СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА
METHOD TO MEASURE TEMPERATURE OF POLYMER COATING OF FIBRE LIGHT GUIDE

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерения температуры полимерной оболочки волоконного световода.
При распространении оптического излучения через любую среду оно поглощается и преобразуется в тепло, что приводит к разогреву этой среды. В мощных волоконных лазерах это приводит к изменению длины волны излучения, качества пучка, снижению мощности излучения и разрушению защитной полимерной оболочки волокна. Теоретическая модель тепловых эффектов в цилиндрическом световоде рассмотрена в работе [D.С. Brown, Н.J. Hoffman. "Thermal, stress, and thermo-optic effects in high average power double-clad silica fiber lasers", IEEE J. of Quant. Electron, 37, 207-217 (Feb. 2001)]. Методы измерения температуры оптических волоконных световодов крайне актуальны.
Известен метод измерения температуры активного волокна Yb/Er лазера при помощи сенсорного волокна с записанными в нем волоконными брегговскими решетками (ВБР), находящегоя в тепловом контакте с исследуемым [Jeong Y., Baek S., Dupriez P. et al. "Thermal characteristics of an end-pumped high-power ytterbium-sensitized erbium-doped fiber laser under natural convection" Opt. Express. 2008. V. 16. №24. P.19865]. По спектру отражения ВБР определялась температура сенсорного волокна, а температура в сердцевине активного волокна рассчитывалась теоретически. Также известен метод измерения температуры в сердцевине активного волокна при помощи интерферометра Маха-Цандера [В.В. Гайнов, Р.И. Шайдуллин, О.А. Рябушкин "Стационарный разогрев активных волоконных световодов при оптической накачке". Квант, электроника, 2011, 41(7), 637-643] и волоконного брегговского резонатора [Fiebrandt J., Leich. М., Rothhardt М., Bartelt Н. "In-fiber temperature measurement during optical pumping of Yb-doped laser fibers", Proc. of SPIE. 2012. V.8426. 84260В-1]. Однако опубликованные работы по измерению температуры непосредственно полимерной оболочки волокна отсутствуют.
Для измерения электрических свойств различных материалов широко используется метод радиочастотной импедансной спектроскопии. Изменение диэлектрической проницаемости некоторых материалов при разогреве позволило создать температурный сенсор на основе этого эффекта [Temperature sensor, US Patent 4883366 А]. В данном изобретении керамический диэлектрический элемент с ярко выраженной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости помещался в плоский конденсатор, являющийся частью RC-генератора. Принцип работы устройства состоял в том, что частота RC-генератора зависит от емкости конденсатора, которая меняется в зависимости от температуры сенсора.
Для повышения точности измерения было предложено использовать резонансный контур [Temperature sensor and sensing apparatus, US Patent 6534767 В1]. Температурный сенсор включал в себя катушку индуктивности, формирующую колебательный LC-контур с конденсатором с сегнетоэлектриком. Измерение резонансной частоты подобного контура позволяло с высокой точностью определять емкость конденсатора и, следовательно, температуру среды.
Для определения температуры тонких и неоднородно разогретых структур, таких как оптические волокна, недостатком таким сенсоров является то, что они измеряют собственную температуру, которая вследствие неоднородности температурного распределения и наличия температурного скачка на границе разных сред может отличаться от температуры исследуемого объекта.
Известно также использование измерения радиочастотного (РЧ) импеданса для определения параметров диэлектрических объектов, в том числе и полимерных [Способ определения диэлектрических характеристик полимерных систем. Патент РФ №2332675]. В данном патенте исследуемый полимерный диэлектрик помещается в плоский конденсатор, подключенный к измерительной схеме, позволяющий определять диэлектрическую проницаемость полимера в РЧ-диапазоне и ее зависимость от внешних физических параметров: давление, температура и т.п.
Мы также используем импедансную спектроскопию для экспериментального измерения температурной зависимости диэлектрической проницаемости оптических волокон с полимерным покрытием. Мы обнаружили, что диэлектрическая проницаемость в радиочастотном диапазоне полимеров, использующихся в качестве защитного покрытия кварцевых волокон, имеет ярко выраженную зависимость от температуры, в то время как аналогичная зависимость для плавленого кварца пренебрежимо мала. [Р.И. Шайдуллин, О.А. Рябушкин "Радиочастотная спектроскопия кварцевых световодов с полимерным покрытием", ПЖТФ, 2013, Том 39, выпуск 12, стр.79-87]. Следовательно, использование этого метода позволяет отделить изменение импеданса, связанного с изменением температуры полимера от кварца. На основе этого принципа была создана экспериментальная установка по измерению температуры полимерной оболочки оптического волокна. Исследуемое волокно укладывалось в плоский конденсатор, находившийся внутри электрической печи и подключенный к измерительной электрической схеме. Далее снималась амплитудно-частотная характеристика системы (зависимость импеданса конденсатора от частоты) для нескольких фиксированных значений температуры, задаваемых внешним разогревом. Найденная таким образом калибровочная зависимость позволяет определять температуру полимерной оболочки волокна. Указанный способ принят за прототип изобретения.
Однако данный способ имеет ряд недостатков. Коэффициент заполнения волокном плоского конденсатора не очень высок, что снижает точность измерения, плотно закрывающие волокно обкладки плоского конденсатора неконтролируемо влияют на условия охлаждения волокна, измерение изменения импеданса конденсатора по чувствительности уступает резонансному методу.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения температуры полимерного покрытия за счет улучшения коэффициента заполнения конденсатора полимером, применяя двухпроводную линию в качестве обкладок конденсатора, а также за счет формирования колебательного LC-контура с резонансной амплитудно-частотной характеристикой. Использование двухпроводной линии в качестве конденсатора также способствует лучшему охлаждению волокна.
Нами предлагается использовать принцип, упомянутый в аналогах, для измерения температуры непосредственно в полимерной оболочке оптического волокна. Для реализации этого принципа нами разработана оригинальная конструктивная схема и методика измерения, которая может быть использована и для иных нитевидных волоконных структур, содержащих в своем составе материалы с изменяющейся от температуры диэлектрической проницаемостью. Помимо измерения температуры данное изобретение позволит экспериментально определять коэффициент поглощения излучения (оптического, радиочастотного или СВЧ) в полимерной оболочке оптического световода.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения температуры полимерного покрытия оптического волокна, включающем размещение волокна внутри обкладок конденсатора, проведение калибровки системы путем осуществления внешнего нагрева оптического волокна и измерения зависимости амплитудно-частотной характеристики электрической измерительной схемы от измеряемой термоконтроллером температуры и последующее определение температуры полимерного покрытия, перед проведением калибровки оптическое волокно размещают между двумя металлическими проводами, наматывают их в виде катушки на каркас, формируя колебательный LC-контур, а температуру полимерного покрытия при распространении излучения в оптическом волокне определяют по сдвигу резонансной частоты колебательного контура и сопоставлению его с калибровочным коэффициентом.
На фиг.1 представлена конструктивная схема устройства, реализующего способ. На фиг.1а изображено поперечное сечение двухпроводного конденсатора, где 1 - металлические провода, 2 - полимерная оболочка волокна, выполненная из поликсилоксановых полимеров типа Sylgard или FSX-17, 3 - кварцевая сердцевина волокна. На фиг.1б изображена измерительная установка: два тонких металлических провода 1 с находящимся между ними волокном, состоящим из кварцевой сердцевины 3 и полимерной оболочки 2, образуют гибкий конденсатор емкостью С. Данная структура витками наматывается на каркас 10 для формирования индуктивности L. В результате данной процедуры получается колебательный LC-контур, который подключается к РЧ-генератору 4 с возможностью сканирования частоты. Измерение адмиттанса проводится с помощью детектора 5, подключенного к нагрузочному сопротивлению 7 и регистрирующего амплитудно-частотную характеристику контура (РЧ-спектроанализатор или синхронный детектор). Детектор 5 синхронизован с РЧ-генератором 4 проводом 6.
Вышеупомянутый каркас с намоткой помещается в электрическую печь-термостат, представляющую собой цилиндр 8 с нагревательной спиралью 9, подключенный к источнику тока 12, что позволяет разогревать LC-контур до определенной температуры. Температура в печи контролируется термопарой 11, включенной в термоконтроллер 13. Волокно подсоединено к источнику оптического излучения 14. Эквивалентная схема устройства представлена на фиг.2, где 15 - конденсатор, эквивалентный двухпроводной линии с волокном между обкладками, 16 - индуктивность намотанной на каркас двухпроводной линии, 17 - сопротивление проводов 1, 4 - генератор переменного напряжения, 7 - нагрузочное сопротивление, а 5 - детектор сигнала.
r
Реализация способа включает два этапа: калибровочные измерения и измерение температуры полимера по сдвигу резонансной частоты колебательного контура. Калибровочные измерения проводятся при фиксированной однородной температуре среды в термостате Т. При помощи электрической измерительной схемы измеряется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) колебательного контура и определяется его резонансная частота f, которая связана с параметрами контура по формуле:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>r</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
где С - емкость двухпроводного конденсатор с волокном, a L - общая индуктивность системы.
После этого в термостате 8 задается новое фиксированное значение температуры. Контроль температуры внешней среды осуществляется термопарой 11 термоконтроллера 13. Температура среды в термостате в условиях однородного внешнего разогрева совпадает с температурой полимерной оболочки 2 и с температурой проводов 1. Диэлектрическая проницаемость полимера е, зависящая от температуры, будет изменяться, следовательно, меняться будет и емкость вышеуказанного двухпроводного конденсатора, определяемая по формуле:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>C</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>k</mi><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>l</mi><mi>n</mi><mfrac><mi>a</mi><mi>r</mi></mfrac></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
0
где a - расстояние между центрами проводов 1, r - диаметр проводов 1, ε - диэлектрическая постоянная, k - вычисляемый коэффициент пропорциональности, связанный с геометрией конденсатора (2 металлических цилиндрических проводника, между которыми располагается цилиндрический диэлектрик).
На фиг.3а представлены графики зависимости амплитудно-частотной характеристики LC-контура для разных температур (от 20 до 80°C), на фиг.3б - график зависимости резонансной частоты контура от температуры. При этом использовалось оптическое волокно длиной 3 м с кварцевой сердцевиной SiGe и оболочкой из полимера Sylgard, а в качестве обкладок двухпроводного конденсатора использовалась медная проволока диаметром 0,25 мм.
r
th
По наклону температурной зависимости резонансной частоты f АЧХ-контура рассчитывается резонансно-термический калибровочный коэффициент K LC-контура:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>f</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow>
Оказалось, что этот коэффициент не зависит от температуры в исследуемом диапазоне.
Второй этап работы состоит в измерении температуры полимера по сдвигу резонансной частоты LC-контура. Для этого при фиксированной однородной температуре в термостате через сердцевину оптического волокна 3 пропускается оптическое излучение от источника 14, частично поглощаемое в волокне, что приводит к разогреву сердцевины 3 и полимерной оболочки 2.
По изменению резонансной частоты АЧХ системы с помощью ранее измеренного резонансно-термического коэффициента определяется температура разогрева полимерной оболочки 2 волокна:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>p</mi><mi>o</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
r
0
где T - начальная температура внешней среды (как правило, комнатная), Δf - сдвиг резонансной частоты LC-контура относительно начальной частоты при температуре T.
При этом стоит учесть, что определяемая таким образом температура полимерной оболочки отличается от неоднородной термодинамической температуры Т (x,y,z) тем, что представляет собой некую «усредненную» температуру разогретого волокна, реально характеризующую истинную температуру разогретого полимера. Зная оптическую мощность, выделяющуюся в кварцевой сердцевине 3, мы также можем определить зависимость температуры внешней полимерной оболочки 2 от поглощаемой мощности в сердцевине 3.
Таким образом, экспериментально и теоретически установлено, что метод радиочастотной импедансной спектроскопии позволяет измерять температуру полимерной оболочки оптического волокна и других полимерных нитевидных структур (полимерных оптических волокон (POF), кабелей, органических волокон), а также создано устройство по реализации этого метода.