ОПТОВОЛОКОННАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА
FIBRE-OPTIC SENSOR SYSTEM

Уровень техники настоящего изобретения
[0001]
Настоящее изобретение относится, в общем, к оптоволоконной сенсорной системе и, более конкретно, к зональной системе обнаружения пожара и перегрева, в которой используют оптоволоконные сенсорные элементы.
[0002]
В настоящее время волоконно-оптические сенсоры используются для измерения широкого диапазона параметров распределенных систем, начиная от строительных площадок и заканчивая крыльями самолета. Некоторые подобные сенсоры содержат сенсоры давления, деформации и температуры, но волоконно-оптические кабеля могут, в целом, быть использованы для измерения многочисленных величин, которые могут быть связаны с физическим состоянием волоконно-оптического сенсорного элемента. Некоторые волоконно-оптические температурные сенсоры, например, функционируют посредством обнаружения термического расширения волоконно-оптической пряди либо окружающей оболочки вокруг сегментов пряди или зазора между ними при помощи интерферометра. Другие сенсоры обнаруживают изменения в параметрах, таких как температура и давление, при помощи обратного рамановского рассеивания. Устройство обработки данных сопоставляет показания интерферометра с изменениями в физическом состоянии волоконно-оптического сенсорного элемента.
[0003]
Большинство волоконно-оптических температурных сенсоров содержат волоконно-оптический сенсорный элемент и опросное устройство, содержащее источник света, спектрометр и устройство обработки данных. Сенсорный элемент состоит из волоконно-оптической пряди, которая проходит от опросного устройства в зондируемую область. Во время функционирования опросное устройство испускает свет по направлению к волоконно-оптическому сенсорному элементу. Изменения в температуре влияют на физическое состояние сенсорного элемента и, следовательно, на его оптические характеристики. Спектрометр и устройство обработки данных оценивают эти различия для идентификации изменений температуры.
[0004]
B
B
В современных температурных сенсорах используют широкий диапазон технологий на основании спектроскопии и интерферометрии. Эти технологии в основном подразделяются на две категории: точечное и квазираспределенное зондирование на основании волоконных брэгговских решеток (ВБР) и полностью распределенное зондирование на основании рамановского, бриллюэновского или рэлеевское рассеяния. Конкретная конструкция волоконно-оптических сенсорных элементов изменяется в зависимости от типа спектроскопии, используемой сенсорной системой, но все волоконно-оптические сенсоры функционируют при помощи зондирования изменений в физическом состоянии волоконно-оптического сенсорного элемента. Сенсоры на основе ВБР, например, определяют изменение в температуре (ΔT) посредством зондирования относительного сдвига брэгговской длины волны (Δλ/λ):
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>λ</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mi>e</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>ε</mi><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>α</mi><mi>Λ</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow>
[уравнение 1],
e
Λ
n
где p является оптический коэффициент деформации, ε является приложенной деформацией, α является коэффициентом термического расширения оптического волокна и α является его термооптическим коэффициентом.
[0005]
Волоконно-оптические сенсорные элементы являются недорогими, износостойкими и легко устанавливаемыми по сравнению со стандартными электрическими температурными сенсорами. Наиболее дорогой элемент, входящий в состав большинства волоконно-оптических температурных сенсоров, следовательно, представляет собой опросное устройство. С целью снижения стоимости в некоторых сенсорных системах прикрепляют множество сенсорных элементов к каждому опросному устройству посредством ключа, который осуществляет циклический опрос каждого сенсорного элемента, что позволяет единственному опросному устройству обслуживать множество отдельных сенсорных элементов, которые могут быть расположены в нескольких различных зондируемых областях.
[0006]
Волоконно-оптическим сенсорным системам с ключом присущи некоторые недостатки. Быстрое переключение делает необходимым наличие высокой интенсивности сканирования опросных устройств, что ограничивает пространственное и/или температурное разрешение, достигаемое системой. Напротив, системы, в которых происходит только медленное переключение между сенсорными элементами для проверки каждого сенсорного элемента через значительный промежуток времени, могут оставить незамеченными в течение промежутка времени, составляющего менее 10 секунд, наличие опасных температурных режимов, что может быть чрезвычайно важным для борьбы с возникновением пожара и управления нагреванием.
[0007]
В US7418171B2 представлен ближайший аналог настоящего изобретения.
Краткое описание сущности настоящего изобретения
[0008]
Настоящее изобретение относится к системе и способу обнаружения опасной ситуации при помощи оптоволоконной сенсорной системы. Опросное устройство, содержащее источник света, спектрометр и устройство обработки данных, используют для проведения быстрого сканирования множества волоконно-оптических сенсорных элементов. Первые значения параметра окружающей среды вычисляют для каждого волоконно-оптического сенсорного элемента из спектрографических данных, собранных опросным устройством во время первого сканирования, и сравнивают с первым пороговым значением. Если первое значение параметра окружающей среды превышает первое пороговое значение для любого волоконно-оптического сенсорного элемента, быстрое сканирование прерывают для осуществления медленного сканирования с высоким разрешением указанного волоконно-оптического сенсорного элемента. Оптоволоконная сенсорная система передает сигнал тревоги в случае, если указанное медленное сканирование с высоким разрешением выявляет опасную ситуацию.
Краткое описание графических материалов
[0009]
На фиг. 1 представлена структурная схема оптоволоконной сенсорной системы для обнаружения перегрева согласно настоящему изобретению.
[0010]
На фиг. 2 представлена блок схема, описывающая способ сканирования, используемый оптоволоконной сенсорной системой для обнаружения перегрева, представленной на фиг. 1.
Подробное описание настоящего изобретения
[0011]
На фиг. 1 представлена структурная схема оптоволоконной сенсорной системы 10, содержащей опросное устройство 12, оптический ключ 14 и сенсорные элементы 16a, 16b и 16N. Опросное устройство 12 дополнительно содержит широкополосный источник 18 света, быстродействующий спектрометр 20 и устройство 22 обработки данных. Оптоволоконная сенсорная система 10 может быть использована для обнаружения состояний пожара или перегрева в широком диапазоне применений, включая самолеты и другие транспортные средства. Хотя оптоволоконная сенсорная система 10 описана в настоящей заявке как сенсорная система для измерения температуры, оптоволоконная сенсорная система 10 может быть использована для контроля других параметров, таких как деформация или давление в других вариантах осуществления настоящего изобретения.
[0012]
1
2
M
Сенсорные элементы 16a, 16b, … 16N представляют собой оптические сенсорные элементы, которые выступают из оптического ключа 14 для осуществления контроля местонахождения внутри зоны Z1, Z2, … ZM. В целях пояснения сенсорные элементы 16a, 16b, … 16N будут именоваться далее в этом документе как элементы ВБР, хотя другие типы сенсорных элементов могут быть эквивалентно использованы. Аналогично, хотя сенсорные элементы 16a, 16b, … 16N изображены в качестве одиночных волоконно-оптических прядей, соединенных с оптическим ключом 14 только на одном конце (т.е. для измерения преломленного света), другие варианты осуществления могут содержать составные волоконно-оптические пряди для сравнительной интерферометрии или могут быть соединены с оптическим ключом 14 на обоих концах в замкнутом контуре (т.е. для измерения пропущенного света). В представленной системе на основе ВБР каждый сенсорный элемент 16a, 16b, … 16N содержит несколько близко расположенных ВБР, каждой из которых присуща единичная характерная брэгговская длина волны λ, λ, … λ, которая может быть использована для различия между сигналами из каждой зоны, как более подробно разъяснено ниже.
[0013]
B
B
B
B
Опросное устройство 12 является опросным устройством ВБР, содержащим широкополосный источник 18 света, быстродействующий спектрометр 20 и устройство 22 обработки данных. Широкополосный источник 18 света, например, может быть источником на основе суперлюминесцентного светоизлучающего диода (ССИД), способного испускать свет с различными длинами волн. Быстродействующий спектрометр 20 является спектрометром, способным осуществлять быструю оценку относительного смещения в брэгговской длине волны (Δλ/λ). Конкретные требования к скорости быстродействующего спектрометра 20 будут зависеть от количества оптических сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N, а также от требований к скорости взятия замеров оптоволоконной сенсорной системы 10, которые, в свою очередь, могут быть определены исходя из требований безопасности или пожаротушения контролируемых областей или систем. Устройство 22 обработки данных является микропроцессором или другим логическим устройством, сконфигурированным для вычисления изменений температуры (ΔT), связанных с относительными смещениями в брэгговской длине волны (Δλ/λ), а также дополнительно сконфигурированным для запуска способа 100 сканирования (который описан ниже относительно фиг. 2). Устройство 22 обработки данных может быть программируемым логическим устройством, таким как многофункциональный компьютер, или устройством обработки с фиксированными функциями.
[0014]
Оптический ключ 14 является оптическим ключом 1xN, выполненным с возможностью последовательного присоединения быстродействующего спектрометра 20 к каждому из сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N. Более конкретно, оптический ключ 14 является оптическим ключом, выполненным с возможностью последовательного переключения между сенсорными элементами 16a, 16b, … 16N с переменными скоростями, задаваемыми устройством 22 обработки данных. Хотя оптический ключ 14 представлен в качестве структурного блока, представленного отдельно от опросного устройства 12, опросное устройство 12 и оптический ключ 14 могут согласно некоторым вариантам осуществления быть расположены в одном корпусе или выполнены на общей печатной плате.
[0015]
B
1
1
2
2
M
M
Согласно изображенному варианту осуществления каждый сенсорный элемент 16a, 16b, … 16N сконфигурирован таким образом, чтобы обнаруживать изменения температуры в М различных зонах. Как указано выше, каждый сенсорный элемент 16a, 16b, … 16N оборудован ВБР, характеризующейся различной брэгговской длинной волны λ в каждой зоне Z1, Z2, … ZM, тем самым позволяя быстродействующему спектрометру 20 и устройству 22 обработки данных выделять изменения температуры в каждой зоне. Согласно этому варианту осуществления быстродействующий спектрометр 20 идентифицирует M различных значений брэгговской длины волны из каждого сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N в соответствии с зонами Z1, Z2, … ZM, а также анализирует относительное смещение для каждого из них (например, Δλ/λ, Δλ/λ, … Δλ/λ). Устройство 22 обработки может альтернативно или дополнительно осуществлять дифференциацию между каждой зоной Z1, Z2, … ZM исходя из времени прохождения сигнала из каждой зоны к опросному устройству 12. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут воспринимать только одно значение температуры (т.е. только одну зону) посредством каждого сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N.
[0016]
исходн
исходная
Оптоволоконная сенсорная система 10 сканирует множество сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N, каждый из которых может обслуживать несколько зон Z1, Z2, … ZM. Спектрометр 20 и устройство 22 обработки данных могут выполнять сканирование сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N с изменяющимися значениями интенсивности, как описано ниже относительно фиг. 2. Для каждого сканированного сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N, а также для каждой сканированной зоны Z1, Z2, ZM устройство 22 обработки данных определяет отклонение в температуре ΔT согласно уравнению 1. ΔT представляет собой изменение значения температуры относительно известного исходного значения температуры T, следовательно, текущая температура T=T+ΔT.
[0017]
На фиг. 2 представлен способ 100 сканирования, причем согласно способу устройство 22 обработки данных управляет оптическим ключом 14 для осуществления сканирования сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N с изменяющимися значениями интенсивности. Во многих системах обнаружения пожара или перегрева недопустимые задержки в обнаружении перегрева или пожара могут привести к возникновению опасных условий, появляющихся до разворачивания устройства для ликвидации пожара или пожаротушения. Следовательно, очень важно, чтобы такие системы характеризовались высокой интенсивностью сканирования опросного устройства для того, чтобы минимизировать временную задержку между последующими проверками каждого сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N. Однако из уровня техники хорошо известно, что пространственное и температурное разрешение обратно пропорциональны интенсивности сканирования опросного устройства в распределенных оптоволоконных сенсорных системах. Хотя высокая (быстрая) интенсивность сканирования является необходимой для обеспечения того, что все контролируемые компоненты были быстро опрошены, более высокое разрешение, обеспечиваемое более низкими значениями интенсивности сканирования, может быть необходимо для идентификации и локализации условий пожара или перегрева. Способ 100 сканирования позволяет оптоволоконной сенсорной системе 10 обеспечить высокое пространственное и температурное разрешение в случае необходимости, при этом сохраняя высокое значение нормальной интенсивности сканирования, как описано ниже.
[0018]
Устройство 22 обработки данных начинает каждое сканирование сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N посредством инициализации номера элемента n=1 (стадия S1), соответствующего сенсорному элементу 16a, и подачи команды быстродействующему спектрометру 20 на осуществление быстрого сканирования соответствующего сенсорного элемента 16a (стадия S2), например посредством посылки светового импульса от опросного устройства 12 через оптический ключ 14 в сенсорный элемент 16a и обратно с частотой 5 Гц. Устройство 22 обработки данных осуществляет оценку температурных изменений, а также положения вдоль сенсорного элемента 16a любых температурных изменений согласно приведенному выше уравнению 1. Указанное быстрое сканирование может быть слишком беглым для обеспечения высокой точности расположения или значения температуры, между тем оно обеспечивает примерное значение температуры T.
[0019]
макс
предыдущее
макс
Затем устройство 22 обработки данных осуществляет сравнение обнаруженной температуры T с заданным пороговым значением T, соответствующим условию возможного перегрева (стадия S3). Согласно некоторым вариантам осуществления устройство 22 обработки данных может также определить изменение в обнаруженной температуре со времени последнего измерения, полученного от сенсорного элемента 16a (т.е. ΔT/Δt=(T-T)/<временной интервал>), и сравнить это изменение в обнаруженной температуре со вторым пороговым значением ΔT (стадия S4). Если любая из величин превышает соответствующее пороговое значение, устройство 22 обработки данных инициирует медленное сканирование сенсорного элемента 16a, как описано более подробно касательно стадии S8. В противном случае, устройство 22 обработки данных дает приращение n, подает команду на оптический ключ 14 для переключения к следующему сенсорному элементу, а также осуществляет повторения процесса, описанного выше для сенсорных элементов 16b -16N, до тех пор, пока n=N (стадии S5 и S6). При осуществлении быстрого сканирования всех сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N (соответствующих n=1 до n=N) устройство 22 обработки данных повторно инициализирует n=1 и повторяет весь способ 100 с самого начала (стадия S7). Посредством тестирования каждого сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N с использованием быстрого сканирования оптоволоконная сенсорная система 10 способна обеспечить, по меньшей мере, грубое определение температуры по всем N сенсорным элементам и M зонам за короткие временные рамки, например 5 секунд или менее.
[0020]
макс
макс
Пороговые значения T и ΔT выбирают для того, чтобы запускать медленное сканирование всякий раз, когда условия перегрева могут возникнуть, на основании измерений с ограниченной точностью, выполненных во время быстрого сканирования на стадии S2. Не каждое появление значения T или ΔT/Δt, превышающего соответствующее пороговое значение, будет указывать на случай перегрева или пожара. Если и когда сравнение обнаруженного значения температуры T и/или обнаруженного изменения в температуре ΔT/Δt превышает соответствующее пороговое значение для любого сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N (см. стадии S3 и S4), устройство 22 обработки данных прерывает сканирование сенсорных элементов 16a, 16b, … 16N с тем, чтобы подать команду на быстродействующий спектрометр 20 начать медленное сканирование соответствующего сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N (стадия S8). Указанное медленное сканирование может занять несколько секунд, а также может предусматривать применение значительно более высокой частоты повторения импульсов (например, 1000 Гц), чем быстрое сканирование на стадии S2, потребляя большее количество времени и энергии. Медленное сканирование на стадии S8 позволяет устройству 22 обработки данных определить температуру T (и/или изменение в температуре ΔT/Δt) с более высокой точностью, чем точность, присущая быстрому сканированию на стадии S2. Кроме того, медленное сканирование на стадии S8 предусматривает большее разрешение времени прохождения положений перегрева или пожара вдоль конкретного сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N. Устройство 22 обработки данных может оценить несколько параметров, включая температуру T и изменение температуры ΔT/Δt по сравнению с ожидаемыми значениями для определения того, имеет ли место условие перегрева или пожара (стадия S9), и соответственно для оповещения об опасности перегрева или пожара, в случае необходимости, соответствующую систему ликвидации пожара или пожаротушения (стадия S10).
[0021]
Способ 100 позволяет оптоволоконной сенсорной системе 10 осуществлять динамическое переключение между быстрой и медленной интенсивностями сканирования, тем самым поддерживая высокие значения скорости сканирования во время нормального функционирования, а также позволяя осуществить точное измерение температуры и положения событий перегрева или пожара. Быстрое сканирование на стадии S2 обеспечивает измерение температуры с низким разрешением, которое обеспечивает информацию, применимую к общему контролю условий. Устройство 22 обработки данных может быть способно идентифицировать события пожара/перегрева до некоторой величины исходя из указанного быстрого сканирования, но может быть неспособно точно идентифицировать все условия перегрева/пожара. Однако информация, полученная с быстрой интенсивностью сканирования, будет обеспечивать индикацию потенциального возникновения всех условий перегрева/пожара. Это может быть отображено в качестве увеличения абсолютной температуры или в качестве ненормально резкого увеличения значения интенсивности повышения температуры в рамках подверженного воздействию сенсорного элемента. При идентификации потенциального условия пожара или перегрева в любом конкретном элементе интенсивность сканирования опросного устройства будет снижена и оптический ключ будет сконфигурирован для индивидуального обращения к этому элементу (стадия S8). Затем информацию, полученную при более низкой интенсивности сканирования, используют для определения того, существует ли истинное условие перегрева или пожара. После осуществления этой стадии устройство 22 обработки данных снова повышает интенсивность сканирования и продолжает осуществлять последовательный контроль всех элементов.
[0022]
Согласно некоторым примерам каждый сенсорный элемент 16a, 16b, … 16N может быть подвергнут медленному сканированию (как описано выше касательно стадии S8) на периодической основе, дополнительно к любому медленному сканированию, которое запущено определениями пороговых значений на стадиях S3 и S4. Эти периодические медленные сканирования обеспечивают точную оценку окружающих условий для каждого сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N, который, например, может быть предназначен для целей контроля за состоянием здоровья и пожарной защиты. Согласно одному варианту осуществления каждый полный цикл способа 100 будет включать медленное сканирование одного сенсорного элемента 16a, 16b, … 16N. Первый полный цикл способа 100 может включать запланированное медленное сканирование элемента 16a, например, тогда как второй полный цикл способа 100 может включать запланированное медленное сканирование элемента 16b, причем эта конфигурация повторяется после того, как все N сенсорных элементов будут подвержены медленному сканированию.
[0023]
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерный вариант осуществления (примерные варианты осуществления), специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены различные изменения, а также замена его элементов эквивалентными элементами без выхода за пределы объема настоящего изобретения. В частности, хотя настоящее изобретение было описано касательно определения температуры, специалисту в данной области техники будет понятно, что способ 100 может аналогичным образом быть применен к системам, которые измеряют давление, деформацию или другие величины, для измерения которых могут быть использованы оптоволоконные сенсоры. Хотя сенсорные элементы 16a, 16b, … 16N были описаны в качестве сенсорных элементов на основе ВБР, другие типы сенсорных элементов могут быть альтернативно применены с соответствующими изменениями в математических моделях, используемых устройством 22 обработки данных. Кроме того, многочисленные модификации могут быть выполнены с тем, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям настоящего изобретения без выхода за пределы объема его сущности. Следовательно, предполагается, что изобретение не ограничено раскрытыми конкретным вариантом осуществления (вариантами осуществления), но изобретение будет содержать все варианты осуществления, попадающие в объем приложенной формулы изобретения.