Постановка задач проектирования волоконно-оптического референсного датчика воздуха для качественного и количественного мониторинга его параметров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье рассмотрены постановки задач проектирования референсного комбинированного волоконно-оптического датчика (РКВОД) воздуха для многосенсорных систем качественного и количественного мониторинга его параметров: температуры, давления, относительной влажности. Проведён анализ физических основ проектирования датчиков указанного класса и разработаны варианты их перспективной структурной реализации на двух параллельных или последовательных резонаторах Фабри–Перо (РФП) и одной адресной волоконной брэгговской структуре (АВБС). Определены конструктивные особенности для построения параллельных и последовательных РКВОД и построены их математические модели с оценкой характеристик чувствительности по каждому из измеряемых параметров с учётом их взаимной связи уравнениями Эдлена и проявлением эффекта Вернье в структурах с двумя РФП. Оценки показали, что такая конструкция РКВОД позволит измерять температуру окружающей среды в диапазоне -60…+300 °С с чувствительностью ~13 пм/°С по АВБС, а также в диапазоне +10…+60 °С с чувствительностью ~ −500 пм/°С по последовательной схеме РФП. При этом относительная влажность (RH) по указанной схеме РФП может измеряться с чувствительностью ~400 пм/% RH в диапазоне 20…90 % RH, а давление воздуха по параллельной схеме РФП ~400 пм/МПа в диапазоне до 0,5 МПа. В заключительной части статьи кратко представлены основные направления дальнейших исследований по теме, основанные на применении новых технологических решений для построения РКВОД – технология катастрофического плавления волокна для создания внутриволоконных РФП и радиофотонные решения их опроса и мультиплексирования РКВОД в целом – АВБС с повышенной компонентностью, как опорных оптических гребёнок с радиочастотным разносом составляющих.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Радик Мингумерович Шагвалиев

ПАО «Татнефть»

Email: OGMorozov@kai.ru
SPIN-код: 3059-4200

руководитель центра безопасности. Область научных интересов – волоконно-оптические сенсорные системы. Автор шести научных публикаций.

Россия, 423450, Альметьевск, ул. Ленина, 75

Олег Геннадьевич Морозов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: OGMorozov@kai.ru
ORCID iD: 0000-0003-4779-4656
SPIN-код: 4446-4570

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий. Область научных интересов – микроволновая фотоника, волоконно-оптические сенсоры и системы интеррогации, информационно-измерительные и телекоммуникационные системы оптического и микроволнового диапазонов. Автор 976 научных публикаций и патентов.

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Айрат Жавдатович Сахабутдинов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ

Email: OGMorozov@kai.ru
ORCID iD: 0000-0002-0713-7806
SPIN-код: 6370-3600

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий. Область научных интересов – волоконно-оптические сенсорные измерительные системы на основе распределённых и брэгговских структур. Автор 410 научных публикаций и патентов.

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Геннадий Александрович Морозов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ

Email: OGMorozov@kai.ru
ORCID iD: 0000-0002-9420-0710
SPIN-код: 9607-7150

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий. Область научных интересов – микроволновые технологии и их приложения в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, военном деле. Автор 474 научных публикаций и патентов.

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Дмитрий Сергеевич Грабовецкий

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ

Email: OGMorozov@kai.ru
ORCID iD: 0009-0000-8765-5859
SPIN-код: 9401-2526

аспирант кафедры радиофотоники и микроволновых технологий. Область научных интересов – волоконно-оптические датчики. Автор 16 научных публикаций и патентов.

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Денис Николаевич Матвеев

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ

Email: OGMorozov@kai.ru
ORCID iD: 0009-0007-3992-404X
SPIN-код: 5477-8607

аспирант кафедры радиофотоники и микроволновых технологий. Область научных интересов – волоконно-оптические датчики. Автор девяти научных публикаций и патентов.

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Никита Дмитриевич Смирнов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ

Email: OGMorozov@kai.ru
SPIN-код: 4375-4457

магистрант кафедры радиофотоники и микроволновых технологий. Область научных интересов – волоконно-оптические датчики. Автор 23 научных публикаций.

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Список литературы

  1. Tunakova Y., Novikova S., Valiev V. et al. The Use of Neural Network Modeling Methods to Determine Regional Threshold Values of Hydrochemical Indicators in the Environmental Monitoring System of Waterbodies. Sensors. 2023;23(13):6160. doi: 10.3390/s23136160
  2. Barozzi M., Manicardi A., Vannucci A. et al. Optical Fiber Sensors for Label-Free DNA Detection. Journal of Lightwave Technology. 2017;35(16):3461–3472. doi: 10.1109/JLT.2016.2607024
  3. Fujiwara E., da Silva L. E., Cabral T. D. et al. Optical Fiber Specklegram Chemical Sensor Based on a Concatenated Multimode Fiber Structure. Journal of Lightwave Technology. 2019;37(19):5041–5047. doi: 10.1109/JLT.2019.2927332
  4. He X., Ran Z., Yang T. et al. Temperature-Insensitive Fiber-Optic Tip Sensors Array Based on OCMR for Multipoint Refractive Index Measurement. Optics Express. 2019;27(7):9665–9675. doi: 10.1364/OE.27.009665
  5. Morozov O, Tunakova Y, Hussein S. M. R. H. et al. Addressed Combined Fiber-Optic Sensors as Key Element of Multisensor Greenhouse Gas Monitoring Systems. Sensors. 2022;22(13):4827. doi: 10.3390/s22134827
  6. Huang H., Chen H., Jiang C. et al. Simultaneous measurement of gas pressure and temperature based on Fabry-Perot cavity cascading fiber Bragg grating. AIP Advances. 2021;11(12):125201. doi: 10.1063/5.0067521
  7. Zhang T., Han Q., Liang Z. et al. A Fabry–Perot Sensor with Cascaded Polymer Films Based on Vernier Effect for Simultaneous Measurement of Relative Humidity and Temperature. Sensors. 2023;23(5):2800. doi: 10.3390/s23052800
  8. Спектральная характеристика многослойного внешнего волоконного интерферометра Фабри–Перо / Л. Б. Лиокумович, Н. А. Ушаков, А. А. Маркварт и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2022. Т. 15, № 4. С. 129–146. DOI: 10.18721/ JPM.15410 Liokumovich L.B., Ushakov N.A., Markvart A.A. et al. The Spectral Characteristic of a Multilayer Extrinsic Fiber Fabry–Perot Interferometer. St. Petersburg State Polytechnic University Journal. Physics and mathematics. 2022;15(4):129–146. DOI: 10.18721/ JPM.15410 (In Russ.)
  9. Morozov O. G., Sakhabutdinov A. Zh., Matveev D. N. et al. Microwave Photonic Sensing for Temperature Monitoring of On-Board Photovoltaic Panels. 2024 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications. 2024:10496795. doi: 10.1109/IEEECONF60226.2024.10496795
  10. Морозов О. Г., Сахабутдинов А. Ж. Адресные волоконные брэгговские структуры в квазираспределённых радиофотонных сенсорных системах // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43, № 4. С. 535–543. doi: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543 Morozov O.G., Sakhabutdinov A.J. Addressed fiber Bragg structures in quasi-distributed microwave-photonic sensor systems. Computer Optics. 2019;43(4):535–543. doi: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543 (In Russ.)
  11. Morozov O., Sakhabutdinov A., Anfinogentov V. et al. Multi-Addressed Fiber Bragg Structures for Microwave-Photonic Sensor Systems. Sensors. 2020;20(9):2693. doi: 10.3390/s20092693
  12. Agliullin T., Il’In G., Kuznetsov A. et al. Overview of Addressed Fiber Bragg Structures’ Development. Photonics. 2023;10(2):175. doi: 10.3390/photonics10020175
  13. Chen Y., Zhao L., Hao S. et al. Advanced Fiber Sensors Based on the Vernier Effect. Sensors. 2022;22(7):2694. doi: 10.3390/s22072694
  14. Edlén B. The Refractive Index of Air. Metrologia. 1966;2(2):71–80. doi: 10.1088/0026-1394/2/2/002
  15. Birch K. P., Downs M. J. An Updated Edlén Equation for the Refractive Index of Air. Metrologia. 1993;30(3):155–162. doi: 10.1088/0026-1394/30/3/004
  16. Agrawal G. P. Nonlinear Fiber Optics, 6th Ed. Elsevier: Academic Press, 2019. 707 p.
  17. Antunes P. F. C., Domingues M. F. F., Alberto N. J. et al. Optical Fiber Microcavity Strain Sensors Produced by the Catastrophic Fuse Effect. IEEE Photonics Technology Letters. 2014;26(1):78–81. doi: 10.1109/LPT.2013.2288930
  18. Wu N., Xia M., Wu Y. et al. Microwave Photonics Interrogation for Multiplexing Fiber Fabry-Perot Sensors. Optics Express. 2021;29(11):16652–16664. doi: 10.1364/OE.424059
  19. Konin Y. A., Scherbakova V. A., Bulatov M. I. et al. Structural Characteristics of Internal Microcavities Produced in Optical Fiber Via the Fuse Effect. Journal of Optical Technology. 2021;88(11):672–677. doi: 10.1364/JOT.88.000672
  20. Morozov O., Agliullin T., Sakhabutdinov A. et al. Fiber-Optic Hydraulic Sensor Based on an End-Face Fabry–Perot Interferometer with an Open Cavity. Photonics. 2024;11(1):22. doi: 10.3390/photonics11010022
  21. Kuznetsov A. A. Optical Vector Analyzers for Multiplicative Fiber Optic Sensors Probing. Formulation of the Problem. 2021 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications. 2021:9415994. doi: 10.1109/IEEECONF51389.2021.9415994
  22. Makarov R., Qaid M. R. T. M., Hussein A. N. A. et al. Enhancing Microwave Photonic Interrogation Accuracy for Fiber-Optic Temperature Sensors Via Artificial Neural Network Integration. Optics. 2024;5(2):22–237. doi: 10.3390/opt5020016
  23. Agliullin T., Anfinogentov V., Morozov O. et al. Comparative Analysis of the Methods for Fiber Bragg Structures Spectrum Modeling. Algorithms. 2023;16(2):101. doi: 10.3390/a16020101

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Обобщённая схема РКВОД на двух параллельных РФП с эффектом Вернье

Скачать (5KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Обобщённая схема РКВОД на двух последовательных РФП с эффектом Вернье

Скачать (5KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Структурная схема двух параллельных РФП1 и РФП2 для РКВОД, отличающихся наличием или отсутствием отверстия для доступа воздуха в резонатор

Скачать (104KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структурная схема двух последовательных РФП1(L1) и РФП2(L2) для РКВОД

Скачать (76KB)
Метаданные
6. Рис. 5. РФП секции РКВОД

Скачать (46KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Радиофотонный опрос интерферометра Фабри–Перо излучением, сформированным в многокомпонентной АВБС

Скачать (48KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».