davis, H.J. Patrick, M. LeBlanc, K.P. Koo, C.G. Askins, M.A. Putnam and E.J. Friebele, "Fiber Grating Sensors", Journ. of Lightwave Tech. 15, 1442-63 (1997)

51. H. Kogelnik, "Filter response of nonuniform almost-periodic structures", BellSystem-Technical-Journal., 55(1), p. 109-26 (1976)

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

53. J. Skaar, PhD dissertation, The Norwegian University of Science and Technology, Ch. 2, 5-15 (2000)

54. T. Erdogan, "Fiber Grating Spectra", JLT, 15 (8), p. 1277-1294 (1997)

55. J.M.Lopez-Higuera, "Handbook of optical fibre sensing technology", John Wiley & sons, Ltd. 2002, 795 c.61.0thonos, Kalli. "Fiber Bragg Gratings. Fundamentals and applications in telecommunications and sensing", Artech House, London, 1999

56. Winick, "Effective-index method and coupled-mode theory for almost periodic waveguide gratings: A comparison", Applied Optics, Vol.31, 1992, pp. 757-764

57. Yamada, Sakuda, "Analisis of almost-periodic distributed feedback slab waveguide via a fundamental matrix approach", Applied Optics, Vol.26, 1987, pp. 3474-3478

58. M. McCall, "On the Application of Coupled Mode Theory for Modeling Fiber Bragg Gratings", JLT, 18(2), p. 236-242 (2000)

59. J. Skaar, L. Wang and T. Erdogan, "On the systhesis of fiber Bragg gratings by layer peeling", J. Quantum Electron., 37 (2), p. 165-173 (2001)

60. L.A. Weller-Brophy and D.G. Hall, "Analysis of waveguide gratings: application of Rouard's method", J. Opt. Soc. Am. A, 11, p. 2027-2037 (1985)

61. Dose-Rate Dependencies in Gamma-Irradiated Fiber Bragg Grating Filters. Alberto Fernandez Fernandez, B. Brichard, F. Berghmans and M. Decreton. IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 49, NO. 6, DECEMBER 2002

62. Andrew D. Yablon, «Optical Fiber Fusion Splicing», Springer, 2005

63. Каталог фирмы Physik Instruments, http://www.physikinstrumente.com/en/products/prdetail.php?sortnr=800200, 2008

64. Каталог фирмы HD MicroSystems http://hdmicrosystems.comyHDMicroSystems/en US/pdfTPI2525 2555 2556 2574 ProductBulletin.pdf, 2008

65. Интернет-каталог компании «Криотерм», .www.kryotherm.ru, 2009

66. Интернет-каталог компании «Promodz», www.promodz.ru, 2009

67. Интернет-каталог компании ООО НИК «Микрофор», www.microfor.ru, 2009

68. Wiederhold P.R., "Water vapor measurement: Methods and instrumentation", CRC Press, 1997,384 р.

69. Renger, R., Sohler, W., "Loss in low-finesse optical waveguide resonators," Appl. Phys. B, v. 36, 143-147 (1985)

70. Chrzanowski J., "Thickness-dependent d.c. electrical conduction in thin polycrystalline ice films deposited on to a dielectric substrate," Journal of Materials Science Letters 7 1058-1060, 1988