СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
SYSTEM FOR DETERMINING THE CENTRAL WAVELENGTH OF FIBRE-OPTIC SENSORS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в области измерения различных физических величин, таких как деформация, температура, давление и т.д. с помощью волоконно-оптических датчиков, например, в системах контроля деформации изделий из композитных материалов, на объектах энергоснабжения, инженерных сооружениях и др.
Известна система определения центральной длины волны волоконно-оптического датчика, описанная в способе (патент РФ RU 2 491 511 C2, «Способ измерения параметров физических полей», опубликован 27.08.2013) содержащая источник двухчастотного лазерного излучения, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель, первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, фазометр, контроллер определения параметра физического поля, при этом выходы первого и второго фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазометра, а выход фазометра к входу контроллера определения параметра физического поля. В различных случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга, или интерферометра Фабри-Перо, или тонкопленочного фильтра. Как правило, длина третьего волоконно-оптического кабеля равна сумме длин первого и второго волоконно-оптических кабелей. В основу работы указанного аналога положено измерение разности фаз между огибающей биений сигналов сгенерированной пары и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик.
Недостатком указанного аналога является наличие сложного и дорогостоящего источника двухчастотного лазерного излучения на основе электрооптических модуляторов Маха-Цендера, у которых происходит смещение положения рабочей точки из-за воздействия внутренних и внешних факторов, такие как температура окружающей среды, таким образом, требуется дополнительное устройство для ее стабилизации, что существенно усложняет схему волоконно-оптического термометра. Кроме того, в данном техническом решении отсутствует возможность подключения более одного датчика температуры, а также отсутствует возможность мультиплексирования.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический термометр (патент РФ RU 2 673 507 C1, «Волоконно-оптический термометр», опубликован 27.11.2018), содержащий источник лазерного излучения, оптический разветвитель, оптический датчик, первый фотоприемник, второй фотоприемник, контроллер определения температуры, оптический ответвитель, циркулятор, оптический фильтр, N-1 последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических разветвителей, N-1 оптических датчиков, N последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических объединителей, где N - натуральное число и N ≥ 1, причем источник лазерного излучения соединен с входом оптического разветвителя посредством волоконного световода, второй выход оптического разветвителя соединен с входом оптического датчика посредством волоконного световода, выход каждого предыдущего из N оптического разветвителя соединен с входом каждого последующего соответствующего из N оптического разветвителя, второй выход каждого введенного из N-1  оптического разветвителя соединен с входом соответствующего из N-1  оптического датчика посредством волоконного световода, выход каждого из N оптического датчика соединен со вторым входом соответствующего из N оптического объединителя посредством волоконного световода, причем первый вход каждого предыдущего из N оптического объединителя соединен с выходом каждого последующего соответсвующего из N оптического объединителя, выход первого из N оптического объединителя соединен с входом оптического ответвителя посредством волоконного световода, первый выход оптического ответвителя соединен с входом первого фотоприемника посредством волоконного световода, второй выход оптического ответвителя соединен с входом циркулятора посредством волоконного световода, первый выход циркулятора соединен с оптическим фильтром посредством волоконного световода, второй выход циркулятора соединен с входом второго фотоприемника посредством волоконного световода, выходы первого и второго фотоприемника соединены с первым и вторым входами контроллера определения температуры соответственно посредством электрических проводов, источник лазерного излучения выполнен широкополосным, а каждый оптический датчик выполнен, на основе волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми сдвигами.
Недостатком прототипа является необходимость обеспечения неизменного частотного положения амплитудно-частотной характеристики оптического фильтра, что требует использования дополнительных методов и средств для температурной стабилизации (изоляции) оптического фильтра.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении реализации волоконно-оптической измерительной системы и в увеличении диапазона рабочих температур системы.
Технический результат достигается за счет того, что в систему дополнительно введены второй циркулятор, второй оптический фильтр, имеющий отличную от первого оптического фильтра зависимость положения центральной длины волны от температуры и расположенный в непосредственной близости от первого оптического фильтра, третий фотоприемник, контроллер определения центральной длины волны оптических датчиков, причем третий выход оптического ответвителя соединен с входом второго циркулятора посредством волоконного световода, первый выход второго циркулятора соединен со вторым оптическим фильтром посредством волоконного световода, второй выход второго циркулятора соединен с входом третьего фотоприемника посредством волоконного световода, выход третьего фотоприемника соединен с третьим входом контроллера определения центральной длины волны оптических датчиков посредством электрических проводов.
k
k
В частности, каждый оптический датчик, выполненный на основе волоконной решетки Брэгга, содержит по меньшей мере два фазовых π-сдвига, формирующих в спектральном отклике решетки по меньшей мере два окна прозрачности, разнесенных относительно друг друга на величины ∆λ, где  = 1, … M; M – натуральное число и M≥2 – количество окон прозрачности.
k
,
i
k
,
j
k
,
i
k
,
j
k
,
i
k
,
j
i
j
i
j
В частности, в оптических датчиках разнос окон прозрачности ∆λ≠∆λ, где  и – номера оптических датчиков, , ∈N, где N – количество оптических датчиков, при этом разность ∆λ-∆λ не равна и не кратна в целом и частном ∆λ и ∆λ.
В частности, источник лазерного излучения соединен с входом оптического разветвителя, имеющего N выходов, каждый выход оптического разветвителя соединен с входом оптического датчика посредством волоконного световода, выход каждого из N оптических датчиков соединен с соответствующим входом оптического объединителя, имеющего N входов, посредством волоконного световода.
1
N
1
N
1
N
На фиг. 1 изображена структурная схема системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков по п.1–3, на фиг. 2 – структурная схема системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков по п.4, на фиг. 3 – конструкция волоконно-оптических датчиков по п.1–3, на фиг. 4 – конструкция волоконно-оптических датчиков по п.4, на фиг. 5 – спектр волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, на фиг. 6 представлен алгоритм работы контроллера определения центральной длины волны оптических датчиков, где 1 – широкополосный источник лазерного излучения, 2 – 2 – оптические разветвители, 3 – 3 – оптические датчики, 4 – 4 – оптические объединители, где N – натуральное число, 5 – оптический ответвитель, 6 – первый циркулятор, 7 – первый оптический фильтр,  8 – первый фотоприемник, 9 – второй фотоприемник, 10 – второй циркулятор, 11 – второй оптический фильтр, 12 – третий фотоприемник, 13 – контроллер определения центральной длины волны датчиков,   14 – волоконная решетка Брэгга, 15 – фазовые сдвиги волоконной решетки Брэгга.
1
N
1
N
1
N
k
k
,
i
k
,
j
k
,
i
k
,
j
k
,
i
k
,
j
1
N
1
N
k
,
i
1
N
k
,
i
k
i
j
i
j
Принцип работы системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков (фиг. 1 – фиг. 6) заключается в следующем. Широкополосное оптическое излучение от источника лазерного излучения 1 (фиг. 1) направляется в оптические датчики 3 – 3 через оптические разветвители 2 – 2. Каждый из оптических датчиков 3 – 3 в окнах прозрачности из полного спектра света вырезает два или более узкополосных участка с разносом ∆λ, где  = 1, … M; M – натуральное число и M≥2 – количество окон прозрачности, при этом разнос окон прозрачности 15 ∆λ≠∆λ, где  и – номера оптических датчиков, , ∈N, где N – количество оптических датчиков, при этом разность ∆λ-∆λ не равна и не кратна в целом и частном ∆λ и ∆λ. Далее оптические объединители 4 – 4 объединяют сигналы, прошедшие через оптические датчики 3 – 3, и полученный сигнал попадает в оптический ответвитель 5, где разделяется на три части, одна из которых направляется на первый фотоприемник 8, другая через первый циркулятор 6 попадает в первый оптический фильтр 7, где происходит ослабление сигнала в соответствии с его спектральным положением относительно характеристики отражения оптического фильтра 7, отраженный сигнал от оптического фильтра 7 через циркулятор 6 попадает во второй фотоприемник 9, а третья часть оптического сигнала через второй циркулятор 10 попадает во второй оптический фильтр 11, установленный в непосредственной близости от первого фильтра и имеющий отличную от первого зависимость положения центральной длины волны от температуры, в котором происходит ослабление сигнала в соответствии с его спектральным положением относительно характеристики отражения оптического фильтра 11, отраженный сигнал от оптического фильтра 11 через циркулятор 10 попадает в третий фотоприемник 12. При этом оптические фильтры могут представлять собой волоконные решетки Брэгга, наклеенные на подложки, имеющие различные коэффициенты теплового расширения и находящиеся в одном корпусе. Таким образом, на выходе первого фотоприемника 8 формируются огибающая биений двух или более частотных составляющих равной амплитуды с частотой, соответствующей разносу ∆λ, а на выходе второго 9 и третьего 12 фотоприемников формируются огибающая биений двух или более частотных составляющих разной амплитуды, зависящих от спектрального положения пропущенного от оптических датчиков 3 – 3 света, также с частотой, соответствующей разносу ∆λ. Контроллер определения центральной длины волны датчиков 13 принимает сигналы с первого, второго и третьего фотоприемников 8, 9 и 12 и обрабатывает их по алгоритму, представленному на фиг. 6.
Система определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков может быть реализована на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм:
• источник лазерного излучения 1 – суперлюминесцентный диод SLD-1550-3 фирмы «Superlum»;
1
N
1
N
• оптические разветвители 2 –2, оптический ответвитель 5, оптические объединители 4 –4 - оптический разветвитель ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;
1
N
• оптические датчики 3 –3 – волоконная решетка Брэгга 14 с двумя или более фазовыми сдвигами 15 записанная в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань);
• первый циркулятор 6, второй циркулятор 10 – циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;
• первый оптический фильтр 7, второй оптический фильтр 11 – волоконная решетка Брэгга, записанная в НЦВО «Фотоника» (Москва), или НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), или Инверсия-Файбер (Новосибирск), или Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д.;
• первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 9, третий фотоприемник 12 – высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;
• контроллер определения температуры 10 – микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;
При реализации системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков все указанные блоки формирования, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.
По сравнению с прототипом, предложенная системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков позволяет упростить реализацию схемы за счет исключения необходимости использования сложных и дорогостоящих средств температурной стабилизации (изоляции) оптического фильтра.
Дополнительным преимуществом предложенной системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков является расширение диапазона рабочих температур системы.
Испытания опытного образца системы определения центральной длины волны волоконно-оптических датчиков были проведены на оптических датчиках, изготовленных в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (г. Казань), откалиброванных на оптических анализаторах спектра ANDO там же. Исследования показали, что предложенная система обладает простотой реализации, при этом погрешность измерения температуры составляет ±0,3°C в диапазоне 300°C. Погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения центральной длины волны датчиков, а также неточностью изготовления датчиков на основе волоконных решеток Брэгга с фазовыми сдвигами.