PL229540B1 - Fibre-optic, preferably temperature sensor - Google Patents
Fibre-optic, preferably temperature sensorInfo
- Publication number
- PL229540B1 PL229540B1 PL408644A PL40864414A PL229540B1 PL 229540 B1 PL229540 B1 PL 229540B1 PL 408644 A PL408644 A PL 408644A PL 40864414 A PL40864414 A PL 40864414A PL 229540 B1 PL229540 B1 PL 229540B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- optical
- optical fiber
- optical fibers
- temperature
- coupler
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 95
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 17
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 15
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- ZNQVEEAIQZEUHB-UHFFFAOYSA-N 2-ethoxyethanol Chemical compound CCOCCO ZNQVEEAIQZEUHB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 50
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004416 surface enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Czujnik światłowodowy, zwłaszcza temperatury, charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej jedną matrycę czujników światłowodowych, zawierającą co najmniej jeden światłowód odniesienia, co najmniej dwa pomiarowe tory światłowodowe zawierające elementy pomiarowe w postaci światłowodów mikrostrukturalnych, o wypełnionych otworach do monitorowania zmian temperatury, która jest przyłączona do co najmniej jednego układu pomiarowego obejmującego co najmniej jedno źródło światła, do co najmniej jednego układu sprzęgaczy (2), oraz do co najmniej jednego układu detekcyjno-przetwarzającego (3).A fiber optic sensor, especially a temperature sensor, is characterized in that it comprises at least one fiber optic sensor array containing at least one reference optical fiber, at least two optical measurement paths containing measuring elements in the form of microstructured optical fibers with filled holes for monitoring temperature changes, which is connected to at least one measurement system including at least one light source, to at least one coupler system (2), and to at least one detection and processing system (3).
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest czujnik światłowodowy, zwłaszcza temperatury.The subject of the invention is a fiber optic sensor, in particular a temperature sensor.
Rozwój techniki światłowodowej zaowocował stworzeniem tzw. włókien fotonicznych (Photonic crystal Fiber) nazywanych również włóknami mikrostrukturalnymi. Istotną różnicą w stosunku do standardowych włókien światłowodowych jest istnienie w strukturze wewnętrznej kanałów powietrznych współliniowych z kierunkiem prowadzenia światła w powstałym falowodzie. Wielkość i rozmieszczenie tych otworów dają możliwość projektowania włókien o unikalnych własnościach optycznych. Oprócz modelowania struktury geometrycznej przekroju poprzecznego takiego włókna możliwe jest również wypełnianie otworów powietrznych substancjami gazowymi, ciekłymi i mieszaninami. Włókna fotoniczne dzieli się tradycyjnie na dwie grupy. Pierwsza z nich obejmuje włókna z powietrznym rdzeniem czyli tzw. włókna hollowcore, dla których propagacja wiązki świetlnej we włóknie odbywa się na zasadzie istnienia tzw. przerwy wzbronionej. Druga kategoria włókien, to włókna ze stałym rdzeniem (solid core PCF), dla których transmisja wiązki świetlnej może być tłumaczona w tradycyjny sposób. Dla obydwu typów włókien wprowadzenie materiału o odpowiednich parametrach optycznych pozwala na zmianę charakteru transmisji wiązki świetlnej.The development of fiber optic technology has resulted in the creation of the so-called photonic fibers (Photonic crystal Fiber) also called microstructural fibers. A significant difference compared to standard optical fibers is the existence of air channels in the internal structure that are collinear with the direction of light guide in the resulting waveguide. The size and arrangement of these openings make it possible to design fibers with unique optical properties. In addition to modeling the geometric structure of the cross-section of such a fiber, it is also possible to fill air holes with gaseous, liquid substances and mixtures. The photonic fibers are traditionally divided into two groups. The first one includes fibers with an air core, i.e. hollowcore fibers, for which the propagation of the light beam in the fiber takes place on the basis of the so-called no break. The second category of fibers are solid core PCF fibers, for which the transmission of the light beam can be translated in a traditional way. For both types of fibers, the introduction of a material with appropriate optical parameters allows for a change in the nature of the transmission of the light beam.
Wykorzystanie mikrostrukturalnych światłowodów, w których wypełniono otwory różnego rodzaju substancjami jest opisane m.in. w artykule pt. „Fluid -filled solid - core photonic bandgapfibers” autorstwa B.T. Kulemy i innych opublikowanego w Journal of Lightwave Technology, 2009. Dzięki wypełnieniu otworów włókien cieczą o odpowiednio dobranym współczynniku załamania i poddawaniu tak przygotowanego włókna zmiennym warunkom termicznym właściwości transmisyjne włókna mogą być zmieniane. W artykule zaprezentowano zmianę tłumienności w funkcji długości fali dla różnych temperatur.The use of microstructural optical fibers in which holes are filled with various substances is described, among others, by in the article entitled "Fluid-filled solid - core photonic bandgapfibers" by B.T. Kulemy et al., Published in the Journal of Lightwave Technology, 2009. By filling the holes in the fibers with a liquid with an appropriately selected refractive index and subjecting the thus prepared fiber to variable thermal conditions, the transmission properties of the fiber can be changed. The article presents the change of the attenuation as a function of the wavelength for different temperatures.
Przykład czujnika opartego na światłowodzie fotonicznym (nazwa równoznaczna światłowodom mikrostrukturalnym) jest znany m.in. z artykułu pt. „Temperaturę Sensing Based on Ethanol-Filled Photonic Crystal Fiber Modal Interferometer” autorstwa W. Qian i innych opublikowanego w czasopiśmie Sensors Journal 2012, (Volume 12, Issue 8 ). Na medium wypełniające otwory światłowodu fotonicznego autorzy wybrali etanol. Pomiar temperatury zrealizowano z wykorzystaniem modalnego układu interferometrycznego. W wyniku wypełnienia światłowodu fotonicznego etanolem uzyskuje się zwiększoną czułość na temperaturę.An example of a sensor based on a photonic optical fiber (the name is synonymous with microstructural optical fibers) is known, among others, from the article entitled "Temperaturę Sensing Based on Ethanol-Filled Photonic Crystal Fiber Modal Interferometer" by W. Qian et al. Published in Sensors Journal 2012, (Volume 12, Issue 8). The authors chose ethanol as the medium filling the openings of the photonic optical fiber. The temperature measurement was carried out with the use of a modal interferometric system. As a result of filling the photonic optical fiber with ethanol, an increased sensitivity to temperature is obtained.
Z artykułu pt. „Thermo-Optic Switching Effect Based on Fiuid-Filled Photonic Crystal Fiber” autorstwa Yiping W. i innych, opublikowanego w czasopiśmie Photonics Technology Letters (Volume 20, Numer 3, 2010) znany jest czujnik temperatury wykorzystujący światłowód fotoniczny, którego otwory są wypełnione cieczą w celu uzyskania czujnika typu ON-OFF. Opisywany czujnik progowy może pracować w zakresie 10 +/- 10°C. Wykorzystano włókno o zwiększonym współczynniku wypełnienia powietrzem (w stosunku do np. komercyjnie dostępnego włókna LMA-10).From the article entitled "Thermo-Optic Switching Effect Based on Fiuid-Filled Photonic Crystal Fiber" by Yiping W. et al., Published in the journal Photonics Technology Letters (Volume 20, Number 3, 2010), there is a known temperature sensor using a photonic optical fiber, the holes of which are filled with liquid in order to obtain an ON-OFF sensor. The described threshold sensor can operate in the range of 10 +/- 10 ° C. A fiber with an increased air filling factor was used (compared to e.g. the commercially available LMA-10 fiber).
Zjawiska zachodzące w światłowodzie mikrostrukturalnym o wypełnionych otworach pod kątem detekcji temperatury są przedmiotem dyskusji w artykule pt. „Coupling characteristics of a fluid-filled dual-core photonic crystal fiber based on temperaturę tuning” autorstwa C. Wei i innych, opublikowanego jako materiał konferencyjny (Communications and Photonics Conference and Exhibition, 2011). Autorzy badali propagację modów w strukturze światłowodu mikrostrukturalnego o dwóch stałych rdzeniach i wypełnionych otworach powietrznych. Substancja wypełniająca otwory powietrzne charakteryzowała się zmianą współczynnika załamania światła wraz ze zmianą temperatury.The phenomena occurring in the microstructural optical fiber with holes filled in terms of temperature detection are discussed in the article entitled "Coupling characteristics of a fluid-filled dual-core photonic crystal fiber based on temperature tuning" by C. Wei et al., Published as conference material (Communications and Photonics Conference and Exhibition, 2011). The authors investigated the mode propagation in the structure of a microstructured optical fiber with two solid cores and filled air holes. The substance filling the air holes was characterized by a change in the refractive index with the change of temperature.
W opisie patentowym CN 202631153 ujawniono rozłożony czujnik temperatury, dzięki któremu możliwe jest mierzenie różnicy temperatury na dwóch włóknach - pomiarowym i odniesienia. Czujnik posiada automatyczną funkcję kompensacji. Opisany czujnik temperatury zawiera rozdzielone włókna światłowodowe wychodzące z jednego portu, a także źródło światła w postaci lasera impulsowego, przełącznik optyczny, włókna optyczne i multipleksery.The patent description CN 202631153 discloses an unfolded temperature sensor, thanks to which it is possible to measure the temperature difference on two fibers - measuring and reference. The sensor has an automatic compensation function. The described temperature sensor includes split optical fibers coming from one port, as well as a pulsed laser light source, an optical switch, optical fibers and multiplexers.
Inna zasada działania światłowodowego czujnika temperatury jest prezentowana w opisie patentowym numer US 4794619 pt. „Optical fiber temperaturę sensor”. Urządzenie do pomiaru temperatury według tego rozwiązania zawiera czujnik optyczny temperatury oraz moduł sterujący. Emisja cieplna we wgłębieniu w części końcowej końcówki włókna światłowodowego jest przekazywane do oddalonego końca włókna i jest wykrywana przez moduł sterujący. Wgłębienie zapewnia lepszą zdolność czujnika do utrzymania stałej emisyjności i szybki czas reakcji.Another principle of operation of a fiber optic temperature sensor is disclosed in US 4,794,619. "Optical fiber temperature sensor". The temperature measuring device of this embodiment comprises an optical temperature sensor and a control module. The heat emission in the cavity in the tip portion of the optical fiber is transmitted to the distal end of the fiber and is detected by the control module. The recess gives the sensor a better ability to maintain constant emissivity and a quick response time.
PL 229 540 Β1PL 229 540 Β1
W zgłoszeniu patentowym CN 1811361 A opisano czujnik temperatury wykorzystujący światłowody oraz światłowodową siatkę Bragga (ang. tilted fiber Brgg grating). Czujnik ten wykorzystuje standardowe światłowody, optykę objętościową oraz źródło szerokospektralne. Możliwe jest także wykorzystanie cieczy o dopasowanym współczynniku załamania w celu zmniejszenia strat na połączniu elementów światłowodowych i optyki objętościowej.The patent application CN 1811361 A describes a temperature sensor using optical fibers and an optical Bragg grating (tilted fiber Brgg grating). This sensor uses standard optical fibers, volumetric optics and a wide spectrum source. It is also possible to use fluids with an adapted refractive index to reduce the losses at the connection of the light guide elements and the volume optics.
W dokumencie CN 102620859 A, w którym opisano czujnik wykorzystujący rozpraszanie Ramana wzmocnione powierzchniowo, gdzie kluczowym elementem czujnika jest światłowód fotoniczny, którego otwory wypełnione są substancją mająca na celu wzmocnienie obserwowanego efektu rozpraszania Ramana. Substancją taką może być między innymi ciecz zawierająca nanocząstki metalu.In the document CN 102620859 A, which describes a sensor using surface enhanced Raman scattering, where the key element of the sensor is a photonic optical fiber, the holes of which are filled with a substance to enhance the observed Raman scattering effect. Such a substance may be, inter alia, a liquid containing metal nanoparticles.
W dokumencie US 4794619 A przedstawiono światłowodowy czujnik temperatury, gdzie elementem pomiarowym jest końcówka światłowodu. Czujnik według takiej konstrukcji działa w konfiguracji odbiciowej. Można w ten sposób skonstruować czujnik w oparciu o standardowe światłowodu oraz światłowody mikrostrukturalne.Document US 4,794,619 A shows an optical fiber temperature sensor where the measuring element is the tip of the optical fiber. The sensor of this structure operates in a reflection configuration. In this way, it is possible to construct a sensor based on standard optical fibers and microstructural optical fibers.
W dokumencie CN 202631153 U opisano rozłożony czujnik temperatury wykorzystujący nieliniowe rozpraszanie Ramana w standardowych światłowodach jednomodowych. Czujniki rozłożone pozwalają na pomiar temperatury na całej długości światłowodu (długość rzędu kilka kilometrów).The document CN 202631153 U describes a distributed temperature sensor using non-linear Raman scattering in standard single-mode optical fibers. Arranged sensors make it possible to measure the temperature along the entire length of the fiber (several kilometers long).
W dokumencie US 4776827 A zaprezentowano czujnik temperatury wykorzystujący efekt luminescencji. Kluczowym elementem tego czujnika jest warstwa fosforu, której poziom luminescencji zależy od temperatury. W rozwiązaniu tym światłowody wykorzystane są do doprowadzania i odbierania sygnału optycznego z warstwy fosforu.US 4,776,827 A shows a temperature sensor that uses the luminescence effect. The key element of this sensor is the phosphor layer, the level of luminescence of which depends on the temperature. In this solution, optical fibers are used to deliver and receive an optical signal from a phosphor layer.
W dokumencie CN 102735368 opisano czujnik temperatury zawierający przewężkę światłowodową. W szczególności dana przewężka może być pokryta materiałem czułym na zmiany temperatury.The document CN 102735368 describes a temperature sensor having a gate into an optical fiber. In particular, a given gate may be covered with a material sensitive to temperature changes.
W dokumencie CN 102494797 A opisano światłowodowy czujnik temperatury wykorzystujący zjawisko opóźnienia sygnału optycznego w standardowym światłowodzie pod wpływem temperatury.The document CN 102494797 A describes an optical fiber temperature sensor which uses the phenomenon of delaying the optical signal in a standard optical fiber under the influence of temperature.
W dokumencie US 5258614 przedstawiono światłowodowy czujnik temperatury zawierający pętlę światłowodową. Pomiar temperatury odbywa się na podstawie porównania natężenia światła wychodzącego z pętli światłowodowej i światłowodu referencyjnego.US 5258614 shows a fiber optic temperature sensor comprising a fiber optic loop. The temperature is measured by comparing the intensity of the light coming from the optical fiber loop and the reference fiber.
Zdecydowana większość sposobów pomiaru temperatury z użyciem światłowodów, które są opisane w literaturze, bazuje na wykorzystaniu układów polarymetrycznych, interferencyjnych na bazie interferometru Fabry'ego-Perota oraz w układach z siatkami Bragga. Ponadto, w literaturze zdecydowanie rzadziej spotyka się efektywne sposoby detekcji progowej temperatury; brak jest w publikacjach przykładów konstrukcji czujnika, za pomocą którego można by efektywnie kontrolować zbliżanie się układu do temperatury uznanej za niebezpieczną, który miałby kompaktową formę i wykorzystywał komercyjnie dostępne światłowody z wypełnionymi otworami.The vast majority of methods for measuring temperature with the use of optical fibers, which are described in the literature, are based on the use of polarimetric and interference systems based on a Fabry-Perot interferometer and in systems with Bragg grids. Moreover, in the literature much less effective methods of detecting the threshold temperature are found; There are no published examples of a sensor design that could effectively control the approach of the system to a temperature considered to be dangerous, which would have a compact form and use commercially available optical fibers with filled holes.
Dlatego celem wynalazku było opracowanie matrycy czujników światłowodowych do monitorowania zmian temperatury, skonstruowanych w oparciu o włókna fotoniczne wypełnione substancjami organicznymi o zróżnicowanych temperaturach topnienia, co pozwala na kontrolę zbliżania się układu do temperatury uznanej za szkodliwą dla działania układu. Ponadto celowe było skonstruowanie kompaktowego czujnika, którego gabaryty umożliwiają montaż w miejscach trudno dostępnych lub urządzeniach i obiektach zagrożonych wybuchem, co zostało osiągnięte poprzez eliminację elementów prowadzących prąd elektryczny oraz odsunięcie źródła i układu detekcyjnego na optymalną w stosunku do miejsca pomiaru odległość.Therefore, the aim of the invention was to develop a matrix of fiber optic sensors for monitoring temperature changes, constructed on the basis of photonic fibers filled with organic substances with different melting points, which allows to control the approach of the system to the temperature considered harmful to the operation of the system. In addition, it was purposeful to construct a compact sensor, the dimensions of which enable installation in hard-to-reach places or devices and objects at risk of explosion, which was achieved by eliminating electric current-conducting elements and moving the source and the detection system away to the optimal distance in relation to the place of measurement.
Czujnik światłowodowy, zwłaszcza temperatury, według wynalazku zawiera co najmniej jedną matrycę czujników światłowodowych, zawierającą co najmniej jeden światłowód odniesienia, korzystnie jednomodowy światłowód krzemionkowy, korzystnie światłowód SMF-28e firmy Corning, co najmniej dwa pomiarowe tory światłowodowe zawierające elementy pomiarowe w postaci światłowodów mikrostrukturalnych, korzystnie LMA-10, o wypełnionych otworach do monitorowania zmian temperatury, co najmniej jeden układ pomiarowy obejmujący co najmniej jedno źródło światła, co najmniej jeden układ sprzęgaczy, oraz co najmniej jeden układ detekcyjno-przetwarzający.The optical fiber sensor, especially temperature sensor, according to the invention comprises at least one optical sensor array containing at least one reference optical fiber, preferably a single-mode silica optical fiber, preferably a Corning SMF-28e optical fiber, at least two optical fiber measuring paths containing measuring elements in the form of microstructural optical fibers, preferably LMA-10, with filled openings for monitoring temperature changes, at least one measurement system including at least one light source, at least one coupler system, and at least one detection and processing system.
Źródłem światła jest korzystnie laser, korzystnie na długość fali 1310 nm.The light source is preferably a laser, preferably at a wavelength of 1310 nm.
Pomiarowy tor światłowodowy zawierający element pomiarowy składa się ze standardowego światłowodu jednomodowego, w szczególności spełniającego wymogi rekomendacji G.652 Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego, do którego wprowadzany jest sygnał z układu sprzęgaczy, który to światłowód jednomodowy jest następnie połączony, korzystnie dospawany, do światłowoduThe measuring optical fiber path containing the measuring element consists of a standard single-mode optical fiber, in particular meeting the requirements of the recommendation G.652 of the International Telecommunications Union, to which the signal from the coupler system is introduced, which single-mode optical fiber is then connected, preferably welded, to the optical fiber
PL 229 540 Β1 mikrostrukturalnego, którego otwory wypełnione są substancją chemiczną zmieniającą swój stan skupienia pod wpływem temperatury. Odcinek toru światłowodowego zwierający światłowód mikrostrukturalny tworzy element pomiarowy.PL 229 540 Β1 microstructure, the holes of which are filled with a chemical substance that changes its state under the influence of temperature. The segment of the optical path containing the microstructural optical fiber forms the measuring element.
Otwory w światłowodach pomiarowych wypełnione są substancjami zmianującymi stan skupienia ze stałego na ciekły wybranymi korzystnie spośród:The openings in the measuring optical fibers are filled with substances that change the physical state from solid to liquid, preferably selected from:
1. Glikol etylowy - temperatura topnienia -12°C - -13°C,1. Ethyl glycol - melting point -12 ° C - -13 ° C,
2. Cykloheksan - temperatura topnienia 6°C - 7°C,2. Cyclohexane - melting point 6 ° C - 7 ° C,
3. DMSO (Dimetylosulfotlenek) - temperatura topnienia 19°C,3. DMSO (Dimethylsulfoxide) - melting point 19 ° C,
4. Parafinę o temperaturze topnienia 46°C - 68°C.4. Paraffin with a melting point of 46 ° C - 68 ° C.
Wypełnianie włókien światłowodowych zostało korzystnie wykonane w temperaturze powyżej temperatury topnienia, gdy substancje te są w stanie ciekłym. Szczegóły techniczne procesu napełniania jest procesem opisanym w literaturze, przykładowo w pozycji wcześniej wspomnianej „Fluid - filled solid - core photonic bandgap fibers” autorstwa B.T. Kulemy i innych opublikowanego w Journal of Lightwave Technology, 2009.The filling of the optical fibers has preferably been performed at a temperature above the melting point when the substances are in the liquid state. The technical details of the filling process is a process described in the literature, for example in the item previously mentioned "Fluid - filled solid - core photonic bandgap fibers" by B.T. Kulemy et al. Published in Journal of Lightwave Technology, 2009.
Dzięki temu, że materiał wypełniający w stanie stałym nie jest transparentny to wiązka świetlna wprowadzona do włókna z takim wypełnieniem nie jest przepuszczana. Propagacja wiązki możliwa jest dopiero po osiągnięciu przez dany materiał jego temperatury topnienia. Element pomiarowy (światłowód mikrostrukturalny) jest następnie dołączony do kolejnego włókna jednomodowego, korzystnie dospawany, który to światłowód jednomodowy prowadzi sygnał do układu detekcyjno-przetwarzającego.Due to the fact that the filling material in the solid state is not transparent, the light beam introduced into the fiber with such a filling is not transmitted. Beam propagation is possible only after the material reaches its melting point. The measuring element (microstructural optical fiber) is then connected to another single-mode fiber, preferably welded, which single-mode optical fiber guides the signal to the detection and processing system.
Światłowód odniesienia stanowi korzystnie światłowód SMF-28e firmy Corning. Światłowód odniesienia pozwala wnioskować o poprawności działania układu, gdyż poziom transmitowanej przez niego mocy nie ulega zmianie wraz z temperaturą w zakresie proponowanym w wynalazku tj. co najmniej do temperatury 80°C.The reference fiber is preferably a Corning SMF-28e fiber. The reference optical fiber allows the conclusion about the correct operation of the system, because the level of the power it transmits does not change with the temperature in the range proposed in the invention, i.e. at least to the temperature of 80 ° C.
Układ sprzęgaczy rozdziela światło pomiędzy tory światłowodowe (jakich liczba odpowiada liczbie zastosowanych światłowodów fotonicznych) oraz co najmniej jeden światłowód odniesienia.The system of couplers distributes the light between the optical fibers (the number of which corresponds to the number of photonic optical fibers used) and at least one reference optical fiber.
W korzystnym przykładzie wykonanie układ sprzęgaczy składa się ze sprzęgacza o podziale mocy 5/95, z którego ramienia 5% zasilany jest światłowód odniesienia, a ramię 95% kierowane jest na kolejny sprzęgacz o podziale mocy 1/n (gdzie n to liczba pomiarowych torów światłowodowych), który kieruje sygnał do poszczególnych torów pomiarowych.In a preferred embodiment, the system of couplers consists of a coupler with a power division of 5/95, from which the 5% arm is fed to the reference optical fiber, and the 95% arm is directed to the next coupler with a power division of 1 / n (where n is the number of optical optical paths to be measured) ), which routes the signal to individual measurement paths.
W innym korzystnym wariancie wykonania układ sprzęgaczy składa się z sprzęgacza o podziale mocy 5/95 oraz ze sprzęgaczy typu Y o równym podziale mocy tworzących finalnie układ z jednym wejściem i pożądaną ilością wyjść (równą liczbie zastosowanych pomiarowych torów światłowodowych).In another preferred embodiment, the system of couplers consists of a coupler with a power division of 5/95 and of Y couplers with an equal division of power, which ultimately form a system with one input and the desired number of outputs (equal to the number of optical measurement paths used).
Korzystnie, gdy moc wiązek w pomiarowych torach światłowodowych jest jednakowa.Preferably, the power of the beams in the measuring optical fiber lines is the same.
Tory światłowodowe zawierające światłowody fotoniczne przyłączone są do układu detekcyjno-przetwarzającego. Układ detekcyjno-przetwarzający zawiera co najmniej zestaw fotodetektorów (w ilości równej sumie pomiarowych torów światłowodowych i światłowodów odniesienia) oraz niezbędne układy elektroniczne odczytujące i wskazujące wielkość mocy optycznej oświetlającej poszczególne detektory.Optical fiber lines containing photonic optical fibers are connected to a detection and processing system. The detection and processing system includes at least a set of photodetectors (in the amount equal to the sum of the measurement optical paths and reference optical fibers) and the necessary electronic systems reading and indicating the amount of optical power illuminating individual detectors.
Ogrzanie elementów pomiarowych powyżej temperatury przejścia fazowego skutkuje pojawieniem się na końcu przetwornika wiązki świetlnej o niezerowej wartości natężenia. Odpowiednio zorganizowany układ detekcyjno-przetwarzający identyfikuje sygnał optyczny pojawiający się na końcu przetworników generując informację o przekroczeniu kolejnych temperatur progowych w przypadku ogrzewania lub zaniku tej transmisji w przypadku chłodzenia układu.Heating the measuring elements above the phase transition temperature results in the appearance of a light beam with a non-zero intensity value at the end of the transducer. A properly organized detection and processing system identifies the optical signal appearing at the end of the transducers, generating information about exceeding the next threshold temperatures in the case of heating or the loss of this transmission in the case of cooling the system.
Elementy pomiarowe wraz ze światłowodem odniesienia tworzą matrycę czujników światłowodowych do monitorowania zmian temperatury.The measuring elements together with the reference optical fiber form the matrix of optical fiber sensors for monitoring temperature changes.
Fig. 1 przedstawia zasadę działania matrycy czujników światłowodowych do monitorowania zmian temperatury z zastosowaniem czterech pomiarowych torów światłowodowych oraz jednego światłowodu odniesienia, dla którego moc optyczna mierzona na fotodetektorze nie zmienia się w czasie, Fig. 2 przedstawia konstrukcję czujnik światłowodowego, zwłaszcza temperatury z zastosowaniem czterech pomiarowych torów światłowodowych oraz jednego światłowodu odniesienia w korzystnym wariancie wykonania.Fig. 1 shows the principle of operation of a fiber optic sensor array for monitoring temperature changes with the use of four measuring optical paths and one reference optical fiber, for which the optical power measured on the photodetector does not change with time, Fig. 2 shows the structure of the optical fiber sensor, especially temperature, using four measuring optical paths and one reference optical fiber in a preferred embodiment.
PL 229 540 Β1PL 229 540 Β1
PrzykładExample
Czujnik światłowodowy, zwłaszcza temperatury, zawiera matrycę czujników światłowodowych, zawierającą światłowód odniesienia, cztery pomiarowe tory światłowodowe zawierające elementy pomiarowe w postaci światłowodów mikrostrukturalnych o wypełnionych otworach do monitorowania zmian temperatury, układ pomiarowy obejmujący źródło światła, układ sprzęgaczy oraz układ detekcyjno-przetwarzający. Matryca czujników światłowodowych do monitorowania zmian temperatury według wynalazku jest częścią układu pomiarowego zawierającego: źródło światła - laser na długość fali 1310 nm (1), układ sprzęgaczy (2), światłowód odniesienia (CO) - światłowód SMF-28e firmy Corning, cztery pomiarowe tory światłowodowe (C1, C2, C3, C4) zawierające elementy pomiarowe w postaci światłowodów mikrostrukturalnych LMA-10 (odpowiednio P1, P2, P3, P4), o wypełnionych otworach oraz układ detekcyjno-przetwarzający (3).The optical fiber sensor, especially temperature sensor, includes a matrix of optical fiber sensors, containing a reference optical fiber, four optical fiber measurement paths containing measuring elements in the form of microstructural optical fibers with filled openings for monitoring temperature changes, a measuring system including a light source, a coupler system and a detection and processing system. The matrix of fiber optic sensors for monitoring temperature changes according to the invention is part of a measuring system including: a light source - a laser at a wavelength of 1310 nm (1), a system of couplers (2), a reference optical fiber (CO) - a Corning SMF-28e optical fiber, four measurement paths optical fibers (C1, C2, C3, C4) containing measuring elements in the form of LMA-10 microstructural optical fibers (P1, P2, P3, P4 respectively), with openings filled and a detection and processing system (3).
Pomiarowy tor światłowodowy (C1, C2, C3, C4) zawierający element pomiarowy (odpowiednio P1, P2, P3, P4), składa się ze standardowego światłowodu jednomodowego, do którego wprowadzany jest sygnał z układu sprzęgaczy (2), który to światłowód jednomodowy jest następnie dospawany do światłowodu mikrostrukturalnego, którego otwory wypełnione są substancją chemiczną zmieniającą swój stan skupienia pod wpływem temperatury. Dzięki temu, że materiał wypełniający w stanie stałym nie jest transparentny, to wiązka świetlna wprowadzona do włókna z takim wypełnieniem nie jest przepuszczana. Propagacja wiązki możliwa jest dopiero po osiągnięciu przez dany materiał jego temperatury topnienia. Element pomiarowy jest następnie dospawany do kolejnego włókna jednomodowego, który to światłowód jednomodowy prowadzi sygnał do układu detekcyjno-przetwarzającego.The measuring optical fiber line (C1, C2, C3, C4) containing the measuring element (P1, P2, P3, P4, respectively), consists of a standard single-mode optical fiber to which the signal from the coupler system (2) is introduced, which single-mode optical fiber is then it is welded to the microstructural optical fiber, the holes of which are filled with a chemical substance that changes its state of aggregation under the influence of temperature. Due to the fact that the filling material in the solid state is not transparent, the light beam introduced into the fiber with such a filling is not transmitted. Beam propagation is possible only after the material reaches its melting point. The measuring element is then welded to another single-mode fiber, which single-mode fiber guides the signal to the detection and processing system.
Spawy pomiędzy światłowodami LMA-10 i SMF-28e wykonuje się za pomocą żarnikowej spawarki światłowodowej GPX-3400 firmy Vytran.The splices between the LMA-10 and SMF-28e optical fibers are made with the Vytran GPX-3400 filament fiber splitter.
Elementy pomiarowe wraz ze światłowodem odniesienia tworzą matrycę czujników światłowodowych do monitorowania zmian temperatury.The measuring elements together with the reference optical fiber form the matrix of optical fiber sensors for monitoring temperature changes.
Układ sprzęgaczy składa się ze sprzęgacza o podziale mocy 5/95, z którego ramienia 5% zasilany jest światłowód odniesienia, a ramię 95% kierowane jest na kolejny sprzęgacz o podziale mocy %, którego wyjściowe ramiona kierowane są odpowiednio do torów pomiarowych C1, C2, C3, C4.The system of couplers consists of a coupler with a power division of 5/95, from which the 5% arm is supplied with the reference optical fiber, and the 95% arm is directed to the next coupler with a power division of%, the output arms of which are directed to the measurement lines C1, C2, respectively, C3, C4.
Układ detekcyjno-przetwarzający zawiera w sobie zestaw pięciu fotodetektorów oraz niezbędne układy elektroniczne odczytujące wielkość mocy optycznej oświetlającej poszczególne detektory. Ogrzanie elementów pomiarowych powyżej temperatury przejścia fazowego skutkuje pojawieniem się na końcu przetwornika wiązki świetlnej o niezerowej wartości natężenia. Odpowiednio zorganizowany układ detekcyjno - przetwarzający identyfikuje sygnał optyczny pojawiający się na końcu przetworników generując informację o przekroczeniu kolejnych temperatur progowych w przypadku ogrzewania lub zaniku tej transmisji w przypadku chłodzenia układu.The detection and processing system includes a set of five photodetectors and the necessary electronic systems that read the amount of optical power illuminating individual detectors. Heating the measuring elements above the phase transition temperature results in the appearance of a light beam with a non-zero intensity value at the end of the transducer. A properly organized detection and processing system identifies the optical signal appearing at the end of the transducers, generating information about exceeding the next threshold temperatures in the case of heating or the loss of this transmission in the case of cooling the system.
Do konstrukcji elementów pomiarowych czujnika stosuje się komercyjnie dostępne włókno mikrostrukturalne LMA-10 (producent: NKT Photonics), charakteryzujące się stałym rdzeniu i otworami o średniej średnicy około 3 gm; odległości między otworami ok. 6 gm. Otwory powietrzne umieszczone są w węzłach siatki heksagonalnej (cztery sześciokątne pierścienie). Włókno to charakteryzuje się ponadto jednomodowym zakresem pracy w przedziale długości fali od 350 nm do 1700 nm.The measuring elements of the sensor are constructed with the use of commercially available LMA-10 microstructural fiber (manufacturer: NKT Photonics), characterized by a solid core and holes with an average diameter of about 3 gm; distance between holes approx. 6 gm. The air holes are located at the nodes of the hexagonal grid (four hexagonal rings). This fiber is also characterized by a single-mode operating range in the wavelength range from 350 nm to 1700 nm.
W tym przykładzie wykonania wykorzystuje się cztery włókna LMA-10, każde wypełnione inną substancją oraz standardowe, komercyjnie dostępne włókna jednomodowe SMF-28e firmy Corning.This embodiment uses four LMA-10 fibers, each filled with a different material, and standard, commercially available single-mode SMF-28e fibers from Corning.
Otwory w światłowodach LMA-10 wypełnione są (każdy jedną substancją) następującymi substancjami zmianującymi stan skupienia ze stałego na ciekły:The holes in the LMA-10 optical fibers are filled (each with one substance) with the following substances that change the state of matter from solid to liquid:
1. Glikol etylowy - temperatura topnienia -12°C - -13°C,1. Ethyl glycol - melting point -12 ° C - -13 ° C,
2. Cykloheksan - temperatura topnienia 6°C - 7°C,2. Cyclohexane - melting point 6 ° C - 7 ° C,
3. DMSO (Dimetylosulfotlenek) - temperatura topnienia 19°C,3. DMSO (Dimethylsulfoxide) - melting point 19 ° C,
4. Parafinę o temperaturze topnienia 46°C - 68°C.4. Paraffin with a melting point of 46 ° C - 68 ° C.
Wypełnianie włókien światłowodowych jest wykonywane w temperaturze powyżej 15 temperatury topnienia gdy substancje te są w stanie ciekłym. Szczegóły techniczne procesu napełniania jest procesem opisanym w literaturze, przykładowo w pozycji Torres-Peiro S., Diez A., Cruz J.L., i Andres Μ. V., „Sensor applications based on the cutoff properties of liquid-filled Ge-dopped Mistrostructured fibers”.The filling of the optical fibers is carried out at a temperature above the melting point when these substances are in the liquid state. Technical details of the filling process is a process described in the literature, for example in Torres-Peiro S., Diez A., Cruz J.L., and Andres ™. V., "Sensor applications based on the cutoff properties of liquid-filled Ge-dopped Mistrostructured fibers".
Wymienione powyżej materiały są tak dobrane, że aby możliwa była transmisja wiązki świetlnej należy ogrzać włókno do odpowiedniej temperatury, dla której materiał wypełniający staje się transparentny.The materials mentioned above are selected in such a way that to enable the transmission of the light beam, the fiber should be heated to the appropriate temperature, for which the filling material becomes transparent.
PL 229 540 Β1PL 229 540 Β1
Jeżeli temperatura w monitorowanym miejscu, obiekcie lub urządzeniu, do którego zamontowana została matryca czujników, rośnie i przekracza kolejno temperatury T1, T2, T3 to zadziałają kolejno elementy pomiarowe Ρ1, P2 ,P3 przepuszczając wiązkę świetlną do układu detekcyjno-przetwarzającego. Jeżeli temperatura będzie rosła dalej i przekroczy temperaturę T4, to będzie to przekroczenie dopuszczalnej w danym miejscu temperatury i układ detekcyjno-przetwarzający przejdzie w stan alarmowy. Zmniejszenie się temperatury będzie skutkowało wyłączaniem kolejnych czujników.If the temperature in the monitored place, facility or device to which the sensor matrix has been mounted increases and exceeds the temperatures T1, T2, T3 in sequence, the measuring elements Ρ1, P2, P3 will act successively, passing the light beam to the detection and processing system. If the temperature continues to increase and exceeds the T4 temperature, the temperature will be exceeded and the detection and processing system will go into an alarm state. If the temperature drops, other sensors will be turned off.
Zaprezentowany układ umożliwia kontrolowanie zmian temperatury w zakresie od -13°C - +70°C, który jest możliwy do instalacji w miejscach trudno dostępnych lub urządzeniach i obiektach zagrożonych wybuchem ze względu na brak elementów prowadzących prąd elektryczny, ponieważ źródło i układ detekcyjny może być instalowany nawet w odległości kilkaset metrów od miejsca montażu czujnika.The presented system makes it possible to control temperature changes in the range of -13 ° C - + 70 ° C, which is possible to install in hard-to-reach places or devices and objects at risk of explosion due to the lack of elements conducting electric current, because the source and the detection system can be installed even at a distance of several hundred meters from the sensor installation site.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL408644A PL229540B1 (en) | 2014-06-24 | 2014-06-24 | Fibre-optic, preferably temperature sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL408644A PL229540B1 (en) | 2014-06-24 | 2014-06-24 | Fibre-optic, preferably temperature sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL408644A1 PL408644A1 (en) | 2016-01-04 |
| PL229540B1 true PL229540B1 (en) | 2018-07-31 |
Family
ID=54978695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL408644A PL229540B1 (en) | 2014-06-24 | 2014-06-24 | Fibre-optic, preferably temperature sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL229540B1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL234749B1 (en) * | 2017-10-04 | 2020-03-31 | Politechnika Gdanska | Method for measuring temperature of electronic components and the head for measuring temperature of electronic components |
-
2014
- 2014-06-24 PL PL408644A patent/PL229540B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL408644A1 (en) | 2016-01-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Smith et al. | Simultaneous distributed strain and temperature measurement | |
| CN103148956B (en) | One carries out thermometric device and method based on coating micro-nano fiber | |
| Amira et al. | Monitoring of temperature in distributed optical sensor: Raman and Brillouin spectrum | |
| Feng et al. | High-precision strain-insensitive temperature sensor based on an optoelectronic oscillator | |
| Sollerv et al. | Measurement of localized heating in fiber optic components with millimeter spatial resolution | |
| Abbas et al. | Temperature sensing by hybrid interferometer based on Vernier like effect | |
| Li | Rayleigh scattering based distributed optical fiber sensing | |
| Pizzaia et al. | Highly sensitive temperature sensing based on a birefringent fiber Sagnac loop | |
| Domínguez-Cruz et al. | Temperature Sensor Based on an Asymmetric Two‐Hole Fiber Using a Sagnac Interferometer | |
| Kuznetsov et al. | Ultralong fibre-optic distributed Raman temperature sensor | |
| EP3172545B1 (en) | Temperature sensor | |
| Lu et al. | A fiber-optic sensor based on no-core fiber and Faraday rotator mirror structure | |
| Zhang et al. | High-accuracy high temperature measurement based on forward Brillouin scattering of polyimide-coated optical fiber | |
| Han et al. | Fiber sensor based on Fabry‐Perot/Mach‐Zehnder hybrid interferometer for transverse load and temperature | |
| CN102620856A (en) | Distributed optical fiber Brillouin strain and temperature sensor | |
| PL229540B1 (en) | Fibre-optic, preferably temperature sensor | |
| Arias et al. | Phase-sensitive correlation optical time-domain reflectometer using quantum phase noise of laser light | |
| Chen et al. | All‐fiber temperature sensor based on few mode fiber and single‐mode fiber | |
| Liaw | and Applications of Fiber Optic | |
| Kuznetsov et al. | Fiber Bragg grating length as sensing parameter: New way for fibre optic wear sensors | |
| Silva et al. | Cavity ring‐down technique for remote sensing | |
| Wang | Distributed pressure and temperature sensing based on stimulated Brillouin scattering | |
| Lalam et al. | Characterization of Brillouin frequency shift in Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) | |
| Xiang et al. | Phase-shifting multimode FLRD technique with MSM structure for RI measurement | |
| Zyczkowski et al. | Simple fiber optic sensor for applications in security systems |