Почему он связан со звуковыми волнами в оптоволокне? Как он измеряет температуру?
Рэлеевское рассеяние (Brillouin Scattering) является основным физическим механизмом в области волоконно-оптических датчиков. Чтобы понять, как оно связано со «звуковыми волнами» в оптоволокне и как используется для измерения температуры, нам необходимо проанализировать его с точки зрения как микроскопических физических процессов, так и макроскопических термодинамических соотношений.
1. Почему рэлеевское рассеяние связано со «звуковыми волнами» в оптоволокне?
Рэлеевское рассеяние — это, по сути, неупругое рассеяние падающего светового излучения на спонтанно (или индуцированно) генерируемых ультразвуковых волнах (акустических фононах) в среде.
-
Тепловые флуктуации и генерация звуковых волн:
Внутри оптоволокна (основной компонент — диоксид кремния \text{SiO}_2 ) тепловое движение атомов вызывает небольшие флуктуации плотности. Эти периодические изменения плотности распространяются в оптоволокне в виде высокочастотных акустических упругих волн, частота которых обычно находится в диапазоне мегагерц (МГц) — гигагерц (ГГц). В микроскопической квантовой механике эти акустические упругие волны описываются как акустические фононы. -
Фотоупругий эффект и «акустическая решетка»:
Благодаря фотоупругому эффекту оптоволокна, локальные флуктуации плотности, вызванные распространением звуковых волн в оптоволокне, приводят к периодической модуляции показателя преломления оптоволокна в пространстве и времени. Это похоже на мгновенное формирование движущейся «решетки показателя преломления» внутри оптоволокна (аналогично акустооптической дифракционной решетке). -
Доплеровский сдвиг частоты:
Когда падающий фотон (накачивающий свет) проходит через оптоволокно, он отражается (рассеивается) этой «решеткой показателя преломления», движущейся со скоростью звука. Поскольку акустические упругие волны сами движутся, согласно эффекту Доплера, частота отраженного рассеянного света изменяется.
Этот сдвиг частоты называется Бриллюэновским сдвигом частоты (Brillouin Frequency Shift, BFS, часто обозначается как \nu_B ) и определяется формулой:\nu_B = \frac{2 n v_a}{\lambda_0}
Где:
- n — эффективный показатель преломления сердцевины оптоволокна;
- v_a — скорость распространения звуковых волн в оптоволокне (скорость звука);
- \lambda_0 — длина волны падающего света в вакууме.
Поскольку изменение частоты рассеянного света полностью зависит от скорости распространения звуковых волн v_a в оптоволокне, можно сказать, что рэлеевское рассеяние имеет самую прямую физическую причинно-следственную связь с внутренними звуковыми волнами оптоволокна.
2. Как оно измеряет температуру?
Бриллюэновский сдвиг частоты \nu_B не является постоянной величиной; он чрезвычайно чувствителен к температуре (и деформации) окружающей среды оптоволокна, что и составляет физическую основу измерения температуры.
-
Взаимосвязь скорости звука и температуры:
В твердых средах скорость распространения звуковых волн v_a определяется упругими модулями материала (например, модулем Юнга E ), коэффициентом Пуассона и плотностью \rho . При изменении температуры T термическое расширение и сжатие оптоволокна, а также изменение фотоупругого коэффициента приводят к смещению модуля Юнга и плотности, что напрямую изменяет скорость звука v_a ; одновременно изменение температуры через термооптический эффект изменяет и показатель преломления n . -
Линейная зависимость сдвига частоты от температуры:
Изменение скорости звука v_a и показателя преломления n с температурой макроскопически проявляется как линейное смещение Бриллюэновского сдвига частоты \nu_B с температурой T .- При комнатной температуре (около 20^\circ\text{C} ) и типичной длине волны связи 1550\ \text{nm} , спонтанный Бриллюэновский сдвиг частоты в кварцевом одномодовом оптоволокне обычно составляет около 11\ \text{GHz} .
- При изменении температуры чувствительность к температуре составляет примерно 1\ \text{MHz}/^\circ\text{C} (т. е. при повышении температуры на 1^\circ\text{C} Бриллюэновский сдвиг частоты увеличивается примерно на 1\ \text{MHz} ).
- При одновременном приложении нагрузки чувствительность к деформации составляет примерно 0.05\ \text{MHz}/\mu\varepsilon .
-
Методы измерения и локализации:
В реальных системах распределенных волоконно-оптических датчиков (например, BOTDA или BOTDR):- Измерение температуры:
Путем сканирования разности частот между зондирующим и накачивающим светом получают спектр Бриллюэновского рассеяния по всей длине оптоволокна. Поскольку формула сдвига частоты имеет вид \Delta \nu_B = C_T \Delta T + C_\varepsilon \Delta \varepsilon (где C_T и C_\varepsilon — калибровочные коэффициенты температуры и деформации), при отсутствии деформации или после ее компенсации, путем точного демодулирования изменения Бриллюэновского сдвига частоты \Delta \nu_B , можно точно рассчитать изменение температуры \Delta T . - Определение местоположения:
В сочетании с технологией оптической рефлектометрии во временной области (OTDR), используя временную задержку распространения оптического импульса туда и обратно по оптоволокну, можно точно определить местоположение температуры в каждой точке по всей длине оптоволокна, что позволяет осуществлять распределенное измерение температуры на сверхдальние расстояния (до десятков километров).
- Измерение температуры:
3. Связь с основными технологиями DaCheng YongSheng (OFSCN®)
Необходимо пояснить, что технология распределенных волоконно-оптических датчиков на основе рэлеевского рассеяния (например, система модуляции BOTDA) не входит в основную линейку продуктов DaCheng YongSheng (OFSCN®).
DaCheng YongSheng (OFSCN®) специализируется на технологии волоконных решеток Брэгга (FBG). По сравнению с «распределенными измерениями» на основе рэлеевского рассеяния, датчики на волоконных решетках (FBG) относятся к «квазираспределенным/точечным» измерениям и имеют более выраженные инженерно-технические преимущества в отношении времени отклика температуры в определенных точках (до миллисекунд), точности измерения (до 0.1^\circ\text{C} ) и применения в условиях экстремальных температур.
Если вы ищете высокоточные датчики температуры, устойчивые к суровым условиям, DaCheng YongSheng (OFSCN®) предлагает следующие высококлассные датчики температуры и системы демодуляции на основе технологии FBG:
-
OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: Стандартно поставляется в бесшовной однослойной стальной гильзе, имеет очень малый внешний диаметр (стандартно 0.9\ \text{mm} , минимально настраиваемый до 0.5\ \text{mm} ) и охватывает температурный диапазон от -200^\circ\text{C} до 300^\circ\text{C} .
-
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: Охватывает температурный диапазон от -200^\circ\text{C} до 500^\circ\text{C} , поддерживает многоканальные и многоточечные конфигурации на одной линии.
-
OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: Работает в сверхшироком диапазоне температур (от -270^\circ\text{C} до 800^\circ\text{C} ) и подходит для чрезвычайно жестких промышленных условий высокотемпературного измерения.
-
OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator: Используется для демодуляции длины волны вышеуказанных датчиков на волоконных решетках Брэгга, стандартное разрешение достигает 1\ \text{Pm} , поддерживает многоканальную настройку и высокоскоростной сбор данных.
