Квазираспределенная волоконно-оптическая информационно-измерительная система
QUASI-DISTRIBUTED FIBER-OPTICAL INFORMATION-MEASURING SYSTEM

Изобретение относится к устройствам для регистрации сигналов от набора датчиков физических величин на внутриволоконных решетках Брэгга в системах встроенного неразрушающего контроля, на станциях газоперекачки в составе САУ ГПА (система автоматичесого управления газоперекачивающим агрегатом), в составе иных систем, где нежелательно прекращение работы системы до планового останова (полета - в случае применения в системах встроенного контроля летательного аппарата), из-за повреждения измерительного тракта системы контроля.
Наиболее близкими по технической сущности и назначению являются системы встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков, содержащие источник широкополосного излучения, размещенные в технологическом порядке и соединенные между собой волоконно-оптическими кабелями оптический переключатель, оптический разветвитель, фотоприемное устройство (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов, ЭВМ, объект контроля, систему термостабилизации опорных брэгговских решеток и размещенный на объекте контроля по меньшей мере один измерительный канал с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с известной характеристикой длины волны отраженного излучения, соединенные одной стороной волоконно-оптического кабеля с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с оптическим разветвителем /RU 2510609 С2, МПК, G01B 11/16, опубл. 2006 г./.
Недостатком известного решения является чувствительность измерительного канала к повреждению волоконно-оптической линии связи, соединяющей в последовательную цепь опорную брегговскую решетку и датчики на основе волоконных брэгговских решеток. При повреждении линии (обрыве, перегибе радиусом менее допустимого по условиям оптических потерь) информация от датчиков на участке от места повреждения до ФПУ (фотоприемное устройство) теряется безвозвратно, что негативно сказывается на работе потребителей информации от датчиков (САУ, АСУП и т.п.).
Задача изобретения - разработка квазираспределенной оптико-электронной системы измерения физических величин повышенной живучести с датчиками на внутриволоконных решетках Брэгга.
Ожидаемый технический результат - повышение живучести измерительного тракта систем встроенного неразрушающего контроля технических устройств ответственного применения за счет использования свойства внутриволоконной брэгговской решетки отражать свет на индивидуальной длине волны с обеих сторон, а также за счет использования свойств пассивных многополюсных оптических элементов ветвления (разветвителей).
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известной системе встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков, содержащей источник широкополосного излучения, размещенные в технологическом порядке и соединенные между собой волоконно-оптическими кабелями оптический переключатель, оптический разветвитель, фотоприемное устройство (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов, ЭВМ, объект контроля, систему термостабилизации опорных брэгговских решеток и размещенный на объекте контроля по меньшей мере один измерительный канал с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с известной характеристикой длины волны отраженного излучения, соединенные одной стороной волоконно-оптического кабеля с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с оптическим разветвителем, по предложению система снабжена по меньшей мере одним дополнительным оптическим разветвителем, соединенным волоконно-оптическим кабелем с оптическим переключателем, фотоприемным устройством (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов и соединенным другой стороной волоконно-оптического кабеля с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с дополнительным оптическим разветвителем, при этом датчики и опорные брэгговские решетки соединены последовательно. Система термостабилизации опорных решеток и сами решетки могут быть расположены на объекте контроля или отдельно от него. Волоконно-оптические кабели со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток и с опорными брэгговскими решетками соединены между собой с помощью элементов ветвления светового потока излучения с образованием параллельных, или последовательных, или комбинированных соединений. Система в качестве элементов ветвления светового потока излучения содержит, по крайней мере, элементы одной из групп: комбайнеры, ститтеры, древовидные разветвители, звездообразные разветвители, широкополосные разветвители, разветвители доступа или мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны.
На чертеже приведена структурная блок-схема предлагаемого устройства.
Квазираспределенная волоконно-оптическая информационно- измерительная система содержит источник широкополосного излучения 1, соединенный волоконно-оптическим кабелем 2, с оптическим переключателем 3, оптическим разветвителем 4 и фотоприемным устройством (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов 5. На объекте контроля 6 размещены система термостабилизации 7 опорных брегговских решеток и волоконно-оптические кабели со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток 8, соединенные последовательно с опорными брэгговскими решетками и одним концом с оптическим разветвителем 4. Система оснащена по меньшей мере одним дополнительным оптическим разветвителем 9, соединенным с другим концом волоконно-оптическго кабеля со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток 8 и соединенным с оптическим переключателем 3 и фотоприемным устройством (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов 5, которое с помощью электрического кабеля 10 соединено с ЭВМ потребителя. Система термостабилизации 7 опорных решеток и сами решетки могут быть расположены на объекте контроля 6 или отдельно от него. Волоконно-оптические кабели со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток и с опорными брэгговскими решетками 8, размещенные на объекте контроля 6, могут быть соединены между собой с помощью элементов ветвления светового потока излучения с образованием параллельных, или последовательных, или комбинированных соединений. В качестве элементов ветвления светового потока излучения целесообразно использовать стандартные элементы, по крайней мере, одной группы: комбайнеры, ститтеры, древовидные разветвители, звездообразные разветвители, широкополосные разветвители, разветвители доступа или мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны.
Система работает следующим образом.
Свет от широкополосного излучателя 1 по волоконному световоду 2 поступает на оптический переключатель 3, настроенный на определенную частоту переключения (не выше четверти минимальной частоты составляющих излучаемого света). Далее свет по волоконным световодам 2 поочередно поступает на левый 4 или дополнительный правый 9 оптические разветвители (по количеству квазираспределенных измерительных каналов). Отраженные от внутриволоконных брэгговских решеток сигналы (эквивалентные измеряемым физическим величинам) в каждом такте переключения последовательно поступают на подключенный в данный момент оптический разветвитель (4 или 9) и через выходной полюс далее на ФПУ 5 и ЭВМ 10. ЭВМ идентифицирует канал по длине волны опорной брэгговской решетки и дает команду на блок регистрации ФПУ - информация от каналов, подключенных на данном такте переключения, регистрируется (либо передается далее потребителю).
В результате происходит регистрация отраженного полезного сигнала с двух сторон одной и той же решетки Брэгга со сдвигом на время такта переключения. С учетом того, что диапазон длин волн, используемый в одномодовом оптическом волокне, равен 1520-1580 нм, максимальная частота переключения при наличии 1 канала с двумя разветвителями составляет ≈47 ТГц, при наличии 100 каналов - 474 ГГц, при наличии 1000 каналов - 47,4 ГГц. Таким образом съем сигнала с обеих сторон решетки происходит со сдвигом в пикосекундном диапазоне, что вполне приемлемо для измерения вибрации, давления, температуры, перемещения и т.п. с сохранением информативности каждого канала. Частота реального оптического переключателя на светодиодах достигает 1 ГГц, следовательно, частота переключения 100 каналов - 10 МГц, 1000 каналов - 1 МГЦ, - что также более чем достаточно для опроса быстроменяющихся физических величин механических устройств (в частности - вибродиагностика газопрекачивающих агрегатов), т.к. максимальная «лопаточная» частота компрессоров высокого давления ГПА не превышает десятков КГц и по критерию Котельникова частота опроса параметра должна превышать частоту самого параметра не менее чем в 2 раза. При этом световой пучок в каждом из 1000 каналов гарантированно успевает преодолеть путь до датчиков и обратно - на регистрацию (через ответвитель) за такт переключения.
При повреждении (обрыве) волоконно-оптического кабеля между брэгговскими решетками происходит поочередное подключение решеток слева и справа. Поскольку каждая решетка настроена на отражение своей длины волны из диапазона, излучаемого источником, эти частоты отражаются обратно в разветвитель и далее на регистрацию, не отработавший свет из световода в месте обрыва рассеивается в среде.
Наличие повреждения линии в канале измерения фиксируется по отсутствию дублированных сигналов на регистрации.
Применение изобретения позволяет повысить живучесть измерительного тракта систем встроенного неразрушающего контроля и технических устройств ответственного применения за счет использования свойства внутриволоконной брэгговской решетки отражать свет на индивидуальной длине волны с обеих сторон, а также за счет использования свойств пассивных многополюсных оптических элементов ветвления (разветвителей).