УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Техническое решение относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура или механическое натяжение) с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении (интерферометры Фабри-Перо, решетки Брэгга, датчики на тонкопленочных фильтрах и т.д.), у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной, как правило, полосовой резонансной характеристики, в зависимости от параметров приложенных физических полей.
Известно устройство для измерения параметров физических полей (см. электронный ресурс www.forc-photonics.ru, «Волоконно-оптический зондовый термометр», файл termometr_final.pdf, ООО ИП «НЦВО-Фотоника», 14.10.2008), которое содержит последовательно соединенные широкополосный лазерный излучатель, оптический разветвитель-циркулятор, волоконно-оптический кабель, оптический датчик, блок спектрального анализа принятого излучения и фотоприемный блок, соединенный с входом контроллера определения параметра физического поля, в котором производится математическая обработка спектрального смещения, по которому с учетом калибровки определяют параметр физического поля, в конкретном случае температуру. Известны аналогичные устройства для измерения параметров и других физических полей.
Устройство работает следующим образом. Генерируют широкополосное излучение в лазерном излучателе, передают его к оптическому датчику по волоконно-оптическому кабелю, принимают излучение, преобразованное в оптическом датчике в блоке спектрального анализа принятого излучения и фотоприемном блоке, и определяют параметры физического поля, прецизионно регистрируя спектральное смещение резонансной длины волны оптического датчика.
Недостатком указанного устройства является необходимость использования сложных дорогостоящих блока спектрального анализа принятого излучения и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения (как правило, это оптические анализаторы спектра). Оптоэлектронная спектральная обработка сигналов, также представляется сложной, и требует наличия либо перестраиваемых лазерных излучателей, либо сложных систем спектральной фильтрациии, либо нескольких фотоприемников, либо, как вариант, системы матричных ПЗС-приемников. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.
Прототипом технического решения является устройство для измерения параметров физических полей (см. Патент РФ №122174 U1 «Устройство для измерения параметров физических полей», МПК G01K 11/32 (2006.01), заявка 2012124693/28, опубл. 20.11.2012, Бюл. №32) которое содержит последовательно соединенные последовательно соединенные четырехчастотный лазерный излучатель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический датчик, фотоприемник, выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор к его второму входу.
Прототип работает следующим образом. В четырехчастотном лазерном излучателе генерируют пару сигналов близкой амплитуды со средней частотой, соответствующей определенной частоте полосы пропускания оптического датчика при заданном параметре физического поля, и разностной частотой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания, передают сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику по первой оптической среде, принимают прошедшую через оптический датчик пару сигналов, передаваемую по второй оптической среде, дополнительно генерируют вторую пару сигналов со средней частотой, соответствующей второй определенной частоте полосы пропускания оптического датчика при том же заданном параметре физического поля, и второй разностной частотой неравной первой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания, так что средняя частота обеих пар соответствует центральной частоте полосы пропускания оптического датчика, а разность между средними частотами пар равна его полуширине, передают вторую сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику по первой оптической среде, принимают прошедшую через оптический датчик вторую пару сигналов, передаваемую по второй оптической среде, выделяют биения пар сигналов на первой и второй разностной частотах и амплитуды их огибающих, а для определения параметра физического поля находят разность между амплитудами огибающих, по зависимости от разности амплитуд огибающих определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика от средней частоты первой и второй сгенерированных пар сигналов, которая однозначно связана с параметром измеряемого физического поля.
Недостатком прототипа устройства является необходимость детектирования, фильтрации и обработки двух неравных разностных частот и одновременная обработка двух каналов измерения. Определение разности амплитуд от средних частот первой и второй сгенерированных пар сигналов, каждая из которых подвержена воздействию шумов и помех различной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.
Технический результат заключается в повышении точности измерений, упрощении и удешевлении устройства для измерения параметров физических полей.
Технический результат в устройстве для измерения параметров физических полей, содержащем последовательно соединенные источник четырехчастотного сигнала, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель; а также первый фотоприемник, первый амплитудный детектор, второй амплитудный детектор, контроллер определения параметра физического поля, причем первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля, а второй амплитудный детектор подключен к его второму входу, достигается тем, что введены оптический разветвитель сигнала, два оптических избирательных фильтра, второй фотоприемник, два полосовых фильтра, при этом выход второго волоконно-оптического кабеля подключен к оптическому разветвителю сигнала, а первый выход оптического разветвителя сигнала через последовательно соединенные первый оптический избирательный фильтр, первый фотоприемник, первый полосовой фильтр подключен к первому амплитудному детектору, а второй выход оптического разветвителя сигнала через последовательно соединенные второй оптический избирательный фильтр, второй фотоприемник, второй полосовой фильтр подключен ко второму амплитудному детектору.
Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга.
Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо.
Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе тонкопленочного фильтра.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения параметров физических полей.
На фиг. 2 изображены зависимости амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик, и их разности от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 для случая подачи на него от источника лазерного излучения четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга.
Устройство для измерения параметров физических полей (фиг. 1) содержит последовательно соединенные источник четырехчастотного сигнала 1, первый волоконно-оптический кабель 2, оптический датчик 3, второй волоконно-оптический кабель 4; а также первый фотоприемник 5, первый амплитудный детектор 6, второй амплитудный детектор 7, контроллер определения параметра физического поля 8, причем первый амплитудный детектор 6 подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля 8, а второй амплитудный детектор 7 подключен к его второму входу, оптический разветвитель сигнала 9, два оптических избирательных фильтра 10 и 11, второй фотоприемник 12, два полосовых фильтра 13 и 14, при этом выход второго волоконно-оптического кабеля 4 подключен к оптическому разветвителю сигнала 9, а первый выход оптического разветвителя сигнала 9 через последовательно соединенные первый оптический избирательный фильтр 10, первый фотоприемник 5, первый полосовой фильтр 13 подключен к первому амплитудному детектору 6, а второй выход оптического разветвителя сигнала 9 через последовательно соединенные второй оптический избирательный фильтр 11, второй фотоприемник 12, второй полосовой фильтр 14 подключен ко второму амплитудному детектору 7.
Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе волоконной решетки Брэгга.
Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе интерферометра Фабри-Перо.
Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе тонкопленочного фильтра.
Блоки источник четырехчастотного сигнала 1, первый фотоприемник 5, первый амплитудный детектор 6, второй амплитудный детектор 7, контроллер определения параметра физического поля 8, второй фотоприемник 12, первый полосовой фильтр 13, второй полосовой фильтр 14 имеют систему электропитания, которая не показана на фиг. 1.
Рассмотрим работу устройства для измерения параметров физических полей.
Например, при измерении параметров физических полей (температуры или механического натяжения) оптический датчик 3 размещают на объекте исследования. Далее включают систему электропитания перечисленных выше блоков и проводят измерение.
При измерении параметров физических полей с помощью четырехчастотного источника лазерного излучения 1 одновременно генерируют четыре сигнала одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте полосы пропускания оптического датчика 3 при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3.
Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику 3 по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель 2.
В сгенерированных парах сигналов, проходящих через оптический датчик 3, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.
Ω1
Ω2
Ω1
Ω2
Ω1
Ω2
Ω1
Ω1
Ω2
Ω2
Ω1
Ω2
Далее с помощью оптического разветвителя сигнала 9, первого избирательного фильтра 10 и второго избирательного фильтра 11 выделяют прошедшие через оптический датчик 3 первую и вторую пару сигналов, передаваемые от оптического датчика 3 к оптическому разветвителю сигнала по второй оптической среде, в качестве которой выбран второй волоконно-оптический кабель 4. Далее с помощью первого фотоприемника 5 и второго фотоприемника 12 образуют сигналы, соответствующие биениям сигналов первой и второй пар, которые выделяются соответственно первым 13, настроенным на частоту Ω1, и вторым 14, настроенным на частоту Ω2, полосовыми фильтрами. Далее в первом 6 и втором 7 амплитудных детекторах соответственно определяется амплитуда огибающих первой U и второй U пар. Далее с помощью контроллера определения параметра физического поля 8 сравнивают амплитуды огибающих первой U и второй U пар. Если U>U, то дальнейшее определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля производят по амплитуде огибающей первой пары U. Если U<U, то дальнейшее определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля производят по амплитуде огибающей первой пары U. Ненулевая амплитуда огибающей пары, по которой в данный момент не производится определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля, показывает, что величина амплитуды огибающей пары, по которой производят определение параметров физического поля, соответствует величине частотного смещения ближайшего к точке пересечения зависимостей амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пар U и U от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 (фиг. 2), этим устраняется возникающая неоднозначность определения величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля (фиг. 2)
Ω1
Ω2
По полученным значениям и заложенным в контроллере определения параметра физического поля 8 зависимости разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар U и U прошедших через оптический датчик 3, от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 (фиг. 2) и зависимости направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля однозначно определяют измеряемый параметр физического поля.
Ω1
Ω2
На фиг. 2 изображена зависимость амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пар U и U, прошедших через оптический датчик 3 от обобщенной расстройки его полосы пропускания для случая подачи на него от источника лазерного излучения 1 четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3. В этом случае обеспечиваются оптимальные по чувствительности и крутизне измерительного преобразования параметры устройства.
Ω1
Ω2
При заданном (калибровочном) параметре физического поля средняя частота сгенерированных четырех сигналов будет соответствовать расстройке «0», средняя частота первой пары будет расположена с расстройкой средняя частота второй пары с расстройкой Их амплитуды будут равны (фиг. 2). При частотном смещении полосы пропускания оптического датчика 3 в зависимости от изменений параметра физического поля положение компонент сгенерированной пары сигналов относительно полосы пропускания будет меняться, будут меняться амплитуды огибающих биений пар, прошедших через оптический датчик 3 в соответствии с представленной зависимостью U и U (фиг. 2).
3
При известной зависимости величины расстройки полосы пропускания оптического датчика от значения параметра приложенного физического поля (например, для волоконно-оптической решетки Брэгга - типичные значения расстройки в зависимости от температуры ~0.01 нм/К и от относительного удлинения световода ~10 ΔL/L (нм) (С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, Е.М. Дианов, Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения, Фотон-Экспресс-Наука, 6, стр. 163-183, 2004)) определяют значение параметра приложенного физического поля.
Ω1
Ω2
Таким образом, по полученным величинам амплитуд огибающих биений первой и второй пар U и U, прошедших через оптический датчик 3 в соответствии с представленной зависимостью определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика 3 и далее по зависимости обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 от параметра приложенного физического поля в контроллере определения параметра физического поля 8 однозначно определяют параметр измеряемого физического поля.
Ω1
Ω2
Устройство может быть реализовано с использованием различных типов оптических датчиков 3, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и характера приложенного физического поля. Это могут быть волоконная решетка Брэгга или интерферометр Фабри-Перо или тонкопленочный фильтр. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга. При использовании спектральных характеристик оптических датчиков с нелинейной формой вид результирующих характеристик U и U также будет иметь нелинейные участки, однако на однозначности определения физического параметра это не скажется.
Устройство для измерения параметров физических полей (температура или механическое натяжение) может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1300 нм (возможны и другие длины волн):
- источник лазерного излучения 1 - один лазерный диод IDL10S-1300 НИИ «Полюс» или лазерный диод ДМПО131-22 ООО НПФ «Дилаз» и два модулятора на основе интерферометра Маха-Цендера 500-х-13 компании Laser2000;
- волоконно-оптические кабели 2, 4 - эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;
- оптический датчик 3 - волоконная решетка Брэгга, интерферометр Фабри-Перо, тонкопленочные фильтры ООО ИП «НЦВО-Фотоника»;
- оптический разветвитель 9 - FBT 1×2, 50/50, G.652 SC/UPC, “Связьстройдеталь”;
- фотоприемники 5, 12 - высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;
контроллер 8 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;
- избирательные фильтры 10-11 - фирмы Agilent;
- полосовые фильтры 13-14 - фирмы K&L Microwave;
- амплитудные детекторы 6-7 - сдвоенный амплитудный детектор AD8302-a (Analog Devices).
Для построения датчика параметров физических полей все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.
По сравнению с устройством по прототипу для измерения параметров физических полей с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении, у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной характеристики в зависимости от параметров приложенных физических полей, предложенное устройство с четырехчастотным зондированием оптического датчика и измерением параметра физического поля по разности между амплитудами огибающих биений пар сигналов, прошедших через оптический датчик не требует:
- во-первых, применения сложных дорогостоящих оптических систем определения спектрального смещения, что значительно снижает стоимость устройств;
- во-вторых, применения для анализа оптических сигналов избирательных элементов, которые обладают собственной зависимостью от изменений измеряемых физических полей.
Испытания опытного устройства измерения параметров физических полей были проведены на оптических датчиках, выполненных на волоконных решетках Брэгга, изготовленных и откалиброванных на оптических анализаторах спектра Yokogawa в лаборатории КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева (Казань), и показали, что использование устройства четырехчастотного зондирования оптического датчика с измерением параметра по разности амплитуд огибающих биений пар сигналов, позволило достичь погрешности измерения температуры 0,01°C в диапазоне ±60°C. При этом погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения температуры.
Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - упрощении, повышении точности и удешевлении устройств измерения параметров физических полей.