Formulation of design tasks for a fiber-optic reference air sensor for qualitative and quantitative monitoring of air parameters

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. In various applications, such as qualitative and quantitative real-time air monitoring for managing greenhouse gas concentrations and assessing the efficiency of solar panels—both of which are influenced by ambient temperature and relative humidity—there is a significant demand for groups of combined fiber-optic sensors (CFOS). These sensors utilize Fabry-Perot resonators (FPR) and fiber Bragg gratings (FBG) arranged in a quasi-distributed manner, including configurations that are remotely spaced from the data collection and processing points. Each CFOS group requires a reference sensor (RCFOS) dedicated solely to monitoring air parameters, ensuring the reliability and calibration of measurements.

The aim of this work is to formulate design challenges and evaluate the feasibility of implementing a multi-parameter RCFOS for monitoring air parameters, including temperature, pressure, and relative humidity. This implementation aims to enhance metrological and functional characteristics based on the Vernier effect and Edlen equations, while also providing cost-effective address multiplexing and interrogation within multi-sensor networks based on address fiber Bragg structures (AFBS) and microwave photonic technologies.

Methods. A critical metric used to characterize the optical Vernier effect is the sensitivity enhancement factor, or M-factor. This factor compares the Vernier envelope with the interference signal from the measuring FPR. A high M-factor can be achieved through two-parameter parallel measurements, such as air pressure and temperature, or by sequentially activating independent interferometers to monitor each parameter separately, for example, air temperature and relative humidity. The AFBS is a fiber Bragg structure with an optical frequency response that includes two narrow-band FBG components separated by a unique address frequency in the radio frequency range. This address frequency remains constant, even when the AFBS undergoes deformation or temperature changes. The microwave photonic principle of AFBS interrogation allows the inclusion of several structures with the same central wavelength but different address frequencies in a single measurement network. This setup facilitates the parallel interrogation of the RCFOS while minimizing the impact of external physical parameters on the information transmitted through the fiber, making it narrow-band for each sensor.

Conclusion. The research proposes a concept for developing an RCFOS for multi-sensor quasi-distributed networks that enable qualitative and quantitative real-time monitoring of air parameters. Key elements of the concept include a new technology for manufacturing the FPR section within the single fiber structure using catastrophic melting effects for improved reliability in field conditions and microwave photonic technology to simplify interrogation subsystems. The last one employs radiation generated in the AFBS section of the sensor, which was previously used only for reference temperature control. Estimates indicated that the RCFOS designed based on this concept can measure ambient temperatures ranging from -60°C to +300°C with a sensitivity of approximately 13 pm/°C using AFBS. Additionally, it can measure temperatures from +10°C to +60°C with a sensitivity of approximately -500 pm/°C using a sequential FPR scheme. Relative humidity can be measured with a sensitivity of roughly 400 pm/%RH within the 20% to 90% RH range, while air pressure can be measured with a sensitivity of approximately 400 pm/MPa up to 0.5 MPa using the parallel FPR scheme.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Radik M. Shagvaliev

PJSC «Tatneft»

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

Head of the Security Center. Research interests – fiber-optic sensor systems. Author of six scientific publications.

Russian Federation, 75, Leninа Street, Almetyevsk, 423450

Oleg G. Morozov

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

Author for correspondence.
Email: OGMorozov@kai.ru
ORCID iD: 0000-0003-4779-4656
SPIN-code: 4446-4570

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor at the Department of Radio Photonics and Microwave Technologies. Research interests – microwave photonics, fiber-optic sensors and interrogation systems, information-measuring and telecommunication systems of optical and microwave ranges. The author of 976 scientific publications and patents.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

Airat Z. Sakhabutdinov

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

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

Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Professor at the Department for Radio-Photonics and Microwave Technologies. Research interests – fiber-optic sensor measuring systems based on distributed and Bragg structures. The author of 410 scientific publications and patents.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

Gennady A. Morozov

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

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

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor at the Department for Radio-Photonics and Microwave Technologies. Research interests – microwave technologies and their applications in industry, medicine, agriculture, and military services. The author of 474 scientific publications and patents.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

Dmitry S. Grabovetsky

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

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

PhD student at the Department for Radio-Photonics and Microwave Technologies. Research interests – fiber-optic sensors. The author of 16 scientific publications and patents.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

Denis N. Matveyev

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

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

PhD student at the Department for Radio-Photonics and Microwave Technologies. Research interests – fiber-optic sensors. The author of 9 scientific publications and patents.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

Nikita D. Smirnov

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

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

Master's student at the Department for Radio-Photonics and Microwave Technologies. Research interests – fiber optic sensors. The author of 23 scientific publications.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. General diagram of the RCFOS on two parallel FPR with the Vernier effect

Download (5KB)
3. Fig. 2. General diagram of the RCFOS on two sequential FPR with the Vernier effect

Download (5KB)
4. Fig. 3. Structure diagram of two parallel  FPR1 and FPR2 for the RCFOS, that are differ in the presence or absence of a hole for air access to the resonator

Download (104KB)
5. Fig. 4. Structure diagram of two sequential FPR1(L1) and FPR2(L2) for the RCFOS

Download (76KB)
6. Fig. 5. FPR sections of the RCFOS

Download (46KB)
7. Fig. 6. Radiophotonic interrogation of the Fabry-Perot interferometer using radiation generated in a multicomponent AFBS

Download (48KB)

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».