Reklama

Praktické využití a princip činnosti optovláknových FBG senzorů

Ing. Radim Šifta, Ph.D., NETWORK GROUP, s.r.o.

Recenzovaný

Článek popisuje speciální typy optovláknových senzorů založených na FBG (Fiber Bragg Grating) a FP (Fabry–Perót) strukturách. V úvodu článku je popsán princip FBG mřížek a možnosti jejich zápisu. Následně jsou popsány typy FBG a FP senzorů a princip činnosti vyhodnocovacích jednotek. Závěrem článku jsou uvedeny příklady praktického využití těchto senzorických systémů.

Reklama

1. Úvod

Tento článek navazuje na předchozí díl „Optovláknové senzory a možnosti jejich využití“ a zaměřuje se na konkrétní typ bodových senzorů, jež nacházejí v praxi největší uplatnění. Jak již bylo popsáno v předchozím díle, bodové senzory měří danou veličinu pouze v určité, většinou jen několik milimetrů až centimetrů dlouhé části vlákna, kde je vytvořena měřicí FBG struktura. V případě těchto senzorů je světelné záření modulováno vnitřní modulací, kde modulace světelného záření probíhá přímo v optickém vlákně. Tyto typy senzorů se používají buď pro tzv. signle-end měření, kde je ke každému měřicímu kanálu vyhodnocovací elektroniky připojen pouze jeden senzor (pro FP je to jediná možná konfigurace), nebo mohou být FBG vytvořeny za sebou na jednom vlákně – do série. Při tomto zapojení bodových senzorů pak vzniká semi-distribuovaný senzor, který může mít dle měřené veličiny a spektrálního rozsahu vyhodnocovací elektroniky až desítky měřicích bodů.

2. FBG senzory

Obr. 1. Princip činnosti FBG [1]

Vláknové mřížky (FBG) jsou tvořeny periodickou změnou indexu lomu jádra podél osy vlákna s periodou Λ a amplitudou δn. Tato periodická struktura tvoří rozložené Braggovo zrcadlo (DBR – Distributed Bragg Reflector), které váže procházející a odražené optické záření [1]. Vláknová mřížka tak periodicky mění fázi a intenzitu procházející, nebo odražené, světelné vlny. Braggova vláknová mřížka s naznačeným průběhem vstupních a výstupních signálů je schematicky znázorněna na obr. 1.

Vlnová délka, při které se světlo odráží s největší efektivitou, se nazývá Braggova rezonanční vlnová délka, λ_Bragg. Závislost mezi Braggovou rezonanční vlnovou délkou a prostorovou periodou mřížky je dána vztahem [1]:

(1) [nm]

kde λ_Bragg [nm] je Braggova rezonanční vlnová délka, n_eff je efektivní vidový index, Λ je prostorová perioda mřížky a N je přirozené číslo vyjadřující řád periody mřížky [1].

Zjednodušeně řečeno, vláknové mřížky fungují jako optické pásmové filtry – odráží optické záření o vlnové délce blízké Braggově rezonanční vlnové délce, záření ostatních vlnových délek propouští. Přenos mřížky je ale ve skutečnosti ovlivněn mnoha vstupními parametry, jejich vhodnou změnou lze dosáhnout požadované odezvy [1].

Obr. 2: FBG v akrylátovém vláknu včetně obnovené primární ochrany [3]

FBG struktury se zapisují nejčastěji UV laserem pomocí bočního osvitu skrze fázovou masku zářením s velkou intenzitou. Pro zápis je možné použít speciální optická vlákna s vysokým obsahem germania (GeO), mnohem častěji se ale používají běžná telekomunikační vlákna G.652 anebo G.657. Aby bylo možné je použít, je nezbytné dopovat je vodíkem, čímž dojde ke zvýšení fotocitlivosti pro UV záření laseru. To se provádí tzv. hydrogenací, při které se vlákna dopují několik dnů pod velkým tlakem vodíkem. V dalším kroku je nutné odstranit primární ochranu vláken, což je možné provézt mechanicky, horkým vzduchem nebo chemicky (kyselinou), v závislosti na tom, zda je primární ochrana akrylátová (bežně používaný typ) nebo polyimidová (mechanicky a teplotně odolnější). Následuje samotná expozice FBG mřížky, po které je třeba co nejdříve obnovit primární ochranu vláken pomocí tzv. recoatingu. To se provádí pomocí specializovaných zařízení dle požadovaného typu recoatu (obnovená primární ochrana). Jako finální krok výroby je stabilizace parametrů v peci [2].

Moderním způsobem je rovněž zápis metodou bod po bodu pomocí femto sekundového laseru. V tomto případě je FBG struktura vytvářena zaostřením optického svazku přímo do jádra vlákna, a není tak nutné vlákno zbavovat jej primární ochrany, čímž zůstane zachována velká mechanická pevnost v porovnání s běžným zápisem.

Obr. 3: Princip přelaďování FBG mřížek [5]

Jak již bylo zmíněno, FBG fungují jako pásmové filtry, čehož se hojně využívá v telekomunikačních sítích v systémech vlnového multiplexu WDM (Wavelength Division Multiplex) nebo jako kompenzátory chromatické disperze. Zde je však nutné zajistit, aby na FBG nebylo přenášeno žádné mechanické napětí a okolní teplota byla konstantní, aby tak nedocházelo ke změně Braggovi vlnové délky λ_Bragg. Tu je totiž možné měnit právě změnou okolní teploty, nebo mechanickým protažením / smrštěním (viz obr. 3), protože dojde ke změně periody mřížky [4]. Tohoto principu je využito právě v FBG senzorech, kde je Braggova vlnová délka modulovaná měřenou veličinou. Vhodnou úpravou pouzdra konkrétního senzoru a nakalibrování je pak pomocí FBG možné měřit teplotu, tlak, tah, mechanické deformace, vibrace, náklon, zrychlení apod. Další uplatnění naleznou FBG ve vláknových laserech a zesilovačích.

Spektrální citlivost FBG na teplotu je 10 pm/°C, citlivost na tah je 1,3 pm/µɛ (mikro strain). Obecně platí, že pokud FBG využíváme k měření jakékoliv jiné veličiny než teploty, je nutné provézt teplotní kompenzaci, tzn. v pouzdře jednoho (např. tahového) senzoru musí být jedna FBG fixována pro měření tahu a druhá (volná, nefixovaná) pro měření teploty. Následná kompenzace je pak provedena softwarově ve vyhodnocovací jednotce, tzv. interrogátoru, případně dále v PC.

Princip přelaďování FBG v optických senzorech je znázorněn na obr. 1 a obr. 3. Širokospektrální optický signál vstupuje do optického vlákna, kde se šíří k FBG. FBG dle dané Braggovy vlnové délky odráží světlo odpovídající vlnové délky zpět, ostatní vlnové délky se šíří dopředně dále, což je v podstatě princip optického filtru. V telekomunikacích se používají oba směry přenosu, kdežto pro senzorické účely se vyhodnocuje pouze odražený signál. Při působení na FBG strukturu změnou teploty nebo mechanickým namáháním dochází ke změně Braggovy vlnové délky odraženého signálu, jehož vlnová délka se vyhodnocuje. Vhodným zapouzdřením FBG je pak možné měřit celou řadu veličin [5].

Na obr. 4 je ukázka teplotních senzorů, které je díky malým rozměrům možné implementovat i do injekčních jehel. Závislost vlnové délky na teplotě je v celém průběhu téměř lineární, a díky vhodné kalibraci je pak chyba měření konstantní v celém měřícím rozsahu. Běžné rozsahy měřených teplot se pohybují od −40 °C do 100 °C při použití akrylátových vláken, −40 °C až 250 °C při použití vláken s polyimidovou primární ochranou. Speciálně upravené senzory je pak možné použít na měření vyšších teplot i nad 500 °C. Přesnost měření je dána zejména přesností interrogátoru, a pohybuje se řádově v desetinách stupně Celsia. Kromě běžných teplotních senzorů v různých pouzdrech je také velice významné měření gradientu teploty, zejména v betonových a železobetonových konstrukcích. Ukázka takového senzoru je na obr. 3 (napravo). Senzor sestává ze dvou měřicích, vzájemně tepelně izolovaných bodů, vzdálených o několik centimetrů dle konkrétní aplikace. Díky tomu je možné měřit gradient teploty v různých stavbách.

Obr. 4a: Ukázka teplotních FBG senzorů v nerezových pouzdrech [3]

Obr. 4b: Ukázka gradientního teplotního senzoru [3]

Obr. 4: Ukázka teplotních FBG senzorů v nerezových pouzdrech (nalevo) a gradientního teplotního senzoru (napravo) [3]

Dalším velice používaným typem senzorů jsou tahové senzory, jejichž příklad je uveden na obrázku 5. Tahové senzory se nejčastěji používají pro měření změny délky betonových, železobetonových nebo kovových konstrukcí. Přesnost těchto senzorů je dána jejich fyzickou délkou a pohybuje se od desetin až po jednotky mikrometrů. Tím je možné měřit velice malé změny délky a predikovat tak nežádoucí stav u důležitých staveb a konstrukcí, a předejít tak možným katastrofám. Tahové senzory se používají pro měření mostních konstrukcí, kontejnmentů reaktorů jaderných elektráren, tunelů, vodních hrází, budov a všude tam, kde jde to významné. Měřící rozsah se pohybuje v rozmezí 2000–6000 µϵ (mikro je poměrová jednotka vyjadřující protažení/smrštění jako poměr změny délky v mikrometrech ku původní délce v metrech) [3].

Obr. 5a: Ukázka tahového keramického FBG senzoru [3]

Obr. 5b: Ukázka tahového duralového FBG senzoru [3]

Obr. 5: Ukázka tahových FBG senzorů (keramický nalevo, duralový napravo) [3]

Kromě běžných tahových senzorů se používají také tzv. displacement senzory. Tyto senzory měří také vzdálenost dvou bodů, ale měřící rozsah je od jednotek milimetrů až do jednotek centimetrů. Přenos měřené síly na FBG je proveden mechanickým převodem, nejčastěji pomocí pružiny. Tyto senzory se používají tam, kde dochází k výrazné změně délky měřené konstrukce, např. pohyb mostu na pilířích vlivem teplotní dilatace.

Kromě výše uvedených senzorů, které se používají nejhojněji, existují také další typy FBG senzorů. Jedná se o optické akcelerometry, senzory náklonu, vibrační senzory a senzory tlaku.

3. FP senzory

Senzory založené na Fabry–Pérotových rezonátorech mohou využívat různé metody vytvoření samotného rezonátoru. Nejčastěji je tento rezonátor vytvořen na rozhraní sklo–vzduch. FP rezonátory je možné stejně jako FBG vyhodnocovat spektrálně, dále pak interferometricky (FP interferometr), případně měřením odraženého výkonu. FP rezonátory se nejčastěji používají pro měření tlaku, avšak vhodnou úpravou pouzdra senzoru a membrány lze měřit také teplotu a mechanické napětí [6].

Obr. 6: Princip FP rezonátoru [5]

Obr. 7: Tlakový FP senzor s LTCC (Low-Temperature co fired) membránou [3]

Pro spektrální vyhodnocení je v podstatě měřena vzdálenost konce vlákna od membrány, která se v důsledku působení vnější veličiny deformuje. Odrazné plochy – zrcadla se vytvářejí dielektricky pomocí speciálních materiálů.

4. Vyhodnocovací elektronika

FBG interrogátory, neboli mřížkové vyhodnocovací jednotky, často se můžeme setkat i s pojmem FBG analyzátory, či evaluační jednotky. Všechna tato pojmenování označují zařízení, které slouží k vyhodnocování signálu ze senzorů založených na bázi FBG, někdy i FP.

Mnohdy dochází k záměně těchto interrogátorů za tzv. „spektrometry“ nebo „spektrální analyzátory“. Zásadní rozdíl mezi těmito typy zařízení je ten, že spektrální analyzátory (OSA – Optical Spectral Analyzer) vyhodnocují spektrum aktivních optických zařízení (nejčastěji laserů, nebo signálů z laserů, které byly dále modifikovány jinými aktivními nebo pasivními prvky). Laicky lze říci, že do spektrálního analyzátoru „svítíme“ optickým signálem a OSA nám zobrazí spektrum tohoto signálu. OSA pracují na principu rozkladu optického záření na pevné nebo rotační difrakční mřížce a následným skenováním rozloženého spektra fotodetektorem.

FBG interrogátory na rozdíl od OSA obsahují vlastní zdroj optického záření, často širokospektrálního zdroj ASE (Amplified Spontaneous Emission) nebo S-LED (Superluminescent light-emitting diodes). Tento širokospektrální zdroj světla se prostřednictvím cirkulátoru šíří k FBG senzorům. Na základě Braggovy vlnové délky použité FBG mřížky se odráží optický signál na této vlnové délce. Spektrum odraženého signálu koresponduje s tvarem FBG mřížky. Odražený signál je v interrogační jednotce vyhodnocen na fotodetektorech nebo CCD (Charge-Coupled Device) snímačích.

Pro řetězení více FBG snímačů za sebou, nebo paralelně se používá vlnový multiplex. Každá použitá FBG na jednom fyzickém kanále interrogátoru má svoji vlnovou délku. Je tak možné umístit mřížky za sebe v libovolném rozestupu a jejich maximální počet je omezen spektrálním rozsahem interrogátoru a měřícím rozsahem senzoru. Důležité je však dodržovat spektrální rozestup mřížek tak, aby nedocházelo k jejich vzájemnému překrytí.

FBG interrogátor s CCD snímačem

Obr. 8: Princip FBG interrogátoru s CCD snímačem [3]

Tento typ interrogátorů využívá širokospektrální optický zdroj světla, jehož signál se prostřednictvím distribuční infrastruktury šíří k vlastním senzorům – FBG mřížkám. Odražené signály z FBG mřížek dopadají na disperzní prvek – difrakční mřížku, která odráží různé složky dopadajícího záření na různé polohy CCD snímače. Poloha pak určuje konkrétní vlnovou délku FBG mřížky. Tato metoda dosahuje poměrně rychlého měření všech FBG mřížek, nedosahuje ale tak dobrého rozlišení, přesnosti a odstupu signálu od šumu (OSNR – Optical Signal to Noise Ratio) jako interrogátory s laditelnými lasery (viz níže). Pro zvýšení přesnosti měření a jeho rozlišení často výrobci umožňují nastavení skenování v menším spektrálním rozsahu, čímž je využita stejná plocha CCD snímače pro menší spektrální oblast, a tudíž je možné ji přesněji vyhodnotit.

FBG interrogátor s laditelným laserem a fotodetektory

Obr. 9: Princip FBG interrogátoru s laditelným laserem [3]

Laditelný laser koncentruje energii na rozdíl od širokospektrálního zdroje do úzkého svazku, čímž je dosaženo, že na FBG mřížku dopadá signál s vyšším výkonem, a tím pádem je podstatně zlepšeno OSNR. Úzkopásmový signál je přelaďován v celém rozsahu vlnových délek (použitého laseru) a synchronně s tím jsou odražené signály z FBG mřížek detekovány fotodetektory. V momentě, kdy se shoduje vlnová délka laditelného laseru s Braggovou vlnovou délkou FBG mřížky, dopadá na fotodetektor optický signál s maximální intenzitou. Tímto způsobem je změřena celá výkonová odezva, která svým tvarem koresponduje se spektrálním profilem FBG mřížky. Tento typ interrogátorů dosahuje vysokého rozlišení ≤ 0,1 pm s absolutní přesností ≤ 1 pm. Další nespornou výhodou je také velký výkon laseru, díky kterému dosahují tyto interrogátory velkého dynamického rozsahu a vlastní senzory mohou být umístěny dále než 10 km.

5. Výhody FBG senzorů a jejich aplikace

Optovláknové senzorické systémy založené na FBG senzorech a interrogátorech nesou celou řadu výhod (v porovnání s přenosem el. signálu), které plynou ze samotného principu přenosu optického signálu optickým vláknem. Optické vlákno je nevodivé – dielektrické, a je tudíž zcela imunní vůči elektromagnetickému záření. Stejně tak je možné vláknové senzory použít i ve výbušném prostředí. Díky malému vložnému útlumu optického vlákna (0,02 dB/km @ 1550 nm) je možné umístit senzory až několik kilometrů od vyhodnocovací elektroniky bez ztráty kvality signálu. Mezi další výhody patří malé rozměry, nízká hmotnost, vysoká citlivost a dlouhodobá stabilita a opakovatelnost parametrů v širokém rozsahu pracovních teplot s možností multiplexování velkého množství senzorů.

Obecně se optovláknové senzorické systémy s FBG senzory využívají zejména pro:

Měření teploty, tlaku, tahu, mechanických deformací, náklonu, hmotnosti a dalších veličin v pokročilých průmyslových aplikacích
Monitorování stavebních a geo útvarů (mosty, tunely, budovy apod.)
Monitorování kritických infrastruktur (jaderné elektrárny, produktovody, vodní hráze)
Systémy vážení vozidel v silniční dopravě – WIM (Weighing in motion)
Železnice – monitorování pohybu vlakových souprav, detekce plochých kol, apod.
Energetika – monitoring VVN, vinutí transformátorů, elektromotory
Stavebnictví – implementování FBG senzorů do namáhaných prvků
Aerospace a avionika
Lékařství

5. Závěr

Díky neustálému snižování cen optoelektronických komponent v telekomunikacích a rozšiřování technologií optických sítí od páteřních linek až po přístupové sítě dochází k masivnímu rozmachu optovláknových senzorů, které často využívají komponenty derivované z komunikačních technologií. Do této skupiny patří také FBG senzory. Z hlediska praktického využití nacházejí široké pole uplatnění a v mnoha aplikacích jsou nenahraditelné, a to jak z hlediska odolnosti vůči elektromagnetickému rušení, ale také díky svojí dlouhé živostnosti, časově stálým parametrům, opakovatelnosti a citlivosti, kterou nelze dosáhnout jinými typy senzorů. Díky těmto vlastnostem se FBG senzory čím dál více prosazují ve významných aplikacích, které mohou významně zvýšit bezpečnost.

6. Literatura

HELÁN, Radek. Modelování a optimalizace komplexních vláknových difrakčních struktur. Brno, 2009, 128 s. Disertační práce. VUT v Brně. Vedoucí práce doc. Ing. František Urban, CSc.
LaRochelle, S., Cortes, P. Y., Fathallah, H., Rusch, L. A., Ben Jaafar, H.: Writing and applications fiber Bragg gratings arrays, 2000.
NETWORK GROUP, s.r.o., interní materiály, 2020.
Ghatak, K.; Thyagarajan, A.: Introduction to Fiber Optics. New Delhi: Cambridge University Press, 1999.
ŠIFTA, R. Optovláknové senzorické systémy In Automa: Časopis pro automatizační techniku. Praha: FCC Public., 2020. ISSN 1210-9592.
FILKA, Miloslav. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Druhé, rozšířené vydání. Brno: prof. Ing. Miloslav Filka, Csc. a kol., 2017. ISBN 978-80-86785-14-1.

English Synopsis

Fiber-optic FBG Sensors

The paper describes special types of fiber optic point sensors based on FBG (Fiber Bragg Grating) and FP (Fabry-Perót) structures. First part of the paper deals with principle of FBG and FP and their exposition. Next part is focused on different types of FBG and FP sensors and principle of interrogation units. Finally practical examples of use are listed.