Самокалибрующийся анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, и может быть использована для измерения спектральных характеристик и показаний с волоконно-оптических датчиков, в частности, в тепловой и ядерной энергетике, в химической и нефтегазовой, а также, в критических узлах других отраслей промышленности.
Уровень техники
nd
3
Для измерения длины волны отраженного или проходящего оптического сигнала через волоконно-оптические датчики (ВОД), например, на основе волоконных брэгговских решеток, применяются специальные устройства - анализаторы сигналов волоконно-оптических датчиков (АСВОД или interrogator в англоязычной литературе) [1]. (Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists / edited by Eric Udd, William B. Spillman, Jr. - - 2 ed. P. cm. ISBN 978-0-470-12684-4 (hardback)) Существующие анализаторы сигналов, несмотря на их высокое техническое совершенство, имеют ряд существенных недостатков: большое энергопотребление, низкие частоты сканирования (до 1 кГц) массива датчиков, большие габариты (типовые размеры: 15×13×30 см) и массу (от 2 до 5 кг), чувствительность к вибрации и другим типам воздействующих факторов Эти факторы ограничивают применение систем мониторинга на основе АСВОД и волоконно-оптических систем.
Известно техническое решение «Оптическое установка классифицирующая для анализа оптических сигналов и оптических сенсорных систем» [заявка ЕР 2629753, опубл. 31.07.2013], в устройстве которого используется блок демодуляции, включающий фильтрующее устройство для передачи каждого отдельного из выходных сигналов в уникальный сигнальный канал путем передачи в каждый сигнальный канал выходного сигнала модулированного соответствующим модулирующим сигналом, привязанным к указанному сигнальному каналу.
Недостатком данного решения является ограниченность числа входных сигналов и зависимость результатов от спектральных потерь в оптическом канале.
В техническом решении «Метод опроса датчиков на основе волоконных брэгговских решеток» [патент US 7512291, опубл. 06.12.2007 US 7512291 В2, 31.03.2009], в устройстве которого предлагается использовать интегрально оптический микрочип и устройство преобразования сигнала, микрочип представляет собой блок демодуляции на основе спектрально-селективного делителя с разрешением 5 пм.
Недостатком данного метода является зависимость ошибки измерения от спектральных потерь в передающем канале и ограниченность количества датчиков в канале количеством фильтров.
В изобретении «Калиброванный сканирующий лазер и система анализа сигналов для тестирования систем со спектральным разделением каналов» [патент US 6449047, опубл. 10.09.2002], которое включает сканирующий лазер с перестраиваемым фильтром, управляемым пьезоактюатором, реперный фильтр и систему детектирования, представляет собой оптоволоконную схему, а также имеет в своем составе механические элементы (пьезоакюатор), что не позволяет использовать прибор в условиях повышенных механических колебаний и резких температурных перепадов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, является техническое решение «Система опроса волоконно-оптических датчиков» [патент US 9310273, заявка US 20140211202 опубл. 31.07.2014], которая представляет собой систему для мониторинга множества волоконных брэгговских решеток в оптическом волокне, причем каждая волоконная брэгговская решетка чувствительна к другой длине волны света, система при этом включает: широкополосный источник для освещения оптического волокна; по крайней мере один оптический интерферометр; средства передачи света для передачи на вход интерферометра света отраженного от волоконных брэгговских решеток; и процессор для обработки выходящего из интерферометра сигнала для определения длины волны отраженного света, где средства передачи света включают спектрально селективный ответвитель используемый для разделения света полученного из оптического волокна на множество длин волн, каждая из которых связана с одной из брэгговских решеток и/или временной разделитель, используемый для разделения света полученного из оптического волокна на разделенные по времени последовательности.
Оптическое излучение от источника излучения попадает на волоконную брэгговскую решетку от которой отражается и попадает на массив изогнутых волноводов, после чего проходя разный оптический путь на выходе сигнал с разными длинами волн приходит в разные моменты времени. Далее сигнал попадает на массив фотодетекторов и в электронную часть где вычисляется длина волны.
Основным недостатком такого метода является зависимость выходного сигнала от спектральных потерь в каждом канале, что влияет на интенсивность выходного сигнала, которая может привести к искажению выходного спектра, далее сигнал с каждого разделяется между каналами, отвечающими за точное определение отраженной длины волны. Кроме того минимальная ширина линии сканирования ограничивается полосой 1 МГц. в диапазоне волн 1.3-1.6 нм.
К недостаткам прототипа можно отнести использование широкополосного источника, что приводит к усреднению отраженного от датчика ВБР сигнала и уменьшению точности. Отсутствие абсолютного репера длины волны не позволяет определять абсолютные значения длин волн отражения датчиков ВБР, а только относительные изменения.
Раскрытие полезной модели
Задача, решаемая полезной моделью, создание самокалибрующегося анализатора сигналов волоконно-оптических датчиков, позволяющего снизить энергопотребление, имеющего малые габариты и массу, обеспечивающего высокие частоты сканирования, точность и повторяемость, устойчивого к вибрации и другим факторам воздействия.
Техническим результатом настоящего технического решения является повышение точности определения относительного смещения спектра отражения брэгговской решетки, возможность определения абсолютной длины волны отражения ВБР, а также нечувствительность к спектральным потерям в линии и приемной части.
n
n-1
Поставленная задача решена созданием самокалибрующегося анализатора сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, включающего источник оптического излучения, оптический интерферометр, средства передачи света, датчики на основе волоконных брэгговских решеток и процессор, в котором в качестве источника оптического излучения использован перестраиваемый источник узкополосного оптического излучения, подключенный к входу ответвителя, имеющего один вход и два выхода, первый выход ответвителя подключен к входному порту оптического циркулятора, который имеет три порта - входной, общий и выходной -и предназначен для направления света от источника излучения из входного порта в общий - к линии датчиков ВБР, при этом брэгговские длины волн ВБР лежат в диапазоне длин волн оптического излучения, генерируемого источником, и различаются на постоянную величину, т.е. λ-λ=const, к выходному порту циркулятора подключен спектрально-селективный ответвитель, имеющий один вход и восемь выходов, используемый для разделения света, полученного из оптического волокна, на восемь спектрально раздельных каналов, каждый из которых связан с одной из брэгговских решеток в линии ВБР, при этом каждый выход спектрально-селективного ответвителя соединен с входом коммутатора для направления света, полученного из одного из выходных каналов спектрально-селективного ответвителя, на выход, подключенный к входу интерферометра Маха-Цандера, имеющего один вход, два разбалансированных плеча, одно плечо интерферометра управляется внешним сигналом, и три выхода которые подключены через фотоприемники к процессору, второй выход ответвителя подключен к реперу длины волны, соединенному с процессором, который управляет процессами перестройки оптического источника, переключением коммутатора и обрабатывает сигналы: сопоставляя их с калибровочными данными выдает значение текущей длины волны отражения каждого из ВБР-датчиков в линии.
В качестве перестраиваемого источника узкополосного оптического излучения может быть использован массив перестраиваемых источников излучения.
В качестве репера длины волны может быть использована газовая ячейка, в которой содержится газ с известным и постоянным спектром поглощения света.
В качестве репера длины волны может быть использован интерферометрический эталон или спектральный фильтр.
Репер длины волны может включать подключенные выходами к процессору интерферометрический эталон и газовую ячейку, входы которых подключены к выходам оптического делителя, соединенного с вторым выходом оптического ответвителя.
Конструкция устройства поясняется Фиг. 1, 2, 3, 4. На рисунках:
1 - источник излучения,
2 - оптический ответвитель,
3 - циркулятор,
4 - линии датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР),
5 - спектрально-селективный ответвитель,
6 - коммутатор,
7 - интерферометр Маха-Цандера,
8 - репер длины волны,
9 - процессор,
10 - интерферометрический эталон,
11 - газовая ячейка,
12 - оптический делитель.
На Фиг. 1 представлена общая схема анализатора, на Фиг. 2 - схема, где в качестве репера использован интерферометрический эталон, на Фиг. 3 - схема с использованием в качестве репера газовой ячейки, на Фиг. 4 приведена схема, где репер содержит и газовую ячейку, и интерферометрический эталон, которые подключены через делитель к оптическому ответвителю.
Работа устройства
n
n-1
Источник перестраиваемого узкополосного излучения 1, управляемый процессором 8, генерирует свет с переменной во времени длиной волны, причем длина волны изменяется линейно во времени и циклично по достижении края диапазона перестройки, т.е. перестройка начинается заново с начала диапазона. На выходе источника располагается оптический ответвитель 2, который имеет два выхода и разделяет излучение между измерительной ветвью и калибровочной. Излучение в измерительную ветвь проходит через циркулятор 3, который направляет свет из входного порта в общий, куда подключена линия из 8 датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) 4. ВБР подобраны таким образом, что спектр отражения каждой из них лежит в пределах диапазона перестройки источника, а центральные длины волн соседних ВБР отличаются на постоянную величину, т.е. λ-λ=const. Таким образом, за один цикл перестройки источника излучение перекрывает все ВБР в линии. Отраженный от датчика ВБР свет проходит обратно на циркулятор 3, который направляет свет с общего порта в выходной -к спектрально-селективному ответвителю 5. Спектрально-селективный ответвитель 5 представляет собой упорядоченный массив волноводов и имеет один вход и 8 выходов (по числу датчиков ВБР в линии). За счет интерференции в массиве волноводов спектрально-селективного ответвителя поступающее на вход излучение разделяется в соответствии с длиной волны, то есть в каждых выход попадает излучение из узкого поддиапазона. Спектрально-селективный ответвитель и датчики ВБР подобраны так, что в каждый спектральный поддиапазон выходов спектрально-селективного ответвителя попадает отраженное излучение только одного датчика ВБР из линии.
Каждый выход спектрально-селективного ответвителя соединен с одним из восьми входов коммутатора 6, который под действием управляющего сигнала процессора оптически связывает необходимый вход с интерферометром Маха-Цандера 7, подключенным к выходу коммутатора. Управление процессора коммутатором синхронизовано с управлением источником излучения таким образом, что когда длина волны излучения источника достигает края поддиапазона текущего подключенного выхода спектрально-селективного ответвителя, процессор подает команду коммутатору на включение следующего входа. Так оптический сигнал от каждого датчика ВБР передается на интерферометр Маха-Цандера 7.
Интерферометр Маха-Цандера 7 с двумя разбалансированными плечами имеет три выхода, разница фаз между которыми составляет 2π/3. За счет интерференции соотношение между тремя выходами амплитуд пропускания узкополосного излучения будет уникальным для каждой длины волны излучения в области свободной дисперсии интерферометра. В одном из плеч интерферометра можно изменять набег фазы оптического излучения с помощью управляющего сигнала с процессора для подстройки интерференционной характеристики в соответствии с поддиапазоном выхода спектрально-селективного ответвителя, подключенного в каждый момент. Выходы интерферометра Маха-Цандера через фотоприемники соединены с процессором, который вычисляет соотношение амплитуд сигналов и сравнивает их с калибровочными данными для соответствующего поддиапазона.
Излучение, которое направляется ответвителем 2 в ветвь калибровки попадает в репер длины волны 8, соединенный с процессором 9.
Репер длины волны может представлять собой интерферометрический эталон 10, например, эталон Фабри-Перо с известной областью свободной дисперсии и низкой добротностью, волоконный интерферометр Маха-Цандера или Майкельсона. В таком случае можно фактически определить абсолютную скорость перестройки источника и уточнить абсолютное изменение длины волны отражения датчиков ВБР в линии. Также репер длины волны может представлять собой газовую ячейку 11, наполненную газом с известным спектром поглощения в рабочей спектральной области источника. Выход ячейки соединяется с процессором через фотоприемник. Сигнал пропускания газовой ячейки с фотоприемника за цикл перестройки сопоставляется с известным спектром поглощения газа, что позволяет точно определить длину волны излучения источника в каждый момент времени, а значит и абсолютную длину волны отражения датчика ВБР.
Репер длины волны может представлять собой комбинацию предыдущих двух вариантов, при этом - интерферометрический эталон 10 и газовая ячейка 11 своими входами через оптический делитель 12 подключены к второму выходу оптического ответвителя 2, а выходами - к процессору 9. Это дает возможность одновременно добиться привязки к абсолютным значениям длин волн и точно определять абсолютное смещение длин волн отражения датчиков ВБР. Такая комбинация позволяет работать и отдельно только с газовой ячейкой, или только с интерферометрическим эталоном.
Таким образом, по отношению амплитуд сигналов на выходах интерферометра Маха-Цандера и сигнала с репера длины волны можно точно определять спектральное смещение длин волн датчиков ВБР с привязкой к абсолютным длинам. Интегрально-оптическое исполнение элементов: источника, ответвителя, делителя, спектрально-селективного ответвителя, коммутатора и интерферометра Маха-Цандера позволяет получить малогабаритный прибор с высокой вибростойкостью и температурной стабильностью.