Волоконно-оптическая система мониторинга состояния объекта

Полезная модель относится к системам мониторинга параметров объекта на основе волоконной оптики и может быть использована в системах защиты объектов, территорий, помещений от несанкционированного доступа, а так же при контроле состояния длинномерных объектов, таких как, трубы, дамбы, мостовые конструкции.
Известно изобретение на основе волоконной оптики, которое может быть использовано в системах защиты объектов, территорий и помещений от несанкционированного доступа [патент РФ №2079888, кл. G08B 13/186, дата публикации 1997 г.], содержащее когерентный источник света, многомодовое оптическое волокно, формирователь светового потока, фотодетектор, формирователь сигнала тревоги в виде трубки определенной длины из оптически непрозрачного материала, разделительный конденсатор, компаратор, формирователь длительности импульсов, индикаторный элемент, интегратор, селектор длительности сигнала, логический элемент ИЛИ, второй компаратор.
Недостатком устройства является мониторинг объекта без указания пространственных координат воздействия на многомодовое оптическое волокно. Система дает общий сигнал о произошедшем действии, но не предоставляет конкретных данных, например, в виде координат, где именно произошло воздействие или обрыв волокна.
За прототип принята волоконно-оптическая система мониторинга охранной сигнализации, содержащая индикаторный элемент и оптоэлектронный канал измерения, состоящий из последовательно сочлененных источника света, отрезка многомодового оптического волокна, формирователя светового потока, фотодетектора, формирователя сигнала тревоги, в которую дополнительно введены, по меньшей мере, один оптоэлектронный канал измерения, по меньшей мере, два оптоволоконных чувствительных элемента и дешифратор, при этом отрезки многомодового волокна всех оптоэлектронных каналов измерения собраны в кабель, оптоволоконные чувствительные элементы распределены вдоль кабеля и выполнены в виде участков многомодового волокна, соединенных между собой внутри оптоволоконных чувствительных элементов в комбинации, соответствующей порядковому номеру оптоволоконного чувствительного элемента, [патент РФ №2311687, кл. G08B 13/186, дата публикации 2007 г.].
Недостатком системы прототипа является конструктивная сложность чувствительного элемента - пружинки, которая соединяет оптоволокно и объект мониторинга. Это затрудняет применение системы на длинномерных объектах, так как мест для креплений реагирующей пружинки может не оказаться и как следствие этого система имеет низкую точность определения координат воздействия на объект.
Техническим результатом является упрощение конструкции системы и повышение точности определения координаты воздействия на объект за счет исключения из системы конструктивно сложных чувствительных элементов и применения «сетки» пересекающихся одномодовых волокон, образующих матрицу для мониторинга параметров объекта.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптическая система мониторинга объекта, содержащая источники лазерного излучения, оптические разветвители, фотодиоды с оптическими коннекторами, фильтры и усилители выходных сигналов фотодиодов, компараторы, компьютер, согласно полезной модели содержит простые одномодовые пересекающиеся оптические волокна, образующие матрицу, в которой чувствительными элементами являются ее узлы, а также микроконтроллер, при этом источники лазерного излучения соединены с входами оптических разветвителей, выходы которых соединены с одномодовыми оптическими волокнами, которые соединены с входами фотодиодов, выходы которых подключены к входам фильтров и усилительных схем, выходы которых связаны с одним из входов компараторов, выходы которых подключаются к входам микроконтроллера, связанного своим выходом с входом компьютера, обрабатывающего события с объекта мониторинга.
Таким образом, предложенная полезная модель позволит упростить конструкцию системы и повысит точность определения координаты воздействия на объект за счет исключения из системы конструктивно сложных чувствительных элементов и применения «сетки» пересекающихся волокон, образующих матрицу мониторинга объекта, в которой в качестве чувствительных элементов выступают ее узлы.
На фиг. 1 приведена функциональная схема волоконно-оптической системы мониторинга объекта.
Волоконно-оптическая система мониторинга объекта (фиг. 1) включает в себя источники лазерного излучения 1.1 и 1.2, которые соединены с входами оптических разветвителей 2.1 и 2.2, выходы которых связаны с одномодовыми оптическими волокнами 3.1…3.N и 3.2…3.М, которые подключены к входам фотодиодов 4.1…4.N и 4.2…4.М, выходы которых соединены с входами фильтров и усилительных схем 5.1…5.N и 5.2…5.М, выходы которых связаны с входами компараторов 6.1…6.N и 6.2…6.М, выходы которых подключаются к входам P1…PN микроконтроллера 7, выход которого соединен с входом компьютера 8, обрабатывающего события с объекта мониторинга 9.
Система работает следующим образом.
1
n
деф
недеф
эт
недеф
деф
недеф
эт
эт
недеф
эт
деф
Источники лазерного излучения 1.1 и 1.2 испускают непрерывно световые сигналы, которые попадают на оптические разветвители 2.1 и 2.2. Вся мощность светового сигнала делится в данных разветвителях в равной степени по каналам. Разветвители расположены таким образом, чтобы образовывать матрицу в виде пересекающихся одномодовых оптических волокон 3.1…3.N и 3.2…3.М. При воздействии на область пересечения волокон, расположенных на объекте - узлы a…z, происходит деформация волокон в месте воздействия, и мощность светового сигнала в волокнах на выходе уменьшится. Измененные световые сигналы низкого уровня попадают на вход одного из фотодиодов 4.1…4.N строк и на вход другого фотодиода из 4.1…4.М столбцов. Принятые фотодиодами сигналы фильтруются и усиливаются посредством фильтров и усилительных схем 5.1…5.N и 5.2…5.М. После усиления электрические сигналы низкого уровня деформированных волокон V попадают вместе с электрическими сигналами высокого уровня недеформированных волокон V с фильтров и усилительных схем 5.1…5.N и 5.2…5.М на входы компараторов 6.1…6.N и 6.2…6.М, а на другие входы подается эталонное значение напряжения V=V, полученного при прохождении светового сигнала в оптическом волокне в отсутствии внешних деформаций. В компараторах 6.1…6.N и 6.2…6.М происходит сравнение напряжений V, V, с эталонным для канала V, если V=V, то на выходах компараторов 6.1…6.N и 6.2…6.М формируется логическая «1», если V>V, то на выходах компараторов 6.1…6.N и 6.2…6.М формируется логический «0». Результат операции сравнения сигналов с каждого компаратора попадает на входы P1…PN микроконтроллера 7, где происходит обработка сигналов. Принятая с портов информация в виде комбинации нулей и единиц отправляется из микроконтроллера 7 в компьютер 8. На компьютере 8 определяется идентификатор узла и сегмента объекта мониторинга 9, согласно сравнению принятой кодовой комбинации с имеющейся в базе данных компьютера для всего объекта мониторинга.
Рассмотрим пример работы системы.
2
деф
эт
деф
2
Предположим, что на объект мониторинга 9 оказано внешнее воздействие в районе области b - точки пересечения оптических волокон 3.3 и 3.4 (фиг. 1). Происходит деформация волокон 3.3 и 3.4, а пропускаемые световые сигналы внутри волокон теряют свою мощность. Далее сигналы попадают на входы фотодиодов 4.3 и 4.4, где преобразуются из оптических в электрические, фильтруются и усиливаются. Теперь сигналы низкого уровня V попадают на входы компараторов 6.3 и 6.4. На компараторах происходит сравнение сигналов, и в случае V>V - на выходах компараторов 6.3 и 6.4 формируются логические «0». Результаты операций сравнения сигналов компараторов 6.3 и 6.4, а также операций сравнения сигналов недеформированных волокон попадают на входы P1-PN микроконтроллера 7, где происходит их обработка. Результатом обработки является кодовая комбинация, состоящая из набора нулей и единиц, которая передается в компьютер 8, где происходит сравнение с имеющейся базой данных обо всех узлах и сегментах объекта. На экран компьютера выводится координата b объекта мониторинга 9, подвергшаяся воздействию. Размер ячейки сетки определяет необходимую точность в определении координаты воздействия и зависит от геометрических размеров контролируемого объекта. При воздействии на объект в нескольких местах (на узлы сетки) на входе микроконтроллера будет сформирован соответствующий код и в компьютере определяются координаты нескольких точек воздействия.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет упростить конструкцию системы и повысить точность определения координаты воздействия на объект за счет исключения из системы конструктивно сложных чувствительных элементов и применения «сетки» пересекающихся волокон, образующих матрицу мониторинга объекта, в которой в качестве чувствительных элементов выступают ее узлы.