Ключевые слова
Аннотация
В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование двух оптоволоконных методов температурного контроля промышленного оборудования: на основе волоконных брэгговских решёток (FBG) и интерферометра Фабри–Перо (Fabry–Pérot). Разработана экспериментальная установка для сравнительного анализа температурной чувствительности, линейности, гистерезиса и долговременной стабильности обоих типов датчиков в диапазоне 20–180°C. Установлено, что FBG-датчики обладают температурной чувствительностью около 10,8 пм/°C с высокой линейностью (R² > 0,999) и низким гистерезисом, тогда как интерферометры Фабри–Перо демонстрируют повышенную чувствительность (до 15 пм/°C для интринзик-структур), но имеют больший дрейф показаний. Показано, что FBG-датчики предпочтительны для многоточечного мультиплексированного контроля температуры в силовых трансформаторах и электротехнических установках благодаря возможности размещения до 20 датчиков на одном оптическом волокне.
Интерферометры Фабри–Перо целесообразно применять для точечных измерений в условиях сильных электромагнитных помех, где требуется высокая локальная чувствительность.
Библиографические ссылки
Orr P., et al. Power transformer health assessment using fiber Bragg grating sensors // IEEE Transactions on Power Delivery. — 2020. — Vol. 35, № 3. — P. 1234-1242.
Сидоров А.И., Панфилов С.Б. Датчики на волоконных брэгговских решётках для энергетики // Известия РАН. Серия физическая. — 2019. — Т. 83, № 8. — С. 1124-1129.
Kenny R., et al. Distributed temperature sensing for power cable monitoring // Sensors. — 2021. — Vol. 21, № 4. — P. 1456.
Новиков С.Г., Кузнецов А.В. Проблемы применения традиционных датчиков температуры в высоковольтных устройствах // Электротехника. — 2018. — № 5. — С. 32-38.
Rao Y.J. In-fibre Bragg grating sensors // Measurement Science and Technology. — 1997. — Vol. 8, № 4. — P. 355375.
Kersey A.D. A review of recent developments in fibre optic sensor technology // Optical Fibre Technology. — 1996.
— Vol. 2, № 3. — P. 291-317.
Hill K.O., Meltz G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview // Journal of Lightwave Technology. — 1997. — Vol. 15, № 8. — P. 1263-1276.
Lee C.E., Taylor H.F. Fiber-optic Fabry–Pérot temperature sensor using a low-coherence light source // Journal of Lightwave Technology. — 1991. — Vol. 9, № 10. — P. 1296-1302.
Othonos A., Kalli K. Fibre Bragg Gratings: Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing. — Boston: Artech House, 1999. — 433 p.
Зубов В.И., Мельников А.Г. Мониторинг температуры силовых трансформаторов с помощью FBG-датчиков // Приборы. — 2022. — № 3. — С. 45-51.
Murphy K.A., et al. Quadrature phase-shifted, extrinsic Fabry–Pérot optical fiber sensors // Optics Letters. — 1991. — Vol. 16, № 4. — P. 273-275.
Tsai W.H., Lin C.J. A novel structure for the intrinsic Fabry–Pérot fiber-optic temperature sensor // Journal of Lightwave Technology. — 2001. — Vol. 19, № 4. — P. 682-686.
Mihailov S.J. Fiber Bragg grating sensors for harsh environments // Sensors. — 2012. — Vol. 12, № 2. — P. 18981918.
Morey W.W., Meltz G., Glenn W.H. Fiber optic Bragg grating sensors // Proc. SPIE. — 1989. — Vol. 1169. — P.
i. 98-107.
Butter C.D., Hocker G.B. Fiber optics strain gauge // Applied Optics. — 1978. — Vol. 17, № 18. — P. 2867-2869.
Song M., et al. Simultaneous measurement of temperature and strain using a single fiber Bragg grating // Proceedings of SPIE. — 2018. — Vol. 10598. — P. 105980P.
Попов С.М., et al. Влияние типа оптического волокна на температурную чувствительность FBG // Оптика и спектроскопия. — 2020. — Т. 128, № 4. — С. 567-573.
Erdogan T. Fiber grating spectra // Journal of Lightwave Technology. — 1997. — Vol. 15, № 8. — P. 1277-1294.
Vaughan J.M. The Fabry–Pérot Interferometer: History, Theory, Practice and Applications. — Bristol: Adam Hilger, 1989. — 583 p.
Rao Y.J., Jackson D.A. Recent progress in fibre Optic low-coherence interferometry // Measurement Science and Technology. — 1996. — Vol. 7, № 7. — P. 981-999.
Yu B., Kim D.W. Fiber optic Fabry–Pérot sensors for detection of partial discharges in power transformers // Applied Optics. — 2013. — Vol. 52, № 25. — P. 6190-6200.
Born M., Wolf E. Principles of Optics. — 7th ed. — Cambridge University Press, 1999. — 952 p.
Sirkis J.S. Unified approach to phase-strain-temperature models for smart structure interferometric optical fiber sensors. Part 1: Development // Optical Engineering. — 1993. — Vol. 32, № 4. — P. 752-761.
Wang A., et al. Thermal effects upon the intrinsic Fabry–Pérot fiber optic sensor // Microwave and Optical Technology Letters. — 1992. — Vol. 5, № 7. — P. 303-306.
Chowdhury H.R., Han M. Fiber optic temperature sensor system using air-filled Fabry–Pérot cavity with variable pressure // Sensors. — 2023. — Vol. 23, № 6. — P. 3302.
Ляпин А.А., Баженов В.Г. Спектральные методы обработки сигналов оптоволоконных датчиков // Автометрия. — 2019. — № 2. — С. 15-24.
Corres J.M., Arregui F.J., Matias I.R. Design of intrinsically gain-flattened erbium-doped fiber amplifier // IEEE Photonics Technology Letters. — 2003. — Vol. 15, № 4. — P. 565-567.
Wang Y., et al. In-fiber Fabry–Pérot interferometer fabricated by femtosecond laser for temperature-insensitive strain measurement // Optics Express. — 2014. — Vol. 22, № 15. — P. 18757-18769.
Ran Z.L., et al. Miniature fiber-optic high-temperature sensors based on sapphire fibers // IEEE Sensors Journal. — 2013. — Vol. 13, № 5. — P. 1988-1991.
Петров В.Н., Соколов А.В. Методы калибровки оптоволоконных температурных датчиков // Измерительная техника. — 2021. — № 4. — С. 28-33.
ГОСТ Р 8.736-2011. ГСИ. Многоканальные электрические измерители температуры. Методы поверки.
Прокопенко В.Т., Пономаренко А.И. Алгоритмы обработки спектров FBG-датчиков // Системы обработки информации. — 2020. — № 1. — С. 78-84.
Wei C., et al. Precision of FBG-based temperature sensor for oil-immersed transformer monitoring // IEEE Sensors Journal. — 2021. — Vol. 21, № 18. — P. 20456-20463.
Сидоров А.И. Спектральные характеристики волоконных брэгговских решёток // Оптический журнал. — 2017. — Т. 84, № 6. — С. 18-25.
Li E. Temperature compensation of extrinsic Fabry–Pérot optical fiber sensors // Applied Optics. — 2014. — Vol. 53, № 36. — P. 8456-8461.
Морозов С.Ю., Иванов П.А. Экспериментальное исследование термических свойств FBG в диапазоне −50… +200°C // Научно-технический вестник. — 2019. — № 6. — С. 112-118.
Zhang W., et al. High-temperature fiber-optic Fabry–Pérot interferometric sensors // Review of Scientific Instruments. — 2018. — Vol. 89, № 2. — P. 025003.
Huang J., et al. In-fiber air-cavity Fabry–Pérot interferometer fabricated by femtosecond laser // Optics Express. — 2014. — Vol. 22, № 13. — P. 16139-16147.
Jiang M., et al. Temperature-compensated fiber optic Fabry–Pérot sensor for vacuum measurement // Sensors and Actuators A. — 2020. — Vol. 312. — P. 112114.
Wang J.N., Tang J.L. Ultra-sensitive strain sensor based on in-fiber rectangular air-gap // IEEE Photonics Technology Letters. — 2012. — Vol. 24, № 20. — P. 1841-1844.
Li J., et al. Ultrahigh-resolution fiber-optic temperature sensor based on all-silica Fabry–Pérot cavity // Optics Letters. — 2021. — Vol. 46, № 12. — P. 2892-2895.
Zhang Y., et al. An all-fiber diaphragm-based extrinsic Fabry–Pérot sensor for the measurement of pressure at ultralow temperature // Measurement Science and Technology. — 2022. — Vol. 33, № 4. — P. 045107.
Чернов А.В., Козлов В.Д. Дрейф показаний оптоволоконных датчиков температуры // Приборы и техника эксперимента. — 2020. — № 3. — С. 89-95.
Liu S., et al. High-resolution large-dynamic-range fiber-optic temperature sensor based on an all-sapphire transmissive FP cavity // IEEE Sensors Journal. — 2020. — Vol. 20, № 9. — P. 4807-4813.
Du Y., et al. Multi-point FBG temperature sensing system for power transformer monitoring // IEEE Access. — 2022. — Vol. 10. — P. 45678-45689.
Кузнецов Д.А. Многоточечные системы на FBG для мониторинга энергетического оборудования // Электрические станции. — 2021. — № 8. — С. 56-62.
Смирнова Е.П., Воронов В.В. Применение оптоволоконных датчиков в системах диагностики трансформаторов // Релейная защита и автоматизация. — 2023. — № 1. — С. 42-48.
Zhang T., et al. A review of Fabry–Pérot interferometric fiber optic sensors for structural health monitoring // Structural Health Monitoring. — 2021. — Vol. 20, № 4. — P. 1687-1721.
Ma C., et al. Extrinsic Fabry–Pérot interferometer sensor for the simultaneous measurement of high temperature and strain // IEEE Sensors Journal. — 2019. — Vol. 19, № 12. — P. 4561-4567.
Li C., et al. Fiber-optic temperature and pressure sensor based on air-gap Fabry–Pérot interferometer for down-hole application // Applied Optics. — 2020. — Vol. 59, № 5. — P. 1421-1427.
Huang Y., et al. Hybrid FBG/FP fiber optic sensor for simultaneous measurement of temperature and strain in harsh environments // Sensors and Actuators A. — 2022. — Vol. 341. — P. 113578.