Sơ đồ hệ thí nghiệm được bố trí như hình vẽ:
Hình 4.7. Sơ đồ hệ thí nghiệm khảo sát độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg
Nguồn sáng laser Máy phân tích quang phổ (OSA) Điều khiển nhiệt độ Lò nhiệt FBG
Các thiết bị đƣợc sử dụng
STT Tên thiết bị, dụng cụ Chức năng Tính năng 1 Lò nhiệt Dùng để cấp nhiệt cho thí nghiệm 100W 2 Nguồn laser Làm nguồn bơm cho sợi quang
3 Máy phân tích phổ Thu nhận và xử lý phổ quang Độ phân giải 0,01nm
4 Điều chỉnh nhiệt độ Đọc và điều khiển nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm
Tăng giảm từng 1oC một
Trong thí nghiệm này , sensor đƣợc đặt trong một buồng nhiệt có thể điều khiển đƣợc nhiệt độ bởi các Rơle nhiệt với độ chính xác tƣ̀ng 1oC một . Đồng thời trong buồng nhiệt này ta cũng lắp đặt bên cạnh sensor Bragg , sensor cặp nhiệt điện để làm thiết bị chuẩn chỉnh nhiệt độ. Tín hiệu đƣa vào trong cách tử vẫn đƣợc bơm bởi nguồn laser phổ rộng, còn tín hiệu ra vẫn đƣợc nhận biết bởi máy phân tích phổ OSA nhƣ ở phần trên.
Lúc đầ u nhiệt độ đƣ ợc đặt tại 30oC, bƣớc sóng Bragg tƣơng ƣ́ng tại đó là 1555,92 nm. Sau đó nhiệt độ đƣợc tăng lên , trong giai đoạn đầu tƣ̀ng 1o C một, sau đó là từng 5oC một, cho đến khi nhiệt độ đạt tới giá trị 120oC thì dƣ̀ng lại , bƣớc sóng Bragg tƣơng ƣ́ng tại đó là 1556,83 nm. Tại mỗi nhiệt độ đƣợc thiết lập , thời gian đƣợc dành ra 30s để ổn định nhiệt độ , sau đó các kết quả đƣợc ghi chép lại trong khoảng thời gian 30s và đƣợc lấy giá trị trung bình . Kết quả cho thấy đƣờng tƣơng quan giƣ̃a bƣớc sóng và nhiệt độ là một đƣờng tƣơng đối tuyến tính và đƣợc biểu diễn trên đồ thị 4.8. Độ nhạy đo đƣợc của sensor vào khoảng 0,01nm/oC. Kết quả này sai khác một ít với giá trị tính toán ở trên. Theo chúng tôi, sƣ̣ sai khác này có thể là do các giá trị α, n, và đặc biệt là dn/dT của loại cách tƣ̉ này không giống với các giá trị thƣờng gặp .
4.2.3. Về vấn đề nâng cao độ nhạy của sensor nhiệt độ FBG
Thông thƣờng sensor đƣợc chế tạo từ cách tử quang sợi Bragg để trần chỉ có thể đạt đƣợc độ nhạy vào cỡ 0.0125nm/oC. Ta thấy rằng đây là một độ nhạy rất thấp theo nghĩa so sánh với độ phân giải bƣớc sóng của thiết bị phân tích quang phổ mà ta sử dụng. Muốn tăng độ nhạy ta có thể có hai biện pháp. Một là sử dụng những thiết bị phân tích bƣớc sóng có độ nhạy lớn hơn. Đây là một phƣơng án rất tốn kém bởi vì ta biết rằng để đạt tới độ phân giải cỡ 0,01 nm đã là một cố gắng lớn và đòi hỏi thiết bị phải đƣợc chế tạo rất tinh vi và chính xác nên rất đắt tiền. Phƣơng án thứ hai là tìm các biện pháp nhằm nâng cao độ nhạy của sensor sử dụng cách tử quang sợi Bragg. Đây là
Hình 4.9. Phổ phản xạ của cách tƣ̉ Bragg tại các nhiệt độ khác nhau
1555.92 1556,02 1556,12 1556,23 Bƣớc sóng, nm
30oC 40oC 50oC 60oC
Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi bƣớc sóng theo nhiệt độ
C ƣ ờ n g đ ộ
một phƣơng án khả thi hơn và đang thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới.
Một trong những hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm triển khai là phƣơng án bao phủ cách tử quang sợi Bragg bởi những vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn. Cơ sở lý thuyết của phƣơng án này là lợi dụng hệ số giãn nở nhiệt lớn của các vật liệu đƣợc dùng để bao phủ sensor nhằm tăng cƣờng độ nhạy cho sensor. Thật vậy, ta hãy xét công thức mô tả độ dịch bƣớc sóng theo nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg:
( 1 ) dT dn n T o (4.5)
Trong công thức này, α là hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu silica dùng để chế tạo cách tử, nó có giá trị vào khoảng 0,55.10-6 oC-1. Ta biết rằng nếu nhƣ so sánh hệ số giãn nở nhiệt này với hệ số giãn nở nhiệt của nhiều loại vật liệu khác thì hệ số này nhỏ hơn nhiều. Chính vì thế mà ta có thể sử dụng các loại vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn bao phủ lên cách tử trần để tăng cƣờng độ nhạy nhiệt độ cho nó.
Vật liệu α(10-6/oC) Chì Nhôm Đồng thau Đồng đỏ Thép Thủy tinh thƣờng Thủy tinh Pyrex Hợp kim inva
Thủy tinh nóng chảy
29 23 19 17 11 9 3,2 0,7 0,5
Một số những bài báo công bố gần đây đã cho thấy sự tập trung nghiên cứu nhằm nâng cao độ nhạy của sensor nhiệt độ FBG theo hƣớng này của các tác giả. Taylor và Lee [30] cùng các cộng sự đã tạo ra các sensor đƣợc bao phủ bởi nhôm (có điểm nóng chảy ở 660oC) bằng cách rót nhôm nóng chảy vào một khuôn làm bằng than chì. Li [29] sử dụng ngay lớp cladding bằng chì để tăng cƣờng độ nhạy. Còn Baldini [24] thì sử dụng kỹ thuật phun màng để tạo một lớp vỏ hỗn hợp của vàng và titan lên sợi quang đơn mode. Nhƣ vậy ta thấy về cơ bản, các phƣơng án trên đều dựa trên cơ sở lợi dụng những vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn nhằm làm tăng sự biến dạng áp buộc lên cách tử Bragg, nhằm tạo nên một độ nhạy nhiệt độ lớn hơn.
Bảng 1. Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại vật liệu
Sau đây, tôi sẽ đề xuất một phƣơng án khác nhằm nâng cao hơn nữa độ nhạy của sensor nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg. Cơ sở của phƣơng án đó là lợi dụng hệ số giãn nở nhiệt ảo do cấu trúc thiết kế đem lại để tăng cƣờng độ nhạy nhiệt độ cho sensor.
Cơ sở của khái niệm hệ số giãn nở nhiệt ảo v:
Xét hai thanh vật liệu có độ dài ban đầu tại nhiệt độ To lần lƣợt là L01 và L02. Hệ số giãn nở nhiệt tƣơng ứng của chúng là 1 và 2. Các điều kiện ban đầu cần đƣợc thiết lập là: L01> L02 và 1 2.
Nhƣ vậy ta có độ dài đoạn thiếu hụt của L02 với L01 là: Lov= L01-L02
Giả sử nhiệt độ tăng lên một lƣợng ΔΤ, độ dài của các thanh L01 và L02 lúc này trở thành L1 và L2, chúng có giá trị:
L1 = L01(1+1ΔΤ) (4.6) L2 = L02(1+2ΔΤ) (4.7) Độ dài đoạn thiếu hụt giữa L2 với L1 khi đó là:
Lv = L1-L2 = (L01-L02)+(1L012L02)T LV = Lov + Lov T L L L ov ) (1 01 2 02 (4.8) Lv = Lov(1+vT) với αv = 02 01 02 2 01 1 02 2 01 1 L L L L L L L ov (4.9) Đặt k= 02 01 L L , ta suy ra L01 L02 L0v L1 L2 Lv
Hình 4.10. Sơ đồ mô tả hai loại vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau
αv = 1 2 1 k k ; (4.10) lim 1 lim 1 2 1 1 k k k k v ; (4.11)
Tức là độ giãn nở nhiệt ảo có thể có một giá trị rất lớn. Giá trị đó tùy thuộc vào các giá trị chọn lựa ban đầu nhƣ α1, α2 và đặc biệt là tỷ số độ dài k giữa L01 và L02.
Ta hoàn toàn có thể lợi dụng sự giãn nở nhiệt ảo này để tăng cƣờng độ nhạy nhiệt độ cho các sensor FBG. Thật vậy, nếu ta gắn sợi cách tử lên cơ cấu này nhƣ hình vẽ dƣới đây, thì khi đó sự dài ra của Lv khi tăng nhiệt độ lên khoảng ΔΤ sẽ đƣợc chuyển lên thành sự dài ra của sợi cách tử. Tất nhiên đây là một điều gần đúng bởi vì ở đây ta đã đơn giản hóa mô hình và không xét đến ảnh hƣởng của sức căng giữa các vật liệu. Tuy nhiên sự ảnh hƣởng này là không đáng kể bởi vì theo nhƣ hình vẽ, tiết diện của sợi cách tử bé hơn nhiều lần so với tiết diện của các thanh vật liệu L1 vàL2, do đó ảnh hƣởng về sức căng của nó lên độ biến dạng của các thanh là không đáng kể. Nhƣ vậy, có thể coi gần đúng các thanh L1 và L2 chỉ bị biến dạng do nhiệt. Nói cách khác, lúc này ta có thể coi nhƣ sợi cách tử đã có hệ số giãn nở nhiệt gần đúng với giá trị αv mà ta đã tính ở trên.
Nhƣ vậy với mô hình này, ta hoàn toàn có thể tăng cƣờng đƣợc độ nhạy cho các sensor nhiệt độ sử dụng cách tử FBG. Hơn thế nữa với việc chọn lựa tỷ số k giữa các độ dài ban đầu, ta có thể chọn lựa đƣợc các giá trị thích hợp đối với độ nhạy cho những tình huống sử dụng khác nhau.
Để rõ hơn, ta hãy chọn lựa hai loại vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau làm ví dụ. Hai loại vật liệu đó là nhôm (α1=23.10-6/oC ) và hợp kim inva (α2=0,7.10-6/oC). Khi đó: 6 10 . 1 7 , 0 23 k k v (4.12) Hình 4.11. Cấu trúc nhằm tăng cƣờng độ nhạy của sensor đo nhiệt độ
Ta có bảng giá trị của αV theo k.
k 3 2,5 2 1,8 1,6 1,4 1,3 1,2 1,1
αv (10-6/oC) 34,15 37,87 45,3 50,88 60,17 78,75 97,33 134,5 246
Ta thấy rằng với cấu trúc này, ta có thể đạt đƣợc tới độ giãn nở nhiệt ảo lên tới 246.10-6/oC nhƣ bảng tính toán trên đây, nghĩa là lớn hơn gấp 10 lần hệ số giãn nở nhiệt thông thƣờng của nhôm, chú ý rằng đó cũng chƣa phải là giá trị giới hạn. Nhƣ vậy ta hoàn toàn có thể lợi dụng mô hình cấu trúc này để tăng cƣờng độ nhạy cho sensor nhiệt độ dựa trên cách tử quang sợi Bragg. Tất nhiên ta chỉ có thể tăng cƣờng độ nhạy tới một giới hạn nào đó chứ không thể là vô cùng lớn bởi vì nếu vƣợt quá giới hạn ấy, cấu trúc sẽ bị phá vỡ.
Taylor, Lee [29]và cộng sự khi sử dụng nhôm để bao phủ cách tử trần đã có thể nâng cao độ nhạy của cách tử lên hai lần so với giá trị để trần. Với cách thức mô tả ở trên, nơi mà hệ số giãn nở nhiệt có thể coi lớn hơn nhôm nhiều lần, thì hoàn toàn có thể tạo ra một độ nhạy lớn hơn nữa.
Bảng 2. Hệ số giãn nở nhiệt ảo tính theo k
KẾT LUẬN
.
Nội dung của luận văn có thể đƣợc tóm lƣợc trong các kết luận sau:
1. Đã trình bày một cách tổng quan về cách tử quang sợi Bragg và những sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg. Đây là một kỹ thuật mới đang rất phát triển và có tiềm năng ứng dụng to lớn. Tại Việt Nam, những nghiên cứu về lĩnh vực này chỉ mới đƣợc bắt đầu, vì vậy những nghiên cứu trong luận văn này phần lớn có tính chất thử nghiệm nhằm nghiên cứu khả năng sử dụng loại cách tử này để chế tạo các loại sensor.
2. Đã thiết kế mô hình sensor đo vi dịch chuyển trên máy tính và tiến hành chế tạo. Các kết quả khảo sát sensor đo vi dịch chuyển cho thấy chúng có khả năng đo đƣợc những khoảng dịch chuyển nhỏ tới 2 µm.
3. Đã khảo sát độ nhạy nhiệt độ của sensor cách tử quang sợi Bragg trần. Kết quả khảo sát cho thấy độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg dạng trần vào cỡ 10C/0,01nm. Với thiết bị phân tích quang phổ hiện đại có độ phân giải bƣớc sóng lên tới 0,01nm, ta hoàn toàn có thể sử dụng loại sensor này để thei dõi những khoảng thay đổi nhiệt độ ở cỡ 1oC.
4. Đã đề xuất mô hình cho phép tăng cƣờng độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg. Theo suy nghĩ của tác giả, đây là một mô hình có ý nghĩa và là kết quả quan trọng nhất của luận văn bởi vì vấn đề nâng cao độ nhạy nhiệt độ của cách tử là vấn đề thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, và thực sự nó cũng đem lại những lợi ích kinh tế thiết thực. Tuy nhiên phần lớn những biện pháp nhằm nâng cao độ nhạy cho cách tử quang sợi Bragg đều giới hạn trong kỹ thuật bao phủ cách tử trần bởi những loại vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn. Mô hình này là một kỹ thuật hoàn toàn mới cho phép nâng cao độ nhạy nhiệt độ của cách tử hơn bất cứ độ nhạy nào khác đƣợc tạo ra bởi cách bao phủ cách tử bằng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn.
Tuy nhiên còn nhiều vấn đề mà luận văn chƣa làm đƣợc, chẳng hạn nhƣ việc khảo sát hoạt động của sensor tại các tần số dao động khác nhau, khảo sát vùng làm việc của sensor..v.v. Thêm vào đó, vấn đề giảm thiểu các thăng giáng bƣớc sóng một cách ngẫu nhiên trong quá trình thu-phát tín hiệu cũng cần đƣợc xử lý nhằm nâng cao hơn nữa độ chính xác trong mỗi phép đo. Đây là các vấn đề cần đƣợc đặt ra trong các công việc tiếp theo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Thanh Hƣờng (2006), “Luận án Tiến sĩ Vật liệu học”, Viện Khoa học Vật liệu-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Tiếng Anh
2. A. D. Kersey, M. A. Davis, and D. G. Bellemore (1995), “Development of fiber sensors for structural monitoring”, in Proc. SPIE Nonderstructive Evaluation of Aging Bridges and Highways, Oakland, CA, June, vol.2456, p.262.
3. A. Fernandez Fernandez, B. Brichard, P. Borgermans, F. Berghmans,M. 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, J. 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, Vol. 3, No. 2.
8. Bashir Ahmad Tahir, 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.
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, Technol. 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. M. Tao and X. Y.Dong (2000), “Simualtaneous Strain and Temperature Measurement Using a Super structure Fiber Bragg Grating”, IEEE Photon, Technol, Lett., Vol.12, No, 6, 675-677.
14. Hideaki Iwaki, Hiroshi Yamakawa, Keiji Shiba, Akira Mita (2005), “Structural health monitoring system using FBG-based sensors for damege tolerant building”, 3th International Workshop on SHM, Stanford university, September, p 12-14.
15. Jeffrey Juergens and Grigory Adamovsky, Bertram Floyd (2004), “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: Application to 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. Lett., Vol. 8, No. 9, 1223-1225.