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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THÀNH CÔNG Nghiên Cứu ứng dụng cách tử quang sợi Bragg với chu kỳ nano trong kỹ thuật sensor nhạy nhiệt độ và vi dịch chuyển Ngườ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THÀNH CÔNG

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

Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Tâm

Hà Nội, 2008

Lời cảm ơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới cô giáo Trần Thị Tâm, Người Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn này Không

có sự quan tâm dẫn dắt của cô thì bản luận văn này không thể hoàn thành!

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới anh Đỗ Ngọc Chung và các cán bộ phòng Kỹ thuật Laser, Viện Khoa học Vật liệu đã tạo điều kiện cho tôi được làm các thí nghiệm tại phòng

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới những thầy cô của trường Đại học Công Nghệ Những Người Thầy đã truyền thụ cho chúng tôi những kiến thức quý báu trong suốt hai năm học vừa qua Tôi sẽ luôn nhớ tới lòng nhiệt tình và sự quan tâm dìu dắt mà họ đã dành cho chúng tôi!

Để hoàn thành bản luận văn này, tôi đã dành được một sự động viên rất lớn từ phía gia đình và bạn bè Đặc biệt, chính sự động viên và mong đợi từ những người thân trong gia đình là động lực chính để tôi hoàn thành luận văn này Tôi luôn nghĩ tới

họ với lòng yêu quý, sự kính trọng và biết ơn sâu sắc!

Lời cam đoan

Tôi cam đoan những kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực

và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kỳ nơi nào khác

Hà Nội, ngày 07 tháng 12 năm 2007

Học viên: Trần Thành Công

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 3

Danh mục các bảng biểu Error! Bookmark not defined. Danh mục các hình vẽ, đồ thị iii

Danh mục các từ viết tắt iv

MỤC LỤC 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ SỢI QUANG 9

1.1 Sơ lược về sợi quang 9

1.1 1 Các thông số về sợi quang 9

1.1.2 Sự biến đổi chiết suất của 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 răng 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.

CHƯƠNG2: CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG Error! Bookmark not defined 2.1 Khái niệm cách tử quang sợi Bragg (FBG)Error! Bookmark not defined.

2.2 Các tính chất của cách tử quang sợi BraggError! Bookmark not defined.

2.2.1 Các tính chất chung Error! Bookmark not defined 2.2.2 Sự phụ thuộc của bước sóng Bragg vào nhiệt độ và sự kéo căng Error! Bookmark not defined.

2.3 Chế tạo cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined.

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 của cách tử quang sợi Bragg Error! Bookmark not defined.

2.5.1 Bộ lọc bước sóng và WDM Error! Bookmark not defined 2.5.2 Thiết bị bù tán sắc Error! Bookmark not defined 2.5.3 Thiết bị laser và khuyếch đại quang Error! Bookmark not defined 2.5.4 Thiết bị sensor Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3: CÁC SENSOR DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG

Error! Bookmark not defined 3.1 Các loại sensor dựa trên 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 hướng nghiên cứu đáng quan tâm về sensor dựa trên FBG Error! Bookmark not defined 3.2.1.Các phương 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 trong các cấu trúc và các hệ vật liệu thông minh Error! Bookmark not defined.

3.3 Những ưu điểm chính của sensor dựa trên cách tử FBG Error!

Bookmark not defined.

3.3.1 Kích thước nhỏ Error! Bookmark not defined 3.3.2 Khả năng đa tích hợp cao Error! Bookmark not defined 3.3.3.Không bị nhiễu loạn bởi điện trường Error! Bookmark not defined 3.3.4 Khả năng ứng dụng đa dạng Error! Bookmark not defined 3.3.5 Lắp đặt dễ dàng và giá thành rẻ Error! Bookmark not defined 3.3.6 Khả năng đo đạc ở những khoảng cách xaError! Bookmark not

defined.

3.3.7 Tuổi thọ cao Error! Bookmark not defined.

3.4 Thị trường của sensor dựa trên cách tử FBGError! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 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 di ̣ch chuyển 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 quả thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.2 Khảo sát độ nhạy nhiệt độ của 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.

Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề kiểm soát độ bền các công trình xây dựng và các kiến trúc dân sinh đang ngày càng được quan tâm, đòi hỏi phải có sự theo dõi độ biến dạng của các kết cấu theo thời gian Thêm vào đó là sự biến động về địa chất tạo ra các vết nứt đất ảnh hưởng tới độ bền của các công trình xây dựng , kiến trúc dân sinh Ít nhiều chúng đã gây ra những thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại to lớn cho con người

Một vấn đề lớn được đặt ra là làm sao có thể ghi nhận và dự đoán trước được những sự thay đổi đó, kể cả trong các lớp địa tầng, địa chất để có thể giảm thiểu tối đa thiệt hại?

Một trong những câu trả lời là phải tiến hành đo độ biến dạng, đo độ vi dịch chuyển của lớp địa tầng nơi khảo sát, của các kết cấu xây dựng, từ đó đưa ra các giải pháp phòng ngừa thích hợp

Sensor sử dụng cách tử Bragg là một loại sensor hiện đại, mới được phát triển trong khoảng 20 năm gần đây Với hàng loạt những ưu điểm nổi bật như dễ chế tạo, độ nhạy cao, dễ lắp đặt, không chịu ảnh hưởng của điện từ trường, khả năng đa tích hợp lớn [27,29], loại sensor này đang ngày càng tỏ ra có một thị trường tiềm năng to lớn Đặc biệt, nó rất hữu ích trong các kỹ thuật đo từ xa, đo trên diện rộng[4,24], hay trong việc kiểm soát các thông số của các lớp địa tầng, địa chất, các công trình xây dựng, cầu cống, hầm mỏ[2] Sensor sử dụng cách tử Bragg cũng đã được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong các ngành công nghiệp hạt nhân [3], công nghiệp vũ trụ[15]

Thêm vào đó, khả năng ứng dụng của sensor sử dụng cách tử quang sợi Bragg cũng rất đa dạng Sử dụng cách tử Bragg có thể chế tạo các loại sensor đo dịch chuyển, sức căng, nhiệt độ, áp suất [8,34,30] vv với độ chính xác khá cao

Như vậy, ta có thể thấy rằng tiềm năng ứng dụng của các sensor dựa trên cách tử Bragg là rất lớn, từ những ứng dụng thường gặp trong đời sống hàng ngày đến những ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt, từ các ngành công nghiệp truyền thống như cầu cống, hầm mỏ đến những ngành công nghiệp hiện đại như công nghiệp hạt nhân, hàng không vũ trụ v.v Chính vì thế mà nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tập trung nghiên cứu nhằm phát triển ngành sensor dựa trên loại cách tử quang sợi Bragg này

Nắm bắt được xu thế này, ở Việt Nam hiện nay, đã có một số nhóm bước đầu triển khai các đề tài nghiên cứu nhằm sử dụng cách tử Bragg trong kỹ thuật sensor, chẳng hạn như nhóm nghiên cứu của PGS TS Nguyễn Văn Hội, Viện Khoa học Vật liêu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Đi cùng xu thế nghiên cứu ấy và nhận thấy được tầm quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu này, hơn nữa, các điều kiện để triển khai nghiên cứu lại không hề tốn kém,

đòi hỏi kỹ thuật cao cũng như đầu tư đắt tiền, nghĩa là việc triển khai đề tài nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam Do đó, tôi đã chọn đề tài này để nghiên cứu với mục tiêu thiết lập những kỹ thuật bước đầu nhằm chế tạo các loại sensor đo vi dịch chuyển với độ nhạy tới cỡ vài µm và sensor đo nhiệt độ với độ nhạy tới 2oC Hy vọng rằng trong tương lai không xa, có thể đưa được những kỹ thuật này ứng dụng trong thực tế để khảo sát sự biến dạng ở một số khu vực địa tầng, địa chất nhất định

Nội dung của luận văn được chia làm bốn chương:

Chương 1 Sơ lược về dẫn sóng quang và sợi quang

Chương 2 Cách tử quang sợi Bragg

Chương 3.Các sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg

Chương 4 Chế tạo sensor vi dịch chuyển và nhiệt độ dựa trên cách tử Bragg

Cuối cùng là phần kết luận và một số đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai nhằm cải thiện hơn nữa chất lượng của thiết bị

Luận văn này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài: QC.06.23, ĐHQG Hà Nội

CHƯƠNG 1

SƠ LƯỢC VỀ SỢI QUANG 1.1 Sơ lược về sợi quang

1.1 1 Các thông số về sợi quang

Sợi quang gồm một lõi dẫn có chiết suất n1, bán kính a Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 và có bán kính b Các tham số n1, n2, a quyết định tính chất truyền dẫn của sợi quang Đó là các tham số cấu trúc Các chiết suất n1 và n2 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỷ đối ∆ thường rất nhỏ (∆<<1)

Δ

1 1

2 1 2

1

2 2 2 1

n n

n n n

n









Phần lớn các sợi quang dùng trong thông tin quang hiện nay thường được chế tạo

từ Silica (SiO2) có độ sạch cao Sự thay đổi nhỏ của chiết suất được tạo ra khi pha một lượng nhỏ các tạp chất (ví dụ như titan, germani…) vào trong silica Bình thường, chiết suất của có giá trị thay đổi từ 1,44 đến 1,46, còn ∆ có giá trị trong khoảng 0,001 tới 0,02

Khi chùm ánh sáng từ bên ngoài không khí đi vào, để có thể lan truyền trong sợi quang thì góc θ phải nhỏ hơn một góc θc giới hạn Áp dụng định luật Snell, mối tương quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc cần phải thỏa mãn phương trình sau:

sin θa = n1sin θc (1.2)

với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi sợi quang giữa hai môi trường có chiết suất n1 và n2 ta có:

2 1/ 2

1

sina n(1 cos c) = 2 2 1/ 2

1 2

(n n ) (1.3) Bởi vậy:

1 2

arcsin(n -n )

a

Giá trị NA= được gọi là khẩu độ số của sợi quang Góc θa là góc nhận của sợi quang, đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang

Khẩu độ số là thông số đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với sợi quang Giá trị khẩu độ số thường nằm trong khoảng từ 0,14 đến 0,50

Kích thước của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay được dùng trong thông tin (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62,5/125), (85/125), (100/140) μm

Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền Bước sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn mode được gọi là bước sóng cắt:

2 2

1 2

2 2.045

c

a n n



   (1.5)

1.1.2 Sự biến đổi chiết suất của sợi quang

Sự biến thiên chiết suất của có thể biểu thị thông qua công thức sau:

n(r)=n1 1 2 ( )r g

a

  với -a≤r≤a (1.6) n(r)=n2 với r a (1.7) Ngày nay có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang được sử dụng thông dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có chiết suất là:

n= r 1,5 (1.8)

Trong đó εr là hằng số điện môi tương ứng của vật liệu

Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng hạn

từ thuỷ tinh, thạch anh, người ta thêm hoạt chất vào, ví dụ:

-cho GeO2 làm tăng chiết suất

-Cho Fluoride làm giảm chiết suất

1.1.3 Cấu trúc sợi quang

Cấu trúc chính của một sợi quang bao gồm lõi pha tạp được bọc bên trong một lớp thuỷ tinh Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc Hình vẽ dưới đây (1.1) chỉ ra cấu trúc điển hình của một sợi quang

Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự va đập, trầy xước gây nên vết nứt vỡ và giảm ảnh hưởng của vi uốn cong Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác động cơ học và sự thay đổi nhiệt độ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Nguyễn Thanh Hường (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

Sợi quang Lớp phủ Lớp đệm mềm Lớp vỏ

0,9mm

Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp

Hình1.1 Cấu trúc của một sợi quang

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”, 3 th

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

20 Pavel Fomithov, Sridhar 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

Amplitude-to-Phase Optical Conversion”, Journal of Lightwave Teachnology, Vol.21, No.1

23 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 and Xianmin Zhang (2005) , “Simultaneous Measurement of Pressure

and Temperature Using a Single Fiber Bragg Grating”, Progress In Electromagnetics

Research Symposium, Hangzhou, China, August 22-26, p 420-423