ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам измерения температурного распределения в протяженных объектах.
Известно изобретение «Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения» (JP 10142076, опубл. 1998.05.29), в котором излучение, испускаемое источником и обратно рассеянное волокном, имеет стоксовую, антистоксовую и релеевскую компоненту, попадая на акустооптический элемент претерпевает дифракцию в зависимости от длины волны, так что становится возможным выделения различных оптических компонент излучения, которые регистрируются различными приемниками.
Недостатком данного изобретения является объемная конструкция фильтра, его сложность, дороговизна, низкая устойчивость к внешним воздействиям.
Известно изобретение «Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения» (RU 2221225, опубл. 2004.01.10), в котором устройство, содержащее импульсный источник оптического излучения, включающий лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, снабжено фотоприемником синхронизации. Оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым. Лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера. Направленный оптический ответвитель выполнен связывающим одномодовое и многомодовое оптические волокна, причем импульсный источник оптического излучения связан с одномодовым входом направленного оптического ответвителя, узел спектрального разделения связан с многомодовым входом направленного оптического ответвителя, фотоприемник синхронизации связан с одномодовым выходом оптического ответвителя. Узел обработки сигналов дополнительно содержит аналого-цифровые преобразователи и цифровые накопители сигналов. Фотоприемные модули связаны с выходами узла спектрального разделения и с аналого-цифровыми преобразователями, выходы
которых связаны с входами цифровых накопителей сигналов. Таймер связан с аналого-цифровыми преобразователями. Устройство может быть снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка многомодового оптического волокна. Одномодовый волоконный лазер выполнен на основе световода, легированного ионами редкоземельных элементов.
Недостатками данного изобретения являются использование нестандартных оптоволоконных элементов, таких как многомодовый/одномодовый направленный ответвитель, невозможность построения фильтров, полностью интегрированных с волокном, что приводит к удорожанию устройства, понижению надежности, ухудшению отношения сигнал/шум, ухудшению устойчивости к внешним воздействиям.
Данное изобретение является ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели, т.е. прототипом.
Задачей данной полезной модели является удешевление, повышение надежности и улучшение отношения сигнал/шум.
Данная задача по варианту 1 решается созданием волоконно-оптического устройства для измерения температурного распределения, содержащего импульсный источник оптического излучения, оптическое волокно, являющееся чувствительным элементом, направленный ответвитель, блок спектрального разделения, два фотоприемных модуля, фотоприемный модуль синхронизации и блок обработки, причем импульсный источник оптического излучения соединен с одним из входов направленного ответвителя, второй вход которого соединен со входом блока спектрального разделения, первый выход направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного модуля синхронизации, а второй выход направленного ответвителя соединен с чувствительным элементом, при этом первый выход блока спектрального разделения соединен со входом первого фотоприемного модуля и является измерительным, а второй выход блока спектрального разделения соединен с входом второго фотоприемного модуля и является опорным, выходы фотоприемных модулей и фотоприемного модуля синхронизации соединены с блоком обработки, причем чувствительный элемент выполнен в виде одномодового волокна, направленный ответвитель выполнен одномодовым, блок спектрального разделения содержит волоконный фильтр на брэгговской решетке и волоконный мультиплексор на два канала, настроенных на пропускание стоксовой и антистоксовой компоненты, причем вход блока спектрального разделения является входом волоконного фильтра на брэгговской
решетке, выход которого соединен со входом волоконного мультиплексора, выход которого настроенный на пропускание антистоксовой компоненты является измерительным выходом блока спектрального разделения, а выход волоконного мультиплексора, настроенный на пропускание стоксовой компоненты, является опорным выходом блока спектрального разделения.
Данная задача по варианту 2 решается созданием волоконно-оптического устройства для измерения температурного распределения, содержащего импульсный источник оптического излучения, оптическое волокно, являющееся чувствительным элементом, блок спектрального разделения, два фотоприемных модуля и блок обработки, причем первый выход блока спектрального разделения соединен со входом первого фотоприемного модуля и является измерительным, а второй выход блока спектрального разделения соединен с входом второго фотоприемного модуля и является опорным, выходы фотоприемных модулей соединены с блоком обработки, причем в него дополнительно введен циркулятор, чувствительный элемент выполнен в виде одномодового волокна, блок спектрального разделения содержит волоконный фильтр на брэгговской решетке и волоконный мультиплексор на два канала, настроенных на пропускание стоксовой и антистоксовой компоненты, причем импульсный источник оптического излучения соединен с первым входом циркулятора, второй вход которого соединен со входом блока спектрального разделения, а третий вход соединен с чувствительным элементом, при этом вход блока спектрального разделения является входом волоконного фильтра на брэгговской решетке, выход которого соединен со входом волоконного мультиплексора, выход которого настроенный на пропускание антистоксовой компоненты является измерительным выходом блока спектрального разделения, а выход волоконного мультиплексора, настроенный на пропускание стоксовой компоненты, является опорным выходом блока спектрального разделения.
Кроме того, блок спектрального разделения содержит волоконный мультиплексор на два канала, настроенных на пропускание релеевской и антистоксовой компоненты, и фильтр пропускания антистоксовой компоненты, причем вход блока спектрального разделения является входом волоконного мультиплексора, первый выход которого, настроенный на пропускание релеевской компоненты, является опорным выходом блока спектрального разделения, а второй выход волоконного мультиплексора, настроенный на пропускание антистоксовкой компоненты, соединен с входом блока фильтрации антистоксовой компоненты, выход которого является измерительным выходом блока спектрального разделения.
Кроме того, блок фильтрации антистоксовой компоненты выполнен в виде последовательно соединенных волоконного фильтра на брэгговской решетке, настроенного на подавление релеевской компоненты излучения, и участка одномодового волокна, скрученного в витки и предназначенного для вывода длинноволнового излучения стоксовой компоненты из сердцевины волокна.
Кроме того, блок фильтрации антистоксовой компоненты содержит фильтр на брэгговской решетке, настроенный на подавление релеевской компоненты излучения, и волоконный мультиплексор на два канала, настроенных на пропускание стоксовой и антистоксовой компоненты, причем вход волоконного фильтра на брэгговской решетке является входом блока фильтрации антистоксовой компоненты, а выход волоконного фильтра на брэгговской решетке соединен со входом волоконного мультиплексора, первый выход, настроенный на пропускание стоксовой компоненты, не используется, а второй выход, настроенный на пропускание антистоксовой компоненты, является выходом блока фильтрации антистоксовой компоненты.
Кроме того, устройство снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка одномодового оптического волокна, являющегося чувствительным элементом, при этом узел термостабилизации соединен с блоком обработки.
Кроме того, импульсный источник оптического излучения содержит задающий полупроводниковый лазерный источник, оптический изолятор, полупроводниковый лазер накачки, волоконный мультиплексор, волоконный оптический усилитель, причем полупроводниковый лазерный источник соединен через оптический изолятор, с первым входом волоконного мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом полупроводниковым лазером накачки, выход волоконного мультиплексора соединен с входом волоконного оптического усилителя, выход которого является выходом импульсного источника оптического излучения.
Кроме того, импульсный источник оптического излучения работает на коммуникационной длине волны 1.55 мкм.
Полезная модель поясняется чертежами:
На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического устройства для измерения температурного распределения с использованием направленного ответвителя (вариант 1).
На фиг.2 показана структурная схема волоконно-оптического устройства для измерения температурного распределения с использованием циркулятора (вариант 2).
На фиг.3 показаны варианты исполнения блока спектрального разделения.
На фиг.4 показана схема импульсного источника оптического излучения.
На фиг.5 показан спектр рассеянного излучения на выходе из волокна.
Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения по варианту 1 (фиг.1) содержит импульсный источник оптического излучения 1, оптическое волокно 2, являющееся чувствительным элементом, направленный ответвитель 3, блок спектрального разделения 4, два фотоприемных модуля 5, 6, фотоприемный модуль синхронизации 7 и блок обработки 8, причем импульсный источник оптического излучения 1 соединен с
одним из входов направленного ответвителя 3, второй вход которого соединен со входом блока спектрального разделения 4, первый выход направленного ответвителя 3 соединен со входом фотоприемного модуля синхронизации 7, а второй выход направленного ответвителя 3 соединен с чувствительным элементом 2, первый выход 9 блока спектрального разделения 4 соединен со входом фотоприемного модуля 5 и является измерительным, а другой выход 10 блока спектрального разделения 4 соединен с входом фотоприемного модуля 6 и является опорным, выходы фотоприемных модулей 5, 6 и фотоприемного модуля синхронизации 7 соединены с блоком обработки 8, при этом чувствительный элемент 2 выполнен в виде одномодового волокна, направленный ответвитель 3 выполнен одномодовым, блок спектрального разделения 4 содержит волоконный фильтр на брэгговской решетке 11 и волоконный мультиплексор 12 на два канала, настроенных на пропускание стоксовской и антистоксовой компоненты, причем вход блока спектрального разделения 4 является входом волоконного фильтра на брэгговской решетке 11, выход которого соединен со входом волоконного мультиплексора 12, выход которого настроенный на пропускание антистоксовой компоненты является выходом 9 блока спектрального разделения 4, а выход волоконного мультиплексора 12, настроенный на пропускание стоксовской компоненты, является выходом 10 блока спектрального разделения 4.
Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения по варианту 2 (фиг.2) содержит импульсный источник оптического излучения 1, оптическое волокно 2, являющееся чувствительным элементом, блок спектрального разделения 4, два фотоприемных модуля 5, 6 и блок обработки 8, причем первый выход 9 блока спектрального разделения 4 соединен со входом фотоприемного модуля 5 и является измерительным, а другой выход 10 блока спектрального разделения 4 соединен с входом фотоприемного модуля 6 и является опорным, выходы фотоприемных модулей 5, 6 соединены с блоком обработки 8, при этом дополнительно введен циркулятор 23, чувствительный элемент 2 выполнен в виде одномодового волокна, блок спектрального разделения 4 содержит волоконный фильтр на брэгговской решетке 11 и волоконный мультиплексор 12 на два канала, настроенных на пропускание стоксовской и антистоксовой компоненты, причем импульсный источник оптического излучения 1 соединен с первым входом циркулятора 23, второй вход которого соединен со входом блока спектрального разделения 4, а третий вход соединен с чувствительным элементом 2, при этом вход блока
спектрального разделения 4 является входом волоконного фильтра на брэгговской решетке 11, выход которого соединен со входом волоконного мультиплексора 12, выход которого настроенный на пропускание антистоксовой компоненты является выходом 9 блока спектрального разделения 4, а выход волоконного мультиплексора 12, настроенный на пропускание стоксовской компоненты, является выходом 10 блока спектрального разделения 4.
Кроме того, блок спектрального разделения 1 (фиг.1, 2) содержит первый волоконный мультиплексор 13 (фиг.3а) на два канала, настроенных на пропускание релеевской и антистоксовой компоненты и фильтр пропускания антистоксовой компоненты 14, причем вход блока спектрального разделения 1 (фиг.2) является входом волоконного мультиплексора 13 (фиг.3а), первый выход которого, настроенный на релеевскую компоненту, является одним выходом 10 блока спектрального разделения 4 (фиг.1, 2), по которому осуществляется передача опорного сигнала, а второй выход волоконного мультиплексора 13 (фиг.3а), настроенный на пропускание антистоксовкой компоненты, соединен с входом блока фильтрации антистоксовой компоненты 14, выход которого является выходом 9 блока спектрального разделения 4 (фиг.1, 2), по которому осуществляется передача измерительного сигнала.
Кроме того, блок фильтрации антистоксовой компоненты 14 (фиг.3а) выполнен в виде последовательно соединенных волоконного фильтра на брэгговской решетке 11, настроенного на подавление релеевской компоненты излучения, и участка одномодового волокна, скрученного в витки 15, предназначенного для вывода длинноволнового излучения стоксовской компоненты из сердцевины волокна.
Кроме того, блок фильтрации антистоксовой компоненты 14 (фиг.3b) содержит фильтр на брэгговской решетке 11, настроенный на подавление релеевской компоненты излучения, и волоконный мультиплексор 12 на два канала, настроенных на пропускание стоксовской и антистоксовой компоненты, причем вход волоконного фильтра на брэгговской решетке 11 является входом блока фильтрации антистоксовой компоненты 14, а выход волоконного фильтра на брэгговской решетке соединен со входом волоконного мультиплексора 12, первый выход которого не используется, а второй выход которого, настроенный на длину волны антистоксовой компоненты, является выходом блока фильтрации антистоксовой компоненты 14.
Кроме того, оно снабжено узлом термостабилизации 16 опорного отрезка одномодового оптического волокна 17, являющегося чувствительным элементом, причем узел термостабилизации 16 соединен с блоком обработки 8.
Кроме того, импульсный источник оптического излучения 1 (фиг.1, 2) содержит задающий полупроводниковый лазерный источник 18 (фиг.4), оптический изолятор 19, полупроводниковый лазер накачки 20, волоконный мультиплексор 21, волоконный оптический усилитель 22, выполненный на световоде, легированном ионами редкоземельных элементов, причем полупроводниковый лазерный источник 18 соединен через оптический изолятор 19 с одним из входов волоконного мультиплексора 21, второй вход которого соединен с выходом полупроводниковым лазером накачки 20, выход волоконного мультиплексора 21 соединен с входом волоконного оптического усилителя 22, выход которого является выходом импульсного источника оптического излучения 1 (фиг.2).
Кроме того, импульсный источник оптического излучения 1 (фиг.1, 2) работает на коммуникационной длине волны 1.55 мкм.
Устройство по вариантам 1, 2 работает следующим образом.
Источник оптического излучения 1 (фиг.1, 2) содержит задающий полупроводниковый лазерный источник 18 (фиг.4), работающий, например, на телекоммуникационной длине волны 1,55 мкм, который вырабатывает импульсы излучения длительностью 5...300 нс в зависимости от требуемого разрешения по расстоянию, которые проходят через изолятор 19 и поступают на первый вход волоконного мультиплексора 21, на второй вход которого поступает непрерывное излучение полупроводникового лазера накачки 20. Излучение с обоих входов мультиплексоров попадает в первый выходной канал, соединенный с оптически активным волокном, предназначенный для усиления оптического сигнала задающего лазера. Излучение с выхода усилителя попадает на первый вход одномодового направленного ответвителя, который распределяет входную оптическую мощность между двумя каналами, первый из которых соединен с фотоприемным модулем синхронизации, а второй с одномодовым волокном, являющимся чувствительным элементом. При этом импульс, поступивший на фотоприемный модуль синхронизации, после преобразования в электрический сигнал поступает в блок обработки, где он используется в качестве синхроимпульса, позволяющего задать начало отсчета времени. В устройстве, в качестве чувствительного к температуре, элемента используется одномодовое
коммуникационное волокно. Импульс излучения, попавший в него, частично отражается обратно от неоднородностей и имеет три компоненты (фиг.5): релеевскую, совпадающую по длине волны с исходным излучением, стоксовскую компоненту, сдвинутую в длинноволновую область и антистоксовскую компоненту, лежащую в коротковолновой области. При этом по отношению амплитуды антистоксовой компоненты и релеевской или стоксовской компоненты возможно вычислить температуру на определенном участке волокна. Обратно рассеянное излучение, содержащее все три компоненты, выходя обратно из волокна, проходит через направленный ответвитель 4 (фиг.1) или циркулятор 23 (фиг.2) и попадает на вход блока спектрального разделения. Поскольку используется одномодовое волокно, то возможно построение всех компонент блока разделения, полностью интегрированных с волокном, содержащим фильтр на брэгговской решетке, служащим для подавления релеевской компоненты, и стандартные волоконные мультиплексоры, предназначенные для разделения излучения по длинам волн, кроме того, используется в качестве фильтра коротких длин волн с использованием участка волокна, скрученного в витки радиусом порядка 3 см. На измерительном выходе блока спектрального разделения выделяется антистоксовская компонента, а на другом выходе, являющемся опорным, выделяется либо релеевская компонента (фиг.3а, 3b), либо стоксовская компонента (фиг.1, 2). Также возможно каскадное подключение блоков разделения каналов для увеличения соотношения сигнал-шум. При этом, часть одномодового волокна, служащего чувствительным элементом, может быть помещена в термостат 16 для привязки оптического сигнала к определенной температуре. Излучение с выхода блока спектрального разделения детектируется фотоприемными модулями, например, фотодиодами, электрический сигнал с который подается в блок обработки, где оцифровывается, развертывается во времени и обрабатывается согласно известным формулам.
В схеме используются задающий полупроводниковый лазер мощностью с одномодовым волоконным выходом - мощность 1 мВт с рабочей длиной волны 1.55 мкм, полупроводниковый лазер накачки мощностью 100 мВт и длиной волны 1.48 мкм, оптический усилитель на основе волоконного световода, легированного ионами эрбия, оптическое волокно, служащее в качестве чувствительного элемента, марки, например SMF-28, и длиной до 15 км. В качестве фильтров подавления релеевского излучения используются внутриволоконные брэгговские решетки на длину волны 1,55 мкм. А в качестве мультиплексоров используются
WDM-мультиплексоры 1,48/1,65 мкм и 1,48/1,55 мкм. В качестве блока обработки используется процессорный блок, с аналоговыми входами.
Таким образом, за счет применения одномодового волокна в качестве чувствительного элемента и применения одномодовых волоконно-оптических фильтров и стандартных телекоммуникационных волоконно-оптических компонентов на его основе повышается надежность, улучшается соотношение сигнал/шум и уменьшается стоимость устройства.