РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ДАТЧИКАМИ БРЭГГА

Заявляемая полезная модель относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использована в авиационной и космической технике, химической, нефтехимической и биомедицинской промышленности, транспорте, строительстве.
Одной из ключевых проблем, определяющих практическое применение датчиков Брэгга, является разработка методов и оборудования, позволяющих с высокой точностью измерять малые изменения положений максимума отражения датчиков.
В качестве одного из аналогов может быть рассмотрена распределенная волоконно-оптическая измерительная система обработки сигналов волоконно-оптических датчиков Брэгга при помощи спектрального анализатора на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо [1], [2] (см. фиг. 1 Приложения 1).
Указанная распределенная волоконно-оптическая измерительная система обработки сигналов волоконно-оптических датчиков Брэгга содержит источник излучения 1, циркулятор 2, оптическое волокно и датчики Брэгга 3, спектральный анализатор на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо 4 и фотоприемник 5, установленный в блоке управления и обработки. Источник излучения 1 соединен с входным портом циркулятора 2, который направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 2 к датчикам Брэгга 3 по волоконно-оптическому кабелю. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт циркулятора 2 попадает на выходной порт циркулятора 2 и далее на вход перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо 4. В данном устройстве обработки отраженное от датчиков Брэгга излучение пропускается через фильтр Фабри-Перо, который пропускает только узкую полосу спектра в отраженном широкополосном сигнале. Положение максимума пропускания фильтра зависит от расстояния между зеркалами интерферометра. Закрепление одного из зеркал интерферометра на пьезокерамике (ПК) позволяет управлять спектральным пропусканием фильтра за счет изменения взаимного положения зеркал при подаче напряжения на ПК. Поскольку такой фильтр является управляемым, это позволяет получить спектр отраженного сигнала и, тем самым, произвести измерение положения максимума в его спектре в единицах электрического напряжения в блоке управления и обработки.
Недостатком данной системы измерения является необходимость механических перемещений одного из зеркал интерферометра, что не позволяет работать на высоких частотах, а также ее подверженность механическим вибрациям.
Известна распределенная волоконно-оптическая измерительная система, в которой спектральный анализатор выполнен на основе брэгговского перестраиваемого фильтра [2], [3] (см. фиг. 2 Приложения 1).
В данной распределенной волоконно-оптической измерительной системе источник излучения 1 соединен с входным портом первого циркулятора 2, а его двунаправленный порт волоконно-оптическим кабелем соединен с датчиками Брэгга 3. Выходной порт первого циркулятора 2 соединен с входным портом второго циркулятора 4, а двунаправленный порт второго циркулятора 4 связан с перестраиваемым фильтром на решетке Брэгга 5. Выходной порт второго циркулятора 4 соединен с фотоприемником 6, а фотоприемник - со сканирующим устройством 7, установленным в блоке управления и обработки. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт первого циркулятора 2 попадает на выходной порт первого циркулятора 2 и далее, через входной порт второго циркулятора 4 и двунаправленный порт второго циркулятора 4, на брэгговский перестраиваемый фильтр 5. Отразившись от последнего, излучение через двунаправленный порт второго циркулятора 4 попадает на его выходной порт и далее на фотоприемник 6. Сканирующее устройство 7 изменяет период решетки Брэгга 5 и, как следствие, длину волны. Блок управления и обработки фиксирует, на какой длине волны с фотоприемника 6 будет максимальный сигнал.
Недостатком данной системы измерения является ее низкая помехозащищенность.
Известна распределенная волоконно-оптическая измерительная система, в которой спектральный анализатор выполнен на основе интерферометра Маха-Цендера с несбалансированными плечами [4] (см. фиг. 1 Приложения 2).
Указанная измерительная система содержит источник излучения 1, соединенный с входным портом циркулятора 2, который направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 2 к датчику Брэгга 3 по волоконно-оптическому кабелю. Выходной порт циркулятора 2 соединен с входом волоконного интерферометра Маха-Цендера с несбалансированными плечами 4, а его выход соединен с фотоприемником 7 с усилителем. Выход с усилителя соединен с устройством сдвига фазы 5 и системой регистрации световых импульсов 6, установленной в блоке управления и обработки сигналов.
Система работает следующим образом Излучение, отраженное от датчика Брэгга 3, пропускается через неравноплечий интерферометр Маха-Цендера 4 с управляемой разностью хода , где:
π равно 3,14;
n - показатель преломления;
λ - длина волны;
d - разность длин плеч интерферометра.
С изменением разности фаз интерферометра изменяется положение максимума пропускания, которое описывается зависимостью (1+cosϕ). При совпадении максимума спектра отраженного сигнала в результате внешнего воздействия на датчик Брэгга с максимумом пропускания интерферометра Маха-Цендера на фотоприемнике 7 будет наблюдаться скачок сигнала. Оптимизированный усилителем сигнал с фотоприемника 7 используется для определения длины волны, на которой произошел скачок сигнала, системой регистрации световых импульсов 6, установленной в блоке управления и обработки сигналов.
Недостатками данной системы измерения являются пологая передаточная характеристика неравноплечего интерферометра Маха-Цендера в области ϕ=0 и низкая помехозащищенность системы при определении информационного скачка сигнала.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является «ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ)» [5], содержащая широкополосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки и перестраиваемый элемент (см. фиг. 2а, фиг. 2б Приложения 2).
Перестраиваемый элемент согласно первому варианту устройства выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. Перестраиваемый элемент согласно второму варианту содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр. Перестраиваемые элементы выполнены на основе электрооптического кристалла типа ниобата лития или танталата лития.
На фиг. 2а Приложения 2 представлена схема волоконно-оптической измерительной системы со спектрометром на основе несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. На фиг. 2б Приложения 2 представлена схема волоконно-оптической измерительной системы со спектрометром на основе электрооптического перестраиваемого фильтра на решетке Брэгга.
Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг. 2а Приложения 2) содержит широкополосный источник излучения 1, оптический разветвитель на несколько каналов 2, циркулятор 3, оптический приемник 5, оптоволоконный датчик 4, блок управления и обработки 6, перестраиваемый элемент 7, при этом выход широкополосного источника излучения 1 соединен с оптическим ответвителем 2, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора 3, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком 4, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом 7, который в свою очередь соединен с оптическим приемником 5, подключенным к блоку управления и обработки 6, а управляющие выходы с процессорного блока 6 соединены с перестраиваемым элементом 7, при этом перестраиваемый элемент 7 выполнен на основе электрооптического модулятора 8, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.
Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг. 2б Приложения 2) отличается тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор 9 и электрооптический перестраиваемый фильтр 10, причем второй вход циркулятора 9 соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра 10.
Устройство по варианту 1 и 2 работает следующим образом. Широкополосный источник излучения 1 соединен с ответвителем 2, который направляет световую энергию по разным каналам, каждый канал соединен с циркулятором 3, куда излучение попадает на первый вход и выходит на втором выходе, соединенном с одним или несколькими датчиками Фабри-Перо и/или решетками Брэгга 4. Излучение, отразившись от датчиков и изменив свой спектр, попадает на второй выход циркулятора 3, выходит на третьем выходе и попадает на перестраиваемый элемент 7, который представляет собой по варианту 1 несбалансированный интерферометр Маха-Цендера 8, изготовленный на электрооптическом кристалле типа ниобата лития, а по варианту 2 состоит из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра 10. При подаче с блока управления и обработки 6 на перестраиваемый элемент 7, например, линейно нарастающего напряжения, пропорционально изменяется разность фазы между плечами интерферометра 8 и, таким образом, производится сканирование спектра. Излучение, проходя по плечам электрооптического модулятора 8, интерферирует на его выходе и попадает на оптический приемник 5, электрический сигнал с которого принимается блоком управления и обработки сигнала 6.
По варианту 2 излучение с выхода циркулятора 3 попадает на перестраиваемый элемент 7, который состоит из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра на основе брэгговской решетки 10. Излучение, попадая на первый вход циркулятора 9, проходит на второй его вход и попадает на электрооптический перестраиваемый фильтр 10, отражаясь от которого, снова проходит через циркулятор 7 и выход на третьем выходе. При подаче от блока управления и обработки напряжения, например, пилообразной формы, происходит изменение спектра отражения фильтра 9 и, таким образом, производится сканирование спектра излучения, отраженного от датчиков 4.
Недостатком данной системы измерения является ее низкая помехозащищенность, не позволяющая с высокой точностью измерять малые изменения положений максимумов отражения брэгговских решеток при определении информационной длины волны.
Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение погрешности измерения физических параметров.
Технический результат, направленный на достижение поставленной задачи, достигается за счет повышения точности измерения длин волн, на которых находятся максимумы отражений датчиков Брэгга, и заключается в том, что в известной распределенной волоконно-оптической системе, содержащей источник излучения, циркуляторы, оптическое волокно, датчики на брэгговских решетках, спектральный анализатор на основе управляемых несбалансированных интерферометров, например Маха-Цендера, блок управления, включающий фотоприемник и микроконтроллер, фотоприемник через усилитель соединен с сигнальным входом синхронного детектора, опорный вход которого соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход синхронного детектора через последовательно соединенные низкочастотный фильтр и детектор полярности соединен с цифровыми входами микроконтроллера, цифровой выход которого соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, при этом аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом сумматора, второй вход сумматора соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход сумматора через схему согласования подключен к управляющим электродам спектрального анализатора.
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемой распределенной волоконно-оптической измерительной системы с датчиками Брэгга.
Распределенная волоконно-оптическая измерительная система содержит:
- широкополосный источник излучения 1;
- циркулятор 2;
- оптоволоконные датчики Брэгга 3;
- блок управления и обработки 4;
- спектральный анализатор 5;
- фотоприемник 6;
- усилитель 7;
- синхронный детектор 8;
- генератор синусоидального напряжения 9;
- низкочастотный фильтр 10;
- детектор полярности 11;
- микроконтроллер 12;
- цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13;
- сумматор 14;
- схему согласования 15.
Выход спектрального анализатора 5 последовательно соединен с фотоприемником 6, усилителем 7 и с сигнальным входом синхронного детектора 8, генератор синусоидального напряжения 9 соединен с опорным входом синхронного детектора 8, выход которого через низкочастотный фильтр 10 и детектор полярности 11 соединен с цифровыми входами микроконтроллера 12, цифровой выход микроконтроллера 12 соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя 13, аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с одним из входов сумматора 14, второй вход сумматора 14 соединен с генератором синусоидального напряжения 9, выход сумматора 14 через схему согласования 15 подключен к управляющим электродам спектрального анализатора 5, выполненного, например, по схеме несбалансированных интерферометров Маха-Цендера.
Система работает следующим образом. Широкополосный источник излучения 1, соединенный с входным портом циркулятора 2, направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 2 к датчикам Брэгга 3 по волоконно-оптическому кабелю. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт циркулятора 2 попадает на выходной порт циркулятора 2 и поступает в блок управления и обработки 4 на вход спектрального анализатора 5, построенного на основе, например, несбалансированных интерферометров Маха-Цендера. На управляющие электроды несбалансированных интерферометров Маха-Цендера от генератора синусоидального напряжения 9 через сумматор 14 и схему согласования 15 подается напряжение, изменяющее разность хода плеч интерферометров по синусоидальному закону, как это показано на фиг. 2, где:
Ф - интенсивность излучения;
λ - длина волны.
Это приводит к тому, что положение максимума пропускания по шкале длин волн интерферометров Маха-Цендера также меняется по синусоидальному закону. Одновременно с этим микроконтроллер 12 на своих цифровых выходах программным образом выставляет последовательно нарастающие кодовые комбинации, попадающие на цифровой вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13, в результате чего напряжение на выходе ЦАП 13 ступенчато-линейно увеличивается. Величина ступеньки определяется разрядностью ЦАП. Таким образом, на входах сумматора 14, а также на управляющих электродах спектрального анализатора 5 одновременно присутствуют синусоидальное и линейно нарастающее напряжение, что приводит к соответствующему изменению разности хода плеч интерферометров. В результате этого сигнал на фотоприемнике 6 будет иметь вид, как показано на фиг. 2. То есть на восходящем участке спектра отражения датчика Брэгга сигнал на входе в синхронный детектор 8 будет совпадать по фазе с напряжением с генератора 9, а на нисходящем участке спектра отражения датчиков Брэгга сигнал на входе в синхронный детектор 8 будет отличаться по фазе с напряжением с генератора 9 на 180 градусов. В точке максимума спектра отражения датчика Брэгга сигнал на входе в синхронный детектор 8 будет иметь значительно меньшую амплитуду и удвоенную частоту. На выходе синхронного детектора 8 после низкочастотного фильтра 10 будет положительное постоянное напряжение на восходящем участке спектра отражения датчика Брэгга, близкое к нулю точки максимума спектра, и отрицательное постоянное напряжение - на нисходящем участке спектра отражения датчика Брэгга. Детектор полярности 11 выставит логическую единицу на первый цифровой выход, если рабочая точка спектрометра находится на восходящем участке спектра отражения брэгговской решетки. Если рабочая точка спектрометра находится на нисходящем участке спектра отражения датчика Брэгга, детектор полярности 11 выставит логическую единицу на второй цифровой выход. На цифровом выходе детектора полярности 11 будет логический ноль, если длина волны спектрометра находится в точке максимума спектра отражения датчика Брэгга.
Эти цифровые сигналы будут приняты микроконтроллером 12, и по величине кода на входе ЦАП 13 в этот момент времени будет определена информационная длина волны отраженного излучения соответствующего датчика Брэгга.
Заявляемая полезная модель за счет высокой чувствительности синхронного детектора, а также его способности выделять сигнал на фоне чрезвычайного мощного шума позволит с высокой точностью измерять малые изменения положений максимума отражения датчика Брэгга.
Широкополосным источником излучения может быть стандартный суперлюминесцентный светоизлучающий диод, работающий на центральной длине волны 1,55 мкм.
Все компоненты системы, в том числе циркулятор и оптический приемник, являются стандартными для телекоммуникационных применений; блок управления и обработки может быть выполнен с использованием стандартной аналоговой и микропроцессорной техники.
Приведенный в качестве возможной основы для спектрального анализатора управляемый несбалансированный электрооптический интерферометр Маха-Цендера может быть выполнен на электрооптическом кристалле типа ниобата лития или танталата лития стандартным методом получения интегрально-оптических схем.
Технический результат достигается повышением точности измерения длин волн, на которых находятся максимумы отражений датчиков Брэгга. Обеспечивается модуляция показателя преломления спектрального анализатора, а последующее синхронное детектирование позволяет выделить сигнал на фоне чрезвычайного мощного шума, что дает возможность создания компактного спектрометра, который не имеет распределенных в пространстве элементов и механически двигающихся частей, тем самым создается возможность повышения надежности системы, увеличения скорости измерения и упрощения устройства.
Источники информации
1. Kersey A.D. Berkoff Т.A. Morey W.W. Multiplexed fiber Bragg grating strain sensor-system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, №16. - P. 1370-1372.
2. Кульчин Ю.H. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. - М.: Физматлит, 2001. - 272 с.
3. Jackson D.A. Ribeiro А.В.L. Simple multiplexing scheme for a fiberoptic grating sensor network // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, №14. - P. 1192-1194.
4. Kersey A.D. A review of recent developments in fiber optic sensor technology // Optical fiber technology. - 1996. - Vol. 2, №3. - P. 291-317.
5. Патент 2520963, Российская Федерация, МПК G01B 9/02, G01D 5/26. Волоконно-оптическая измерительная система (варианты) / Яцеев В.А.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Оптические измерительные системы». - №2012135565/28; заявл. 20.08.12; опубл. 27.02.14, бюл. №6. - 1 с.: ил.