Сегодня в рубрике «Взгляд на проблему» представлен авторский взгляд Игоря Гончаренко, профессора кафедры естественных наук, д.ф.-м.н., профессора, и Виталия Рябцева, старшего преподавателя кафедры автоматических систем безопасности Университета гражданской защиты МЧС Беларуси, к.т.н., на актуальные проблемы применения современных средств контроля напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и технических устройств на основе оптических волокон.
Нормативное техническое состояние конструкций зданий и сооружений в значительной степени определяется неизменностью и стабильностью их геометрических параметров (пространственное положение, прогибы, перемещения). Контроль деформаций традиционно осуществляется путем определения развития в основном вертикальных осадок по контуру самого объекта в уровне основания с помощью геометрического нивелирования. При этом очевидно, что учет только вертикальных осадок в уровне основания не отражает реальной картины пространственной деформации всего объекта и изменения напряженно-деформированного состояния его конструкций, в том числе при изменении физико-механических и геометрических характеристик во время и после пожара. Неточности в измерении этих характеристик могут быть особенно велики при значительных габаритах и большой этажности сооружений, когда невозможен доступ к необходимому количеству точек для геометрического нивелирования в нужном объеме.
При сложном пространственном очертании объекта неравномерные деформации несущих конструкций, вызывая пространственные деформации всего здания, сопровождаются повреждениями элементов его несущих конструкций по всему объему. В подобных случаях полностью выявить характер деформирования конструкций инструментально практически невозможно, также как и численно оценить его влияние на напряженно-деформированное состояние несущих конструкций в комплексе.
Кроме того, проектирование строительных конструкций с целью обеспечения пожарной безопасности базируется на критерии предела огнестойкости. Однако этого не всегда достаточно, так как предел огнестойкости характеризуется признаками наступления предельных состояний во время отдельного единичного пожара, в то время как их достижение возможно в процессе длительной эксплуатации здания при неоднократном высокотемпературном воздействии на разные части конструкций.
Таким образом, предел огнестойкости характеризует прочностные показатели железобетонных конструкций при возможном пожаре, но не гарантирует их пригодности к эксплуатации после него. Оценить фактическую пригодность конструкций к дальнейшей эксплуатации без конструктивного усиления после пожара не представляется возможным по причине значительных размеров конструкций и отсутствии или затрудненном доступе к ним для обследования.
Особое внимание требованиям безопасности уделяется при проектировании, строительстве и эксплуатации высотных зданий. Такие здания относятся к объектам повышенного уровня ответственности. Под высотными зданиями понимаются многоэтажные здания жилого назначения высотой от 75 до 100 м включительно, общественного и многофункционального назначения высотой от 50 до 200 м включительно. Требованиями ТКП 45–3.02–108–2008 регламентировано оснащение системами мониторинга состояния несущих конструкций всех проектируемых высотных зданий, которые должны работать совместно с другими системами здания, образуя единую автоматизированную систему управления. Данная система позволяет в режиме реального времени передавать информацию в дежурно-диспетчерские службы для оценки, предупреждения и ликвидации дестабилизирующих факторов с целью своевременного оповещения и управления эвакуацией находящихся в здании людей. Кроме того, в высотных зданиях, в отличие от зданий меньшей этажности, существенное влияние на напряженно-деформированное состояние несущих конструкций оказывают ветровые нагрузки, создающие значительную рассеянность мест накопления деформационных повреждений в этих конструкциях.
Таким образом, мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций зданий и сооружений является наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций.
Возможная область применения систем мониторинга напряженно-деформированного состояния в Республике Беларусь существенно шире, поскольку существует необходимость обеспечения безопасности сооружений и технических устройств на опасных производственных и потенциально опасных объектах в связи с эксплуатацией устаревшего и физически изношенного оборудования, в первую очередь, подъемных сооружений, сосудов под давлением, магистральных трубопроводов, аттракционов.
Согласно официальным данным Департамента по надзору за безопасным ведением работ в промышленности Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь наиболее характерными авариями на опасных производственных объектах Республики Беларусь являются происшествия на подъемных сооружениях (43% от общего числа аварий), при этом количество несчастных случаев, связанных с эксплуатацией подъемных сооружений, достигает 70% от общего их числа на опасных производственных объектах. По состоянию на 18.01.2017 г. в Республике Беларусь эксплуатировалось 14350 подъемных кранов, среди которых выработавших нормативный ресурс – 10491 (73,1%). При этом износ кранов мостового типа составляет – 88,4%; козлового – 86,6%, портального – 96,9%.
Наиболее остро ситуация на опасных производственных объектах складывается с износом сосудов под давлением. Всего по республике доля работающего под давлением оборудования с истекшим нормативным сроком эксплуатации в химической промышленности составляет 74%, при этом в Гродненской области – 92%, в Минской – 93%, в Могилевской – 96%, что может представлять реальную угрозу возникновения аварийных ситуаций.
Эксплуатация изношенного оборудования характерна и для некоторых операторов, эксплуатирующих системы газоснабжения и магистральные трубопроводы. Например, ОАО «Полоцктранснефть Дружба» использует магистральные нефтепроводы, отработавшие нормативный срок эксплуатации на 100%. Износ оборудования ОАО «Гомельтранснефть Дружба» составляет 75,8%.
Обеспечение безопасности зданий, сооружений и технических устройств может быть достигнуто за счет применения систем мониторинга. В соответствии с ГОСТ Р 22.1.12 –2005 системы мониторинга и управления инженерными системами должны обеспечивать:
– прогнозирование и предупреждение аварийных ситуаций путем контроля за параметрами процессов обеспечения функционирования объектов и определения отклонений их текущих значений от нормативных;
– непрерывность сбора, передачи и обработки информации о значениях параметров процессов обеспечения функционирования объектов;
– формирование и передачу формализованной оперативной информации о состоянии технологических систем и изменении состояния инженерно-технических конструкций объектов в дежурно-диспетчерскую службу объекта.
В последнее время в качестве средств контроля таких параметров как напряжения, нагрузки, вибрации, изменение температуры и др. активно используются волоконно-оптические датчики, которые имеют ряд преимуществ над электронными устройствами. Благодаря использованию оптических волокон в качестве чувствительных элементов отсутствует влияние на результат измерения электромагнитных полей, побочного электромагнитного излучения, перекрестных помех каналов, отсутствуют проблемы, связанные с контурами заземления и с напряжениями смещения в местах соединения разнородных проводников, существенно повышается электрическая безопасность, отсутствуют проблемы дугообразования и искрения. Такие датчики имеют высокую стойкость к вредным воздействиям среды; малые габариты и вес; высокую механическую прочность; стойкость к повышенным температурам, вибрациям и др.; высокую скорость передачи данных. Кроме того, волоконно-оптические датчики могут использоваться во взрывоопасной среде ввиду их абсолютной взрывобезопасности. Они химически инертны, имеют простую конструкцию и высокую надежность. Оптические волокна изготавливаются из полимеров или плавленого кварца. Такие материалы устойчивы к воздействию агрессивной среды в широком диапазоне эксплуатации. Температурный диапазон работы обычных телекоммуникационных оптических волокон –60 … 85ºС. Для контроля объектов в условиях воздействия высоких температур (до 700ºС) чувствительный элемент может быть изготовлен из специальных металлизированных волокон.
Некоторые волоконно-оптические датчики могут использоваться в ситуациях, в которых электронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое использование сопровождается значительными трудностями и расходами (например, измерение температуры в высоковольтных электрических аппаратах, таких как генераторы переменного тока, трансформаторы; измерение тока и напряжения в высоковольтных линиях электропередачи; быстрое измерение температуры небольших поверхностей, имеющих малую теплопроводность и переменную отражающую способность, в труднодоступных местах).
Внедрив волоконно-оптические датчики в структуру сооружений, можно отслеживать изменение их состояния в течение времени, собирая на центральном пункте слежения большое число непрерывных измерений.
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие физические параметры, например: давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, напряженность электрического и магнитного поля, электрический ток, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т. д. С точки зрения безопасности наиболее важными, требующими непрерывного контроля, являются такие параметры объектов как деформации (растяжение, сжатие, сдвиг, изгибы), напряжения, перемещения, трещинообразование, однородность элементов конструкций. Причем, помимо величины изгибов существует необходимость измерять также и их направление. Решить данную задачу позволяют векторные датчики.
Волоконно-оптические датчики можно условно разделить на три типа (рис. 1): точечные, распределенные и квазираспределенные.
Рисунок 1 – Классификация волоконно-оптических датчиков:
точечные (а), распределенные (б), квазираспределенные (в)
Точечные волоконно-оптические датчики (рис. 1а) позволяют проводить измерения и контролировать параметры в определенной точке объекта, как и большинство неволоконных датчиков. Как правило, такие датчики обладают малым размером и высокой точностью измерения. Они могут быть использованы в качестве локальных термометров, тензодатчиков, датчиков давления, акселерометров и т.п. В зависимости от типа сенсорного элемента локализация датчиков может достигать 0,1 см2.
Бесспорным преимуществом распределенных датчиков (рис. 1б) является возможность осуществления непрерывного контроля параметров по длине (объему) объекта в любой его точке, где установлено сенсорное оптическое волокно. Принцип действия таких сенсорных систем основан на анализе изменения параметров по длине волновода и на нелинейных эффектах. Недостатком распределения измеряемого параметра по длине является относительно невысокая точность определения локализации возмущения (несколько метров по длине) и относительно невысокая точность измерения величины. Распределенные сенсорные системы могут быть использованы для контроля больших территорий в качестве датчиков радиации и температуры, позволяют анализировать градиенты температур на больших объектах, котлах и т.п.
Измерительные системы на основе квазираспределенных датчиков (рис. 1в) объединяют преимущества первых двух схем. Квазираспределенный датчик представляет собой массив точечных сенсорных элементов, например, на основе волоконных решеток, объединенных одним общим волноводом. Каждый элемент обладает своими уникальными характеристиками, что позволяет проанализировать его состояние независимо от других сенсорных элементов.
Точность таких систем определяется точностью отдельных датчиков, а массив может объединять более 100 элементов. Сенсорные массивы позволяют проводить мониторинг сложных объектов, инженерных сооружений, мостов, тоннелей, корпусов кораблей и летательных аппаратов, нефтяных скважин и т.п., анализировать градиент распределения температуры, нагрузок, давления, контролировать большое количество точечных объектов. Причем для этого используется только одно оптическое волокно и анализатор. Квазираспределенные системы по сравнению с электрическими аналогами обладают малым весом и размером, что особенно необходимо в некоторых областях их применения. Однако квазираспределенные датчики все же не позволяют проводить измерения в произвольной точке объекта. Кроме того, для передачи данных от набора датчиков по одному волокну необходимо использовать системы мультиплексирования сигналов и набор фотоприемников. При этом число сенсорных элементов ограничено числом каналов по длинам волн.
1. Точечные волоконно-оптические датчики
Датчики на основе волоконных брэгговских решеток
Одним из основных видов волоконных датчиков являются датчики на основе волоконных брэгговских решеток. Такая решетка представляет собой брэгговское зеркало, а именно, периодическую структуру показателя преломления, изготовленную непосредственно в сердцевине оптического волокна, длиной порядка 1 см. Подобная структура отражает свет в узком спектральном диапазоне. Запись решеток проводится в специальных фоточувствительных оптических волокнах благодаря так называемому фоторефрактивному эффекту.
Существует множество различных способов построения сенсорных систем на основе брэгговских решеток. В простейшем случае (рис. 2) сенсорная система представляет собой точечный датчик, соединенный через оптический разветвитель с источником светового сигнала и блоком анализатора. Сигнал от источника отражается сенсорным элементом. Длина волны отражения фиксируется блоком анализатора. Как правило, анализатор представляет собой узкополосный спектрометр. Существуют спектрометры различных типов: от стандартных дифракционных, где в качестве дисперсионного элемента используется дифракционная решетка, до анализаторов на основе интерферометра Фабри-Перо. Путем сканирования ширины интерферометра можно проанализировать оптический спектр отражения сенсора.
Брэгговская длина волны (центральная длина волны света, отраженного назад от брэгговской решетки) зависит от периода решетки, который может изменяться при смещениях или изменении температуры контролируемых конструкций:
где nэф – эффективный показатель преломления моды волокна для центральной длины волны, d – период решетки. Таким образом, по изменению брэгговской длины волны можно определять величину изменения указанных физических величин и оценивать их воздействие на контролируемые конструкции.
Рисунок 2 – Схема построения сенсорных систем на основе брэгговских решеток
Датчики на волоконных брэгговских решетках измеряют напряжения в определенной точке. Однако в одном волокне можно записать сотни волоконных брэгговских решеток, и один анализатор будет измерять все отражения. Это дает возможность создавать очень простые, но эффективные устройства, которые одновременно контролируют множество различных точек конструкций. Поскольку на длину волны отражения волоконной брэгговской решетки влияет как температура, так и деформации, то датчики часто размещают в паре, где один из них изолирован от движения конструкций. Это позволяет независимо измерять и деформации, и температуру.
Существуют датчики, позволяющие одновременно определять температуру и деформацию (внутреннее напряжение) с использованием одной решетки. В этом случае волоконно-оптическая решетка записывается на анизотропном волокне. Из-за анизотропии эффективные показатели преломления ортогонально поляризованных мод отличаются друг от друга. Поскольку брэгговская длина волны решетки зависит от nэф, в анизотропном волокне брэгговские длины волн ортогонально поляризованных мод отличаются на определенную величину. Причем, это различие зависит от температуры, но не зависит от изменения напряжения. Таким образом, по смещению отдельной брэгговской длины волны измеряют изменение напряжения, а по изменению разности брэгговских длин волн ортогонально поляризованных мод – температуру.
Рисунок 3 – Сенсорная система на основе комбинации брэгговских и длиннопериодной решеток для раздельного анализа температурных изменений и механических деформаций
В качестве сенсоров также могут использоваться длиннопериодные волоконные решетки. Длиннопериодные волоконные решетки, в отличие от брэгговских, не отражают сигнал, однако также имеют свой уникальный спектр пропускания за счет спектрально-селективного рассеяния, зависящего от периода решетки и структуры оптического волокна. В длиннопериодной решетке расстояние между штрихами много больше длины волны, а ее спектр определяется интерференцией основной моды и моды оболочки. Зависимость спектра пропускания длиннопериодной решетки от температуры по сравнению с брэгговской носит принципиально другой характер. Более того, в зависимости от структуры волокна изменение в спектре с ростом температуры может быть как положительным, так и отрицательным. На основе этого явления была разработана относительно простая сенсорная система, позволяющая разделить вклады деформационной составляющей и температуры (рис. 3). Спектр отражения такой системы показан на этом же рисунке. Пунктирная огибающая представляет собой спектр пропускания длиннопериодной решетки. При механических воздействиях на систему изменяется только длина волны отражения брэгговских пиков при слабом изменении их интенсивности, поскольку спектры брэгговских и длиннопериодной решеток сдвигаются синхронно. Однако с изменением температуры наблюдаются значительные изменения относительных интенсивностей пиков отражения брэгговских решеток за счет разницы в воздействии температуры на спектры различных по периоду структур. Пики брэгговского отражения «плывут» вдоль огибающей. Таким образом, имея заранее калиброванную систему, можно разделить вклады температуры и механического воздействия на сенсоры, что затруднительно с использованием только брэгговских волоконных решеток.
Датчики на основе интерферометров Фабри-Перо
Другой разновидностью точечных датчиков являются датчики с использованием интерферометров Фабри-Перо. Интерферометры Фабри-Перо состоят из двух отражателей, расположенных с каждой стороны оптически прозрачной среды. При соответствующем расстоянии между отражателями коэффициент пропускания интерферометра высок. Изменение расстояния приводит к падению коэффициента пропускания. При высокой отражательной способности отражателей коэффициент отражения очень чувствителен к изменениям длины волны или расстояния между отражателями.
Типичная конструкция точечного датчика на основе интерферометра Фабри-Перо представлена на рис. 4. Сенсорный элемент датчика представляет собой стеклянную капиллярную трубку, в которой расположены два отрезка оптического волокна с нанесенными на торцы зеркалами. Торцы волокон с зеркалами обращены друг к другу, и между ними формируется резонансная полость размером в несколько микрон. Одно из зеркал делается частично пропускающим для вывода излучения в обратном направлении. В результате многолучевой интерференции входящего и отраженных лучей образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими максимумами интенсивности, положение которых зависит от длины волны. Таким образом, интерферометр Фабри-Перо разлагает сложное излучение в спектр. Перемещение одного из зеркал приводит к изменению интерференционной картины, что может быть измерено с помощью фотоприемника. Таким образом, анализируя данные фотоприемника, можно оценить степень внешнего воздействия на датчик. Этот принцип широко используется для измерения длин объектов, их перемещений и напряжений.
Рисунок 4 – Конструкция точечного датчика на основе интерферометра Фабри-Перо
Интерферометры Фабри-Перо привлекательны для использования в датчиках, поскольку позволяют легко установить связь с измеряемыми физическими или химическими величинами. Недостатком датчиков на основе интерферометров Фабри-Перо является нелинейность их характеристик. Поэтому в практических приложениях требуется применять специальные методы считывания.
Датчики на основе интерферометров Маха-Цендера
В датчиках на основе интерферометров Маха-Цендера когерентное излучение одномодового (одновременно по отношению к поперечной и продольной модам) лазера вводится в одномодовое волокно и при помощи волоконно-оптического разветвителя разделяется на два пучка примерно равной интенсивности. Один пучок направляется на плечо с измерительным волокном, другой ‑ проходит через опорное плечо. Два выходных сигнала после прохождения через измерительное и опорное волоконные плечи объединяются вторым волоконным разветвителем (рекомбинатором). Эти два луча интерферируют, образуя интерференционный сигнал, который регистрируется фотодетекторами.
Следует отметить, что этот вид датчика может работать при большой длине волокна (более 10 км) между модулем источника (детектора) и измеряющим интерферометром, сохраняя при этом высокую производительность. Подобное преимущество играет важную роль, например, при использовании датчиков для мониторинга состояния ветровых турбин, расположенных вдали от мест обитания человека, особенно на затапливаемых приливами участках морского побережья. Подобные системы мониторинга позволяют в режиме реального времени передавать данные на длительные расстояния о наиболее важных параметрах ветряных турбин. Операторы турбин могут также использовать измерения для настройки в реальном времени наклона (шага) лопастей для увеличения производительности и улучшения баланса.
Датчики на основе интерферометров Майкельсона
В отличие от интерферометров Маха-Цендера в датчиках на основе интерферометра Майкельсона используется один разветвитель, который и разделяет, и соединяет проходящее излучение. Излучение, приходящее от источника, разделяется между измерительным и опорным плечами интерферометра. Пройдя по всей длине плеч, излучение отражается рефлектором и проходит обратно через те же плечи. После этого излучение воссоединяется на разветвителе и фиксируется фотодетекторами.
Разновидность датчика на интерферометре Майкельсона предложена компанией SOFO (рис. 5). Свет от источника с помощью разветвителя делится в равном соотношении и направляется по двум оптическим волокнам (плечам), опорному и измерительному. Измерительное волокно прикреплено к контролируемой конструкции и следует за всеми ее деформациями. Опорное волокно проложено в трубке и служит для определения внешнего воздействия на контролируемую конструкцию путем сравнения параметров распространения света в опорном и измерительном волокнах. Пройдя по волокнам, свет отражается зеркалами на концах волокон или набором зеркал, расположенных по длине волокна парами (в этом случае применяются методы мультиплексирования сигналов). Отражательные элементы, волокна и разветвители образуют интерферометр Майкельсона с подвижными зеркалами, что позволяет довольно точно определять разницу оптического пути света между опорным и измерительным волокнами. Интерференционный сигнал подается на второй интерферометр, длина одного из плеч которого изменяется с помощью подвижного зеркала. Сигнал со второго интерферометра регистрируется фотодетектором и передается на микроконтроллер, где анализируется. Для каждой пары отражателей наблюдается интерференционная картина с тремя пиками. Центральный пик образуется при равновесии двух плеч интерферометра Майкельсона, т.е. при отсутствии разности оптического пути. Боковые пики соответствуют положению подвижного зеркала, когда разность оптического пути соответствует оптической разности хода в первом интерферометре. Таким образом, разность между положением центрального и боковых пиков соответствует разности плеч первого интерферометра, т.е. смещению измеряемого объекта. Положение пиков может быть определено с точностью до 2 мкм по длине волокна. Используя разветвители можно подключить к контрольному прибору большое количество датчиков, и тем самым контролировать состояние больших площадей (объемов).
Рисунок 5 – Конструкция датчика SOFO на базе интерферометра Майкельсона
2 Распределенные волоконно-оптические датчики
В построении распределенных волоконно-оптических датчиков используются эффекты, возникающие при распространении света в волокне: обратное рэлеевское рассеяние света, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, комбинационное (рамановское) рассеяние.
Использование распределенных датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента особенно привлекательно в тех приложениях, где требуется отслеживание единственной измеряемой величины в большом количестве точек или непрерывно по всей длине волокна. Примерами таких приложений могут служить: мониторинг напряжений в объемных структурах, таких как здания, мосты, плотины, резервуары-хранилища и пр., а также морские судна, нефтепромысловые платформы, самолеты и т.д.; наблюдение за профилем температуры в электрических силовых трансформаторах, генераторах, реакторных системах, печах, системах управления технологическими процессами или в системах для обнаружения пожара; определение утечки в трубопроводах, диагностика неисправностей и обнаружение аномалий магнитного (электрического) поля в энергораспределительных системах и системах охранной сигнализации; встроенные датчики в композитных материалах, используемые в реальном времени для оценки напряжения, вибрации и температуры в структурах и корпусах, особенно в аэрокосмической промышленности.
Датчики на основе рэлеевского рассеяния
При распространении света в оптическом волокне возникают потери из-за рэлеевского рассеяния, обусловленного случайными микроскопическими изменениями показателя преломления сердцевины оптического волокна. Часть излучения, которая рассеивается под углом 180º к направлению распространения (обратное рассеяние), удовлетворяет числовой апертуре волокна и возвращается к источнику. Подавая импульсный входной оптический сигнал в оптическое волокно и отслеживая изменения интенсивности возвращаемого из-за обратного рассеяния сигнала, можно определить профиль изменения коэффициента рассеяния волокна или затухание. На этом основана оптическая рефлектометрия во временной области (OTDR – Optical Time-Domain Reflectometry) – хорошо зарекомендовавший себя метод для определения мест повреждений (дефектов) и диагностики в волоконных системах коммуникаций. В измерительных системах оптическая рефлектометрия может использоваться для обнаружения обусловленных измеряемой величиной локальных изменений потерь или коэффициента рассеяния в измерительном волокне.
В распределенных датчиках с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента, основанных на рэлеевском обратном рассеянии, для измерений используется зависимость потерь или рассеяния света от измеряемой величины на отрезке оптического волокна, образующем протяженный датчик. Самый распространенный вид распределенных датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента основывается на регистрации областей, в которых локализованы избыточные потери, вызванные, например, микроизгибами.
Датчики на основе вынужденного комбинационного рассеяния
Структура распределенного волоконно-оптического датчика на основе температурной зависимости комбинационного (рамановского) рассеяния представлена на рис. 6. Комбинационное рассеяние света вызвано молекулярными колебаниями, на которые влияет температура. Следовательно, обратное рассеяние несет информацию о локализации температуры, указывая на места, где произошло рассеивание. Рамановское рассеяние содержит две частотные составляющие: стоксову и антистоксову компоненты. Интенсивность антистоксовой компоненты строго зависит от температуры, тогда как интенсивность стоксовой компоненты от температуры не зависит. Поэтому измерительные приборы на основе рамановского рассеяния отслеживают частоты соответствующих компонент и регистрируют отношения между их интенсивностями. Таким образом, по интенсивности антистоксовой компоненты определяют величину температуры, а по времени прихода сигнала – местоположение оказываемого температурного воздействия. Основной недостаток датчиков подобного типа в том, что из-за низкого коэффициента рамановского рассеяния – примерно на три порядка более слабого по величине, чем рэлеевское – возникает необходимость использования входного сигнала большой мощности и длительного усреднения регистрируемого сигнала обратного рассеяния.
В датчиках подобного типа в основном используются одномодовые оптические волокна. Однако известны конструкции датчиков на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния на многомодовом волокне, которые позволяют измерять температуру с точностью до 1ºС и пространственным разрешением менее одного метра при радиусе измерения до 10 км.
Рисунок 6 – Схема датчика для распределенных измерений температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния
Датчики на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна
Одним из эффектов, широко используемых в измерительной технике, является рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна является результатом взаимодействия оптических и звуковых волн в среде. Свет рассеивается на флуктуациях плотности среды, возникающих из-за наличия в среде упругих возмущений (звуковых волн). Свет на этой движущейся решетке дифрагирует назад, что приводит к смещению его частоты, аналогично доплеровскому сдвигу. Поскольку изменение частоты рассеянного света происходит вследствие эффекта Доплера, оно определяется величиной скорости звуковых волн. Так как скорость звука в среде зависит от температуры, то, измеряя изменение частоты в рассеянии Мандельштама-Бриллюэна, можно производить измерения температуры вдоль волокна. Поскольку при растяжении или сжатии волокна изменяется плотность материала, это также приводит к изменению скорости звуковых волн и, тем самым, к изменению частоты рассеянного излучения. Поэтому на основе эффекта Мандельштама-Бриллюэна можно создавать волоконно-оптические датчики давления или деформации.
В ряде конструкций распределенного датчика температуры на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна вместо отраженного или рассеянного оптического сигнала, вернувшегося из волокна, анализируются сигнал накачки и сигнал зондирующего излучения. В таких датчиках используются два лазера, один из которых создает излучение накачки, а второй (зондирующий) ‑ излучение на частоте стоксовой линии спектра бриллюэновского рассеяния. Измерения сдвига частоты после прохождения излучением исследуемого волокна позволяют судить о величине механического напряжения вдоль волокна по величине частотного сдвига, напрямую связанного с частотой звуковых колебаний в волокне.
При использовании рефлектометрии во временной области точность пространственного разрешения места воздействия внешнего возмущения ограничена шириной импульса накачки. Использование более коротких импульсов лимитировано временем жизни фотонов 10 нс (это соответствует пространственному разрешению 1 м). Обойти это ограничение можно, используя методы математической обработки сигналов.
Акустические волны можно генерировать при возбуждении в волокне двух встречно распространяющихся оптических волн с разностью частот равных бриллюэновскому сдвигу. Из-за электрострикции эти две волны вызывают бегущую акустическую волну, что усиливает населенность фононов. По интенсивности отраженного оптического импульса и времени его прохождения можно определить профиль бриллюэновского сдвига частоты по длине волокна. Такие датчики имеют преимущество перед рамановскими датчиками, поскольку используют более мощный сигнал. Но для получения такого сигнала требуется синхронизация двух лазерных источников. В одной из схем распределенной сенсорной системы на бриллюэновском рассеянии с используется только один источник излучения и интегрально-оптический модулятор. Лазерный источник в этом случае одновременно генерирует две волны, что обеспечивает устойчивое различие их частот.
В других схемах используется измерение профиля температуры и напряжений по длине волокна в частотном домене на основе бриллюэновского рассеяния. В этом случае оценивается изменение амплитуды и фазовые сдвиги лазерного сигнала, синусоидально модулированного по интенсивности, на эквидистантных частотах модуляции. Такой подход позволяет уменьшить влияние шумовой составляющей на результаты измерения.
3 Квазираспределенные волоконно-оптические датчики
Для создания систем квазираспределенных датчиков в волоконно-оптическую линию включается ряд специально создаваемых дискретных чувствительных элементов, в которых под действием внешних условий осуществляется модуляция интенсивности, фазы или спектра излучения. Такими чувствительными элементами могут быть брэгговские дифракционные решетки, интерферометры Маха-Цендера, интерферометры Фабри-Перо и т.д.
В простейшем случае квазираспределенный датчик – это модифицированные фрагменты волокна, встроенные непосредственно в длинное волокно через определенные интервалы для создания локальных изменений потерь, интенсивности обратного рассеяния, поляризации, интенсивности свечения и т.д. Например, для создания квазираспределенного датчика температуры в протяженное волокно в некоторых местах включают фрагменты волокна, активированного редкоземельными элементами. В другом варианте в протяженное волокно могут быть включены фрагменты волокна, оболочка которых модифицирована так, что позволяет измерять изменения внешнего показателя преломления через изменения затухающего поля. Этот метод может применяться для измерения множества параметров, таких как температура, утечка жидкостей, или в качестве химического индикатора. Другим примером использования механизма потерь для квазираспределенных измерений различных параметров, таких как сила, давление и смещение, могут служить микроизгибы. В этом случае потери могут быть созданы в любом требуемом месте волокна, если пропустить волокно через подходящее зажимное приспособление, деформирующее его. Такие устройства, основанные на квазираспределенных измерениях, отличаются от распределенных датчиков с волокном в качестве чувствительного элемента только тем, что измеряемая величина в них может быть определена только в конечном количестве позиций, а не непрерывно вдоль всей длины волокна. Однако дополнительным преимуществом такого подхода по сравнению с распределенными измерениями является большая гибкость: чувствительные элементы различной длины и/или активированные различными примесями и/или различными концентрациями примесей могут встраиваться в систему в различных местах, что обеспечит различные диапазоны, уровни чувствительности или разрешения, в зависимости от того, что требуется для данного конкретного приложения.
Наиболее распространенным типом квазираспределенных датчиков являются датчики с использованием волоконных брэгговских решеток. Волоконные решетки являются практически единственным типом сенсорных элементов, которые легко могут быть объединены в массивы путем мультиплексирования по длине волны. Для этого каждый сенсорный элемент записывается со своим уникальным периодом, что позволяет различать их по спектру при анализе и, соответственно, фиксировать показания каждого сенсора отдельно. Количество сенсоров в массиве, в основном, ограничивается спектральной шириной источника, числом каналов по длинам волн и динамическим диапазоном анализатора.
Список использованных источников
1. Леденев, В.В. Обследование и мониторинг строительных конструкций зданий и сооружений: учебное пособие / В.В. Леденев, В.П. Ярцев. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. – 252 с.
2. Соломонов, В.В. Обеспечение огнестойкости и огнесохранности при проектировании монолитных железобетонных перекрытий высотных зданий / В.В. Соломонов, И.С. Кузнецова // Пожарная безопасность в строительстве. – 2011. – № 1. – С. 32–34.
3. Гармаш, В.Б. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении / В.Б. Гармаш [и др.] // «Фотон-экспресс» – Наука. – 2005. – № 6. – С. 128–140.
4. Бурсов, Н.Г. Мониторинг как инструмент безопасности технически сложных, уникальных, высотных объектов [Электронный ресурс] / Н.Г. Бурсов [и др.] // Архитектура и строительство. – 2011. – № 2 (220). – Режим доступа: http://ais.by/story/12620. – Дата доступа: 22.06.2017.
5. Якимов, С.П. Риски и причины возникновения техногенных катастроф, аварий и инцидентов на опасных производственных объектах Республики Беларусь / С.П. Якимов // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. – 2017. – № 2 (1). – С. 238–244.
6. Inaudi, D. Fiber optic sensors for structural control / D. Inaudi, A. del Grosso // Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering, 12–17 October 2008. – Beijing, China, 2008. – Paper № S25-013.
7. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Э. Удд. Пер. с англ. И.Ю. Скардина. – Москва: Техносфера, 2008. – 520 с.
8. Гончаренко, И.А. Датчики контроля состояния инженерных и строительных конструкций на основе оптических волноводных структур / И.А. Гончаренко, В.Н. Рябцев // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. – 2013. – № 2 (18). – С. 118–132.
9. Рябцев, В.Н. Контроль напряженно-деформированного состояния несущих конструкций с целью обеспечения безопасности при эксплуатации высотных зданий / В.Н. Рябцев // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. – 2015. – № 1 (21). – С. 11–16.
