Nghiên cứu ứng dụng cách tử quang sợi bragg với chu kỳ nano trong kỹ thuật sensor nhạy nhiệt độ và vi dịch chuyển

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THÀNH CÔNG Nghiên Cứu ứng dụng cách tử quang sợi Bragg với chu kỳ nano kỹ thuật sensor nhạy nhiệt độ vi dịch chuyển Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Trần Thị Tâm Hà Nội, 2008 Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới cô giáo Trần Thị Tâm, Ngƣời Thầy tận tình hƣớng dẫn suốt thời gian thực luận văn Không có quan tâm dẫn dắt cô luận văn hoàn thành! Tôi xin gửi lời cảm ơn tới anh Đỗ Ngọc Chung cán phòng Kỹ thuật Laser, Viện Khoa học Vật liệu tạo điều kiện cho đƣợc làm thí nghiệm phòng Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy cô trƣờng Đại học Công Nghệ Những Ngƣời Thầy truyền thụ cho kiến thức quý báu suốt hai năm học vừa qua Tôi nhớ tới lòng nhiệt tình quan tâm dìu dắt mà họ dành cho chúng tôi! Để hoàn thành luận văn này, dành đƣợc động viên lớn từ phía gia đình bạn bè Đặc biệt, động viên mong đợi từ ngƣời thân gia đình động lực để hoàn thành luận văn Tôi nghĩ tới họ với lòng yêu quý, kính trọng biết ơn sâu sắc! Lời cam đoan Tôi cam đoan kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố nơi khác Hà Nội, ngày 07 tháng 12 năm 2007 Học viên: Trần Thành Công MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục bảng biểu Error! Bookmark not defined Danh mục hình vẽ, đồ thị .iii Danh mục từ viết tắt .iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG 1.1 Sơ lƣợc sợi quang 1.1 Các thông số sợi quang 1.1.2 Sự biến đổi chiết suất sợi quang 10 1.1.3 Cấu trúc sợi quang 10 1.1.4 Một số phương pháp chế tạo sợi quang Error! Bookmark not defined 1.1.5 Phân loại sợi quang Error! Bookmark not defined 1.2 Các loại cách tử Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cách tử cưa Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cách tử hình sin Error! Bookmark not defined 1.2.3 Cách tử lớp Error! Bookmark not defined 1.2.4 Cách tử Bragg Error! Bookmark not defined 1.2.5 Cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined CHƢƠNG2: CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG Error! Bookmark not defined 2.1 Khái niệm cách tử quang sợi Bragg (FBG)Error! Bookmark not Bookmark not defined 2.2 Các tính chất cách tử quang sợi BraggError! defined 2.2.1 Các tính chất chung Error! Bookmark not defined 2.2.2 Sự phụ thuộc bước sóng Bragg vào nhiệt độ kéo căng Error! Bookmark not defined 2.3 Chế tạo cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined 5 2.3.1 Vật liệu để chế tạo cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined 2.3.2 Các kỹ thuật quang khắc cách tử quang sợi BraggError! Bookmark not defined 2.4 Các loại cách tử đặc biệt Error! Bookmark not defined 2.5 Ứng dụng cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined 2.5.1 Bộ lọc bước sóng WDM Error! Bookmark not defined 2.5.2 Thiết bị bù tán sắc Error! Bookmark not defined 2.5.3 Thiết bị laser khuyếch đại quang Error! Bookmark not defined 2.5.4 Thiết bị sensor Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: CÁC SENSOR DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG Error! Bookmark not defined 3.1 Các loại sensor dựa cách tử quang sợi BraggError! Bookmark not defined 3.1.1 Sensor đo độ căng Error! Bookmark not defined 3.1.2 Sensor đo dịch chuyển Error! Bookmark not defined 3.1.3 Sensor đo nhiệt độ Error! Bookmark not defined 3.1.4 Sensor đo áp suất Error! Bookmark not defined 3.1.5 Sensor đo gia tốc Error! Bookmark not defined 3.1.6 Sensor đo sóng âm Error! Bookmark not defined 3.2 Một số hƣớng nghiên cứu đáng quan tâm sensor dựa FBG Error! Bookmark not defined 3.2.1.Các phƣơng pháp phân tích số liệu tích hợpError! Bookmark not defined 3.2.2.Các phương pháp phân tách, đo kết hợp nhiều thông số Error! Bookmark not defined 3.2.3.Tích hợp FBG cấu trúc hệ vật liệu thông minh Error! Bookmark not defined 3.3 Những ƣu điểm sensor dựa cách tử FBG Error! Bookmark not defined 6 3.3.1 Kích thước nhỏ Error! Bookmark not defined 3.3.2 Khả đa tích hợp cao Error! Bookmark not defined 3.3.3.Không bị nhiễu loạn điện trường Error! Bookmark not defined 3.3.4 Khả ứng dụng đa dạng Error! Bookmark not defined 3.3.5 Lắp đặt dễ dàng giá thành rẻ Error! Bookmark not defined 3.3.6 Khả đo đạc khoảng cách xaError! Bookmark not defined 3.3.7 Tuổi thọ cao Error! Bookmark not defined 3.4 Thị trƣờng sensor dựa cách tử FBGError! Bookmark not defined CHƢƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT SENSOR ĐO VI DỊCH CHUYỂN VÀ NHIỆT ĐỘ DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG Error! Bookmark not defined 4.1 Sensor đo vi dich ̣ chuyể n Error! Bookmark not defined 4.1.1 Thiết kế Error! Bookmark not defined 4.1.2 Chế tạo Error! Bookmark not defined 4.1.3 Nguyên tắc hoạt động Error! Bookmark not defined 4.1.4 Kết thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.2 Khảo sát độ nhạy nhiệt độ cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined 4.2.1 Nguyên tắc Error! Bookmark not defined 4.3.2 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.2.3 Về vấ n đề nâng cao đô ̣ nhạy sensor nhiệt độ FBG Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, vấn đề kiểm soát độ bền công trình xây dựng kiến trúc dân sinh ngày đƣợc quan tâm, đòi hỏi phải có theo dõi độ biến dạng kết cấu theo thời gian Thêm vào biến động địa chất tạo vết nứt đất ảnh hƣởng tới độ bền công trình xây dựng , kiến trúc dân sinh Ít nhiều chúng gây thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại to lớn cho ngƣời Một vấn đề lớn đƣợc đặt ghi nhận dự đoán trƣớc đƣợc thay đổi đó, kể lớp địa tầng, địa chất để giảm thiểu tối đa thiệt hại? Một câu trả lời phải tiến hành đo độ biến dạng, đo độ vi dịch chuyển lớp địa tầng nơi khảo sát, kết cấu xây dựng, từ đƣa giải pháp phòng ngừa thích hợp Sensor sử dụng cách tử Bragg loại sensor đại, đƣợc phát triển khoảng 20 năm gần Với hàng loạt ƣu điểm bật nhƣ dễ chế tạo, độ nhạy cao, dễ lắp đặt, không chịu ảnh hƣởng điện từ trƣờng, khả đa tích hợp lớn [27,29], loại sensor ngày tỏ có thị trƣờng tiềm to lớn Đặc biệt, hữu ích kỹ thuật đo từ xa, đo diện rộng[4,24], hay việc kiểm soát thông số lớp địa tầng, địa chất, công trình xây dựng, cầu cống, hầm mỏ[2] Sensor sử dụng cách tử Bragg đƣợc nghiên cứu nhằm ứng dụng ngành công nghiệp hạt nhân [3], công nghiệp vũ trụ[15] Thêm vào đó, khả ứng dụng sensor sử dụng cách tử quang sợi Bragg đa dạng Sử dụng cách tử Bragg chế tạo loại sensor đo dịch chuyển, sức căng, nhiệt độ, áp suất [8,34,30] vv với độ xác cao Nhƣ vậy, ta thấy tiềm ứng dụng sensor dựa cách tử Bragg lớn, từ ứng dụng thƣờng gặp đời sống hàng ngày đến ứng dụng lĩnh vực đặc biệt, từ ngành công nghiệp truyền thống nhƣ cầu cống, hầm mỏ đến ngành công nghiệp đại nhƣ công nghiệp hạt nhân, hàng không vũ trụ v.v Chính mà nhiều phòng thí nghiệm giới tập trung nghiên cứu nhằm phát triển ngành sensor dựa loại cách tử quang sợi Bragg Nắm bắt đƣợc xu này, Việt Nam nay, có số nhóm bƣớc đầu triển khai đề tài nghiên cứu nhằm sử dụng cách tử Bragg kỹ thuật sensor, chẳng hạn nhƣ nhóm nghiên cứu PGS TS Nguyễn Văn Hội, Viện Khoa học Vật liêu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Đi xu nghiên cứu nhận thấy đƣợc tầm quan trọng lĩnh vực nghiên cứu này, nữa, điều kiện để triển khai nghiên cứu lại không tốn kém, đòi hỏi kỹ thuật cao nhƣ đầu tƣ đắt tiền, nghĩa việc triển khai đề tài nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với điều kiện nghiên cứu Việt Nam Do đó, chọn đề tài để nghiên cứu với mục tiêu thiết lập kỹ thuật bƣớc đầu nhằm chế tạo loại sensor đo vi dịch chuyển với độ nhạy tới cỡ vài µm sensor đo nhiệt độ với độ nhạy tới 2oC Hy vọng tƣơng lai không xa, đƣa đƣợc kỹ thuật ứng dụng thực tế để khảo sát biến dạng số khu vực địa tầng, địa chất định Nội dung luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng: Chƣơng Sơ lƣợc dẫn sóng quang sợi quang Chƣơng Cách tử quang sợi Bragg Chƣơng 3.Các sensor dựa cách tử quang sợi Bragg Chƣơng Chế tạo sensor vi dịch chuyển nhiệt độ dựa cách tử Bragg Cuối phần kết luận số đề xuất hƣớng nghiên cứu tƣơng lai nhằm cải thiện chất lƣợng thiết bị Luận văn đƣợc thực khuôn khổ đề tài: QC.06.23, ĐHQG Hà Nội 9 CHƢƠNG SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG 1.1 Sơ lƣợc sợi quang 1.1 Các thông số sợi quang Sợi quang gồm lõi dẫn có chiết suất n1, bán kính a Lớp vỏ vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 có bán kính b Các tham số n1, n2, a định tính chất truyền dẫn sợi quang Đó tham số cấu trúc Các chiết suất n1 n2 khác nên độ lệch chiết suất tỷ đối ∆ thƣờng nhỏ (∆[...]...11 Sợi quang 0,9mm Lớp phủ Lớp đệm mềm Lớp vỏ Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp Hình1.1 Cấu trúc của một sợi quang TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Vi t 1 Nguyễn Thanh Hƣờng (2006), “Luận án Tiến sĩ Vật liệu học”, Vi n Khoa học Vật liệu -Vi n Khoa học và Công nghệ Vi t Nam Tiếng Anh 2 A D Kersey, M A Davis, and D G Bellemore (1995), “Development of fiber sensors for structural monitoring”,... “Application and techniques for fibre Bagg grating sensor measurement, Fibre Bragg Grating sensor , White paper # 1 of a series 28 www.fos-s.be 29 Xiao Chun Li (2001), “Embedded sensors in layered manufacturing”, Ph D Dissertation, Stanford University 30 Xao Chun Li, Fritz Prinz, John Seim (2001), “Thermal behavior of a metal embedded fiber Bragg grating sensor , Smart Mater Struct.10 pp 57-579 31 Xie,... Jahil Ali and Rosly Abdu Rabman (2005), “Strain measurements using fibre Bragg grating”, Amerian journal of applied science, p 40-48 9 D A Jackson et al (1993), “ Simple multiplexing scheme for fiber Bragg grating network using”, Optic letter, vol 18, p 1193 12 10 Du, W C., X M Tao and H Y Tam (1999), “Fiber Bragg Grating Cavity Sensor for Simualtaneous Measurement of Strain and Temperature”, IEEE Photon,... Letter, Vol.11, 1, 105-107 11 G Gagliardi, M Salza, P Ferraro, P De Natale (2005), “Fiber Bragg- grating strain sensor interrogation using laser radio-frequency modulation”, Optics Express Vol.13, No 7 12 Gang-Chil Lin, Likarn Wang, C.C Yang M.C Shih, T.J Chuang (1998), “Thermal performance of metal-clad fiber Bragg grating sensors”, IEEE Photonics technology letters, vol.10, no 3 13 Guan, B O., H Y Tam, X... Decreton, P Megret, M Blondeland A Delchambre (2004), “Fibre Bragg grating temperature sensors for harsh nuclear environments”, Belgian Nuclear Research Centre, Boeretang 200, B-2400 Mol, Belgium 4 Alan D Kersey, Michael A Davis, Hearther J Patrick, Michel LeBlanc, K.P Koo, C.G Askins, M.A Putnam, E Joseph Friebele (1997), “Fiber Grating Sensors”, Journal of Lightwave Technology, Vol 15, No 8 5 Archambault,... reflection fiter fabrication”, Apply Physics Letter, 32(10) 18 M A Davis and A D Kersey (1995), “Matched-filter interrogation technique for fiber Bragg grating senssor arrays”, Electron Lett., vol 31,p 822 19 Patrick, H J., G M Williams, A D Kersey, J P Pedrazzani and A M Vengsarkar (1999), “Hybrid Fiber Bragg Grating/Long Period Fiber Grating Sensor for Srain/Temperature Discrimination”, IEEE Photon Technol... Krishnaswamy (2003), “Response of a fiber Bragg grating ultrasonic sensor , Opt.Eng 42(4) 956-963 21 Roel Van Boxel (2005), Bragg Gratings in photosensive Graded Index Polymer Optical Fibres”, Ph D Dissertation, Ktholieke Universiteit Leuven 22 S Abad, F M Araujo, L A Ferreira, J L Santos, and M Lopez-Amo (2003), “Interrogation of Wavelenth Multiplexed Fiber Bragg Gratings Using Spectral Filtering and... S.T.Oh, W.T Han, U C Paek, Y.Chung (2004), “Discrimination of temperature and strain with a single FBG based on the birefringence effect”, Optics Express Vol.12, No.4 pp 724 24 Seiji Kojima, Shinji Komatsuzaki, Yoshinori Kurosawa, Akihito Hongo (2004), “ Embedding type strain sensors using small-diameter fiber Bragg grating to composite laminate strutures”, HITACHI CABLE REVIEW No.23 25 Shilie Zheng... L.; Reekie, L.; Russell, P S J "100-Percent Reflectivity Bragg Reflectors Produced in Optical Fibres By Single Excimer-Laser Pulses" Electronics Letters 20 6 B S Kawasaki, Jack Niemczuk, Jason Kidy, Toni Salter , “Review of fiber optic accelerometers”, Systems Planning & Analysis, Inc, 7 B S Kawasaki, k O Hill, D C Johnson, Y Fujii (1978), “Narrow-band Bragg reflectors in optical fibers”, Optics Letters,... “Performance Evaluation of Fiber Bragg Gratings at Elevated Temperatures”, NASA/TM—2004-212888 16 Jung, J H Nam, J H Lee, N Park and B Lee (1999), “Simualtaneous Measurement of Strain anf Temperature by Use of a Single-fiber Bragg Grating and an Erbium doped FiberAmplifier” Appl Opt., Vol 38, No.13, 2749-2751 17 K.O Hill, Y Fijii, D.C Johnson, B.S Kawasaki (1978), “Photosensitivity inoptical fiber waveguides: