Способ и устройство для опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток через торец волокна с использованием кольцевой спекл-картины
METHOD AND APPARATUS FOR POLLING SENSOR ELEMENTS OF FIBRE BRAGG GRATINGS THROUGH THE END OF THE FIBRE USING AN ANNULAR SPECKLE PATTERN

Группа изобретений относится к измерительной (сенсорной) технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения деформации, температуры, давления и других физических величин.
Изобретение может найти применение в таких областях как: строительство зданий, сооружений, мостов и тоннелей; в энергетической отрасли - АЭС, ТЭЦ, ГЭС, трансформаторных подстанциях и др.; в горнодобывающей отрасли при разведке, строительстве и эксплуатации скважин, шахт, штолен; в нефтегазотранспортной отрасли при эксплуатации трубопроводов, хранилищ, хабов; в области вертолето- и самолетостроения при испытаниях прочностных характеристик лопастей и лопаток двигателей, элементов корпуса, а также температурных режимах работы двигателей; в области космической техники при испытании режимов работы двигателей; в других областях при наличии больших прочностных, вибрационных, радиационных и температурных нагрузок.
Измерение деформаций, температур, давлений имеет большое практическое значение в различных отраслях промышленности, таких как проверка пищевых продуктов, фармацевтика, разведка нефти/газа, охрана окружающей среды, высоковольтные энергетические системы, химическое производство и исследования в области океанографии. Волоконно-оптические датчики (например, датчики деформаций, температуры, расходомеры, анемометры) доказали свою привлекательность в качестве альтернативы своим традиционным механическим или электромагнитным аналогам благодаря своим многочисленным уникальным преимуществам, таким как малый размер и вес, устойчивость к электромагнитным помехам, возможность дистанционного зондирования, устойчивость в радиационных средах и возможности для распределенных измерений.
Существует множество вариантов изготовления датчиков в оптических волокнах, использующих различные физические принципы.
Известен способ и устройство определения деформации и температуры, за счет сдвига частоты Релеевского рассеяния и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с помощью оптоволоконного распределенного датчика деформации и температуры (ЕР 2362190, МПК G01B 11/16, G01D 5/353, опубл. 2011-08-31). Данный способ предлагается использовать, например, для регистрации утечек на подземных газопроводах.
Известен способ опроса оптоволоконного датчика на основе резонатора Фабри-Перо (US 10520355, МПК G01F 1/688, G01H 9/00, опубл. 2019-12-31), позволяющий фиксировать деформацию, температуру или давление в среде.
По патенту (RU 2319988, МПК G01D 5/353, G02B 6/00, G02B 6/34, опубл. 2008-03-20) известен оптоволоконный датчик температуры и деформации на брегговских решетках, расположенных в оптическом волокне, содержащий источник, распределенные по оптическим волокнам волоконные брегговские решетки (далее по тексту ВБР), светоделительное устройство и анализатор спектра.
Описанные в работах (Н. Ding, D. Grobnic, С. Hnatovsky, P. Lu, R.В. Walker and S.J. Mihailov, Sapphire fiber Bragg grating coupled with graded-index fiber lens // Photonics North (PN), Quebec City, QC, Canada. - 2019 -. pp.1-1, doi: 10.1109/PN.2019.8819550.) волоконно-оптические датчики температуры на брегговских решетках в кристаллических волокнах могут применяться в условиях температур, превышающих температуры использования традиционных кварцевых датчиков.
Системы, позволяющие регистрировать изменения деформации, температуры, смещения, давления и др. также отличаются значительным разнообразием схем исполнения. Системы, включающие в себя источник, оптический анализатор спектра и процессор, вычисляющий резонансные длины волн, а также температуры, деформации, давления и другие физические величины, в литературе называются интеррогаторами или анализаторами спектра.
В работе (Todd М.D., Johnson G.A., Althouse В.L. A novel Bragg grating sensor interrogation system utilizing a scanning filter, a Mach-Zehnder interferometer and a 3×3 coupler // Measurement science and technology. - 2001. - V. 12. - №. 7. - P. 771.) описана система с интерферометром Маха-Цендера, по интерференции детектирующая сдвиг резонансной длины волны брегговской решетки.
По патенту (RU 192705 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», МПК G01M 11/00, опубл. 26.09.2019) известна система «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», использующая один или несколько перестраиваемых источников излучения для сканирования волоконных брегговских решеток, управляемых процессором с последующим анализом отражения.
Бр
Все указанные выше системы и способы их работы, позволяющие использовать оптоволоконные датчики температуры, деформации, давления и пр. по типу источника излучения можно условно разделить на перестраиваемые, и системы использующие источники с широким спектром излучения. В сканирующих способах один или несколько источников с узкой шириной генерации спектра и перестраиваемой длиной волны «сканируют» волоконную брегговскую решетку по длине волны, имея максимальный коэффициент отражения на резонансной длине волны λ связанной с периодом решетки d соотношением:
Бр
Бр
где k - порядок дифракции,. Другие способы используют один или несколько источников с широким спектром излучения, в которых при отражении определяется длина волны, равная или кратная λ. Принцип действия такой системы поясняется на фиг. 1, где один или несколько сенсорных элементов 1 на основе брегговских решеток, записанный в одном или нескольких оптических волокнах 2, отражает или пропускает световой сигнал 3 с широким спектром, идущий от источника 4 на резонансной длине волны λ, которая зависит от деформации или температуры датчика. Далее отраженный сигнал 5 по оптоволокну через оптоволоконное делительное устройство 6, либо прошедший сигнал 7 напрямую поступает в оптический анализатор спектра 8, который отслеживает положение спектрального пика в спектре отражения или провала в спектре пропускания и позволяет определить деформацию или температуру датчика
Общим недостатком этих систем и способов их работы можно назвать сложность исполнения в части коммутации различных устройств, входящих в него, общая громоздкость и сложность конструкции. Кроме того, для того чтобы обеспечить определенный широкий диапазон измерения температуры, давления и пр. необходим либо широкий спектральный диапазон источника излучения или накладывающиеся диапазоны излучения нескольких источников, либо один или несколько перестраиваемых лазеров для сканирования этими источниками брегговской решетки и нахождения резонансной длины волны. Источник должен быть достаточной яркости, чтобы обеспечить чувствительность способа измерения температуры, давления, деформации и пр. Оптический анализатор спектра должен иметь определенный рабочий спектральный диапазон.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ опроса сенсорных элементов ВБР (патент RU 192705 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», МПК G01M 11/00, опубл. 26.09.2019), согласно которому средства передачи света обеспечивают направление света от источника излучения к ВБР-датчикам, а отраженное от ВБР-датчиков излучение на интерферометр, подключенный через фотоприемники к процессору, который управляет процессами перестройки источника переключением оптических переключателей в составе средств передачи света и детектора и обрабатывает сигналы с фотоприемников, сопоставляя их с калибровочными данными, выдает значение текущей длины волны отражения каждого из ВБР-датчиков в линии (линиях). В качестве источника используется перестраиваемый лазерный источник (несколько лазерных источников).
Устройство, выбранное в качестве прототипа, (патент RU192705 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», МПК G01M 11/00, опубл. 26.09.2019), содержит источник излучения (перестраиваемый лазер), делительное устройство, систему фокусировки, оптические волокна, в которых размещены волоконные брегговские решетки, и вычислительный процессор.
К основным недостаткам указанных выше способа и устройства можно отнести следующее: сложность коммутации большого числа оптических узлов и элементов, ограниченный диапазон измерений длин волн, определяемый рабочим диапазоном перестраиваемого лазера (лазеров) и невысокую скорость опроса системы, связанную с ограниченной скоростью сканирования перестраиваемым лазером рабочего диапазона спектра.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании простого компактного устройства для считывания сигнала, отраженного от ВБР, а также простого способа работы этого устройства при сохранении точности измерений и увеличении быстродействия в сравнении с прототипом.
Технический результат изобретения направлен на упрощение работы способа и создание компактной схемы устройства при сохранении быстродействия опроса системы и при увеличении точности измерений.
Поставленная задача и технический результат достигается тем, что способ опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток через торец волокна с использованием кольцевой спекл-картины характеризуется тем, что в оптическом волокне создают, по крайней мере, одну волоконную брегговскую решетку (ВБР), свет, по крайней мере, от одного монохроматического источника излучения подают на торец оптического волокна через делительное устройство, который затем, следуя по оптическому волокну, отражается от ВБР с дифракционным максимумом под углом θ к оси волокна, и на выходе из волокна световой пучок имеет форму конуса, угловое распределение которого далее формируют на ПЗС-матрице в виде кольца и передают на вычислительный процессор, в котором анализируют изображение кольца, вычисляют его размер и вычисляют температуру, связанную с размером кольца.
Поставленная задача и технический результат достигается также в устройстве для осуществления заявленного способа, которое содержит источник излучения, соединенный посредством оптической связи через делительное устройство с системой фокусировки, оптическим волокном с ВБР и вычислительным процессором. В качестве источника излучения используют, по крайней мере, один монохроматический источник излучения или широкополосный источник излучения со светофильтрами, а между системой фокусировки и вычислительным процессором установлена ПЗС-матрица.
Кроме того, поставленная задача и технический результат достигается в способе опроса тем, что одновременно используют несколько колец, сформированных отражением одного лазерного источника от нескольких ВБР с разным периодом.
Кроме того, в способе опроса одновременно в одной сенсорной точке формируют несколько колец, в результате отражения нескольких лазерных источников с различной длиной волны излучения от одной или нескольких ВБР с разным периодом. ВБР могут отличаться по периоду, и могут быть размещены в одной или различных измерительных точках. При размещении в одной измерительной точке повышается точность измерений. При размещении нескольких ВБР на расстоянии друг от друга появляется возможность распределенного измерения температуры/натяжения и других величин. Использование нескольких лазерных источников излучения на различных длинах волн для использования отраженного кольцевого сигнала от одной или нескольких ВБР необходимо для повышения точности измерения температуры/натяжения и др. физических величин и для расширения динамического диапазона такого измерения.
Кроме того, в способе опроса могут использовать чирпированную ВБР с непостоянным периодом, позволяющую получить кольцо большой толщины, для повышения точности измерений. При наличии в ВБР нескольких близких периодов расширяется диапазон углов дифракции, что приводит к увеличенной ширине кольца, что также повышает точность измерений.
В способе опроса могут формировать кольцевое изображение в проходящем свете, а не в отраженном, а в устройстве для реализации этого способа ПЗС-матрицу устанавливают на противоположном от входа излучения конце волокна.
Также в способе опроса анализируемое изображение в проходящем через оптическое волокно свете имеет темное кольцо, вырезанное из спекл-картины, при этом в устройстве для реализации этого способа ПЗС-матрица установлена на противоположном от входа излучения конце волокна.
Кроме того, в способе опроса свет от источника излучения могут подавать под углом к оси волокна. Изменение угла ввода излучения в волокно необходимо для управления оптической разностью хода при дифракции от элементов ВБР и управления углом этой дифракции, т.е. размерами кольца на ПЗС-матрице. Этот вариант позволит расширить динамический диапазон измерения температуры/натяжения и др.
Кроме того, в способе опроса могут использовать несколько ВБР в одной измерительной точке с разным периодом, обеспечивающих соседние диапазоны измерения температуры, давления, натяжения и других физических величин в широком диапазоне за счет перекрывания диапазонов измерения каждым кольцом. Для каждого кольца есть предельная температура/натяжение и др., определяемая предельной числовой апертурой волокна. В момент выхода кольца за пределы числовой апертуры, кольцо обеспечивающее измерение в следующем диапазоне температур, уже должно появится в числовой апертуре, что обеспечивает расширение динамического диапазона измерений температуры.
Кроме того, в способе опроса могут использовать монохроматический источник света с разной линейной поляризацией для отражения от разных ВБР, можно кодировать отражение от них различной линейной поляризацией при возможности сохранения состояния поляризации в волокне, что дает возможность увеличения числа измерительных точек в одном оптическом волокне.
Кроме того, в способе опроса могут использовать монохроматический источник света с циркулярной поляризацией, что позволит добиться большей устойчивости кольцевой структуры, а, следовательно, повысить точность измерения температуры.
В частности, в устройстве используют модовый миксер на участке между источником и ВБР. В частности, в устройстве на участке между ВБР и ПЗС-матрицей установлен модовый фильтр. Для варьирования модового состава излучения возможно использование модового миксера и модового фильтра. Модовый миксер можно использовать на участке между источником и ВБР решеткой для обогащения модового спектра и повышения его однородности. Модовый фильтр можно использовать после отражения от ВБР для повышения точности за счет уменьшения толщины кольца виду обеднения модового спектра.
В частности, в устройстве на участке между ВБР и ПЗС-матрицей установлена система, вызывающая механические колебания части оптического волокна. Для борьбы со спеклованностью кольца можно использовать механический гомогенизатор спекла, представляющий из себя устройство, вызывающее незначительные механические колебания любой части оптического волокна на пути от ВБР до ПЗС матрицы с частотой, превышающей частоту кадров ПЗС матрицы, что также влияет на точность измерений.
Кроме того, в способе опроса могут создавать ВБР в планарном волноводе, что упростит анализ изображения и улучшит быстродействие системы.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами: фиг. 2 - блок-схема устройства, фиг. 3 - блок-схема работы способа, фиг. 4а - изображение кольца при температуре 20°С, фиг. 4б - изображение кольца при температуре 100°С, фиг. 5 - блок-схема устройства, в котором ПЗС-камера установлена на противоположном от входа излучения конце волокна, фиг. 6а - изображение кольца на ПЗС-матрице, фиг. 6б - изображение кольца на ПЗС-матрице с использованием в схеме устройства, вызывающего механические колебания волокна, фиг. 7а - изображение кольца, сформированного отражением от чирпированной решетки, фиг. 7б - изображение кольца, сформированного отражением от решетки с постоянным периодом.
Поставленная задача достигается устройством для реализации способа, представленном на фиг. 2. Устройство содержит, например, один лазерный источник оптического монохроматического излучения 9, делительный элемент, например, полупрозрачное зеркало 10, оптическое волокно 11 с одной или несколькими ВБР 12, систему фокусировки 13, ПЗС-матрицу 14, процессор 15.
0
0
Техническая сущность способа поясняется на фиг. 3. В настоящем изобретении предлагается в качестве источника использовать монохроматический источник лазер излучения 9 или широкополосный источник излучения - лазерный диод с постоянной длиной волны λ и соответствующий светофильтр. Излучение этого источника через полупрозрачное зеркало 10 подается на вход оптического волокна 11 (показано на фиг. 3 пунктирной линией). При попадании света от излучения источника на ВБР 12 имеет место отражение назад с дифракционным максимумом под углом θ к оси волокна, величина которого связана с периодом ВБР d и длиной волны источника λ формулой (2)
где k - порядок дифракции, a n - показатель преломления среды.
Таким образом, отраженный сигнал будет распространяться преимущественно под углом θ к оси волокна, возбуждая меридиональные и сагиттальные моды волокна и, на выходе из волокна при преломлении будет распространяться под углом θ'.
Изображение углового распределения света в пучке, выходящего из торца волокна, на матрице ПЗС-камеры 14 будет иметь форму кольца, ввиду коаксиальной симметрии задачи.
0
Зависимость радиуса кольца R от периода решетки d, показателя преломления волокна n, длины волны λ и порядка дифракции k выражается формулой (3):
При изменении периода d, вследствие изменения температуры, деформации или давления, изменится и угол θ и, следовательно, радиус кольца на ПЗС-камере. По вычислению радиуса кольца определяется значение температуры или деформации сенсорного элемента (ВБР).
Показатель преломления n и период d зависят от температуры практически линейно, согласно формулам (4) и (5)
-7
-1
-6
-1
0
0
где α - коэффициент температурного расширения материала и β - термооптический коэффициент материала (для кварцевых волокон α=5,5*10К, β=10*10К), n и d -калибровочные значения показателя преломления и периода решетки при известной температуре. Таким образом, объединяя формулы (3), (4) и (5), получаем связь радиуса кольца и изменения температуры ΔТ, например выраженную соотношением (6):
0
0
0
где R - радиус кольца, ΔТ - изменения температуры, n и d - калибровочные значения показателя преломления и периода решетки при известной температуре, λ -длина волны, k - порядок дифракции, α - коэффициент температурного расширения материала, β - термооптический коэффициент материала.
Представленная схема устройства компактна за счет использования таких простых узлов как ПЗС-матрица и лазерный источник излучения. В отличие от устройства-прототипа, использующего перестраиваемый лазер и сложно скоммутированную систему оптических делителей и фотодиодов. Кроме того, за счет уменьшения числа элементов и их упрощения существенно снижается стоимость устройства.
Предложенный способ опроса системы обладает быстродействием, ограниченным лишь скоростью работы ПЗС-матрицы, в то время как быстродействие прототипа обусловлено скоростью сканирования спектрального окна перестраиваемым лазером.
0
Пример 1. При длине волны λ=532 нм, периоде решетки d=1098 нм, порядке дифракции k=6 и показателе преломления кварцевого оптического волокна n=1,4607 при комнатной температуре t=20°C кольцо имеет радиус R≈0,208 (фиг. 4а) и при R≈0,22 при температуре t=90°C (фиг. 4б).
Пример 2. Для чирпированной решетки, у которой период меняется плавно от 1097 до 1099 нм (фиг. 7-а) в сравнении с нечирпированной с периодом 1098 нм (фиг. 7-б) изображение кольца получается шире, что позволяет использовать больше информации при анализе изображения и позволяет повысить точность измерений.
Пример 3. При исполнении устройства с генератором механических колебаний происходит снижение спеклованности, уменьшение контраста в спеклах, спеклы разрушаются и «замыливаются». При анализе изображения это приводит к увеличению точности определения радиуса кольца и, следовательно, температуры (фиг. 6а, 6б). На (фиг. 6б) показано изображение кольца, полученное в устройстве с генератором механических колебаний, и приведено сравнение с обычным кольцом (фиг. 6а). Использование такого подхода при расчете температуры позволило снизить погрешность измерений с 3 до 1 градуса.
Пример 4. Возможно формирование темного кольцевого изображения в проходящем свете, а также и светового кольца при углах дифракции близких к 180 градусам. При таком варианте исполнения способа из устройства исключается делительное устройство, а ПЗС-камера ставится на противоположном от входа излучения конце волокна - фиг. 5, что также приводит к упрощению конструкции устройства при сохранении точности измерений и быстродействия системы.
Таким образом, решена задача по созданию простого компактного устройства для считывания сигнала, отраженного от ВБР, а также простого способа работы этого устройства при сохранении точности и быстродействия в сравнении с прототипом, при снижении стоимости устройства.
Технический результат изобретения направлен на упрощение работы способа и создание компактной схемы устройства при сохранении быстродействия опроса системы и при увеличении точности измерений.