ния контроллером регулируется на основе предоставления прав доступа по аккаунтам пользователей. При этом конечный потребитель не имеет возможности каким-либо образом регулировать работу измерительной системы, он имеет доступ только к измерительной информации, в то время как оператор имеет полный доступ и к просмотру данных, и к управлению системой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана АСКЭУ распределенных измерительных устройств, использующая в своей основе web-интерфейс вместо специализированного рабочего места.
АСКЭУ позволяет обеспечивать универсальность и простоту доступа
к измерительной информации как операторов, так и конечных пользователей на основе различных уровней прав доступа, определяемых на стороне сервера.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 34.602-89. Техническое задание на создание автоматизированной системы. — М.: Стандарт, 1990. — 23 с. [GOST 34.602—89. Terms of reference for the creation of an automated system. — Moscow: Standard, 1990. — 23 p. (In Russia)]
2. Марка Д. А., Макгоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. — М.: Метатехнология, ТОО ФРЭД, 1993. — 240 с. [Mark D, McGowan C. Methodology for structural analysis and design. — Moscow: Metatehnologija, TOO FRED, 1993. — 240 p. (In Russia)]
3. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1993. — 320 с. [Saaty T. Decisions. Analytic hierarchy / Trans. from English. — Moscow: Radio and Communications, 1993. — 320 p. (In Russia)]
4. Фатыхов Р. И, Шаров В. В. Программа контроля и управления измерительными устройствами на базе шины 1-Wire на основе использования последовательного порта. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615007 от 15.05.2014. [Faty-khov R. I., Sharov V. V. The program and control the measuring devices based on 1-Wire bus through the use of a serial port. Swee-mony of the state registration of the computer program № 2014615007 from 15.05.2014. (In Russia)]
УДК 681.7.068
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ИЗГИБА НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОД В ВОЛОКНЕ С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ1
A FIBER-OPTIC BEND SENSOR BASED ON MODE COUPLING IN A DOUBLE CLADDING FIBER
Иванов Олег Витальевич
д-р физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник E-mail: olegivvit@yandex.ru
Черторийский Алексей Аркадьевич
канд. техн. наук, зав. лабораторией E-mail: a-tchertor@yandex.ru
Ульяновский филиал института радиоэлектроники им. В. А. Котельникова РАН, г. Ульяновск
Аннотация: Разработан и исследован волоконно-оптический датчик изгиба, структура которого образована вставкой отрезка одномодового волокна SM630 с двойной оболочкой между стандартными волокнами SMF-28. Принцип действия датчика основан на преобразовании мод сердцевины и оболочки, связь между которыми происходит на стыке волокон, имеющих различные профили показателя преломления. Опрос датчика осуществляется двумя источниками с длинами волн 1328 и 1545 нм, на которых зависимости пропускания волокна от изгиба существенно различны. Показано, что предложенный датчик позволяет измерять изгибы с радиусами кривизны от метров до 23 см с погрешностью измерения кривизны порядка 3 %.
Ключевые слова: оптическое волокно, оболочечные моды, оптоволоконный датчик изгиба.
IvanovOleg V.
D. Sc. (Phys.Math.), Senior Researcher E-mail: olegivvit@yandex.ru
Chertoriyskiy Alexey A.
Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory E-mail: a-tchertor@yandex.ru
Ulyanovsk Branch of Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS, Ulyanovsk city
Abstract: Redevelop and investigate fiber-optic bend sensor, which is formed by a section of double cladding SM630 fiber between standard SMF-28 fibers. The principle of operation of the sensor is based on coupling of the fiber core and cladding modes at the splices of fibers having different refractive index profiles. We use two sources with wavelengths 1328 and 1545 nm to interrogate the sensor. The dependences of transmission on curvature at these wavelengths are significantly different. We show that the proposed sensor is able to perform measurements of curvature with radii from meters to 23 cm with accuracy of about 3 %.
Keywords: optical fiber, cladding modes, fiber-optic bend sensor.
1 Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 14.Z50.31.0015).
64
Sensors & Systems • № 9-10.2015
ВВЕДЕНИЕ
Широкий класс волоконно-оптических датчиков основан на использовании оболочечных мод оптического волокна. Такие датчики применяются для измерения температуры, деформаций различных типов, показателя преломления и химического состава среды и других параметров [1, 2]. Принцип действия указанных датчиков основан на высокой чувствительности оболочечных мод к внешним воздействиям, оказываемым на оптическое волокно, в оболочке которого распространяются указанные моды. Кроме того, оболочечные моды чувствительны к оптическим параметрам внешней среды, таким как показатели преломления и поглощения (усиления), что связано с распространением поверхностного поля оболочечных мод вдоль оболочки волокна, соприкасающейся с внешней средой.
Для того чтобы использовать оболочечные моды в датчиках, их необходимо каким-то образом возбудить, использовав энергию моды сердцевины, которая поступает из волоконной линии. Возбуждение может происходить резонансно, когда преобразование энергии происходит селективно для одной моды на одной длине волны, или не резонансно с возбуждением различных мод во всем рабочем диапазоне длин волн. Для резонансного возбуждения применяются длиннопериодные решетки и в некоторых случаях брэгговские. Нерезонансное возбуждение оболочечных мод происходит на дефектах в структуре волокна, таких как смещенное соединение волокон, тейпер, соединение волокон с сильно несогласованными профилями.
Последовательно создав два дефекта структуры в одном волокне, получают структуры типа интерферометра, в которых свет интерферирует после прохождения через сердцевину и оболочку, как через два плеча интерферометра. Такие структуры находят применение в датчиках натяжения, температуры, изгиба и других [3]. В структурах с двумя дефектами могут наблюдаться и не интерференционные эффекты, а эффекты преобразования мод [4, 5].
Ранее нами была предложена новая структура подобного типа, основанная на вставке волокна 8М630 с двойной оболочкой и малой сердцевиной между стандартными волокнами [6—9]. В спектре пропускания исследованной структуры наблюдаются широкие провалы, связанные со сближением постоянных распространения волоконных мод [4, 5]. Как было показано, положение провалов зависит от кривизны волокна [7]. В данной работе указанная зависимость используется для создания датчика изгиба. Метод опроса датчика основан на схеме сравнения оптического пропускания на двух различных длинах волн. В качестве источников света применены светодиоды, работающие на стандартных длинах волн, используемых в телекоммуникации. Исследуется диапазон значений изгиба, доступных для измерения с помощью предлагаемого датчика, а также точность измерений.
СТРУКТУРА НА ОСНОВЕ ВОЛОКНА С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ
Используемая для создания датчика волоконно-оптическая структура образована вставкой отрезка волокна 8М630 фирмы 3М8рес1а11уОр!1саШ1Ьге между двумя отрезками стандартного волокна SMF-28 (гсо = 4,2 мкм, А = 0,36 %, ^ = 0,14 %, Хсто£ = 1260 нм). Стыки отрезков волокна соединяются при помощи обычного аппарата для сварки оптических волокон.
Волокно SM630, используемое в качестве вставки, как показали измерения его профиля показателя преломления, имеет внутреннюю оболочку с показателем преломления п1пп ниже показателя преломления внешней оболочки пс1: пс1 — щпп = 0,0043. Радиус внутренней оболочки составляет 25 мкм. Сердцевина волокна имеет радиус более чем вдвое меньший радиуса стандартного волокна: гсо = 1,8 мкм. Разница между показателями преломления сердцевины псо и внутренней оболочки составляет псо — Гпп = 0,0054.
На первом стыке волокон SMF-28 и SM630, имеющих различные параметры сердцевины, мощность из моды сердцевины волокна SMF-28 распределяется между модами второго волокна вследствие того, что профили мод двух волокон различны. От первого стыка моды распространяются по отрезку волокна SM630 ко второму стыку. При этом часть энергии рассеивается в результате передачи ее модам высоких порядков, имеющим высокие потери на поверхности волокна, и излу-чательным модам.
На втором стыке моды волокна SM630 преобразуются в моду сердцевины волокна SMF-28, где интерферируют друг с другом. Там же часть излучения попадает в оболочку волокна SMF-28, где теряется, не возвращаясь в его сердцевину. Вставка волокна SM630 была окрашена черной краской, что необходимо для увеличения потерь мод высоких порядков и устранения их интерференционных вкладов. Схема распространения излучения в структуре представлена на рис. 1.
Исследования описанной структуры, проведенные ранее [6], показали, что в ее спектре присутствуют два основных провала на длинах волн 1185 и 1450 нм. Также была обнаружена особенность структуры, заключающаяся в том, что спектры пропускания сильно изменяются при изгибе волокна-вставки [10]. Так, при увеличении кривизны волокна провалы смещаются в длинновол-
ь
1-1-^
8МБ-28 ЭМбЗО 8МБ-28
Рис. 1. Схема распространения световых лучей в волоконной структуре
-16
1100 1200 1300 1400 1500 Длина волны, нм а)
1600
1700
-5
-10
и -15
ч.
и -20
& -25
о
о.
И -30
-35
^0
1300
-Д = оо
-----80 см
........56 см
-------45 см
---------39 см
..........34 см
----------31 см
----------28 см
------26 см
.........24 см
-23 см
1320
1340 1540 Длина волны, нм б)
1560
1580
Рис. 2. Полный спектр структуры (а) и эволюция спектров в двух рабочих диапазонах при изменении радиуса кривизны волокна от бесконечности до 23 см (б)
новую область, и их глубина растет. На рис. 2 показаны полный спектр (а), а также эволюция спектра пропускания в двух диапазонах — от 1300 до 1350 нм и от 1530 до 1580 нм для структуры длиной 14 см при уменьшении радиуса кривизны от бесконечности до 23 см (б). Выбор данных диапазонов обусловлен их ис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.