Измерительное устройство контроля деформации и температуры на основе наноразмерных волоконно-оптических датчиков

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

В.А. Лазарев

Научный руководитель - д.т.н., профессор В.Е. Карасик

Рассмотрена возможность создания измерительного устройства на основе наноразмерных волоконно-оптических датчиков Брэгга с применением усовершенствованного принципа калибровки на основе кюветы с ацетиленом. Сообщается о результатах работ по исследованию и разработке макета измерительного устройства.

Введение

Основной задачей средств измерений является контроль параметров, определяющих физическое состояние объекта. Одной из наиболее востребованных задач является исследование полей деформации, или механических напряжений, так как своевременное обнаружение критических деформаций во многом позволит предотвратить возникновение аварийных ситуаций или катастроф. Поля деформации особенно важно измерять на так называемых инфраструктурных объектах - объектах, от которых зависит жизнедеятельность значительного количества людей, а также функционирование различных областей промышленности.

Наблюдение за состоянием таких больших объектов, особенно с применением методов инструментального контроля, представляет собой непростую задачу, так как контроль должен быть непрерывным и максимально достоверным. Создание информационно-измерительных систем (ИИС) для этих задач до недавнего времени было чрезмерно дорогостоящим решением, в том числе и в смысле затрат на обслуживание и эксплуатацию таких систем. Дело в том, что традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линий для подачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации датчиков достаточно жестко ограничены по параметрам окружающей среды, по воздействию агрессивных сред, высоковольтного напряжения и электромагнитных помех.

Появление волоконно-оптических измерительных преобразователей коренным образом изменило эту ситуацию и сделало возможным создание устройств для мониторинга объектов инфраструктуры. Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время такие датчики конструктивно все чаще представляют собой либо просто фрагмент оптического световода, либо тот же фрагмент, но подвергнутый определенной модификации. В обоих случаях мы имеем дело с полностью пассивными волоконно-оптическими датчиками, чувствительные элементы которых не требуют электрического питания, а степень воздействия условий внешней среды на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, использующие электрическое преобразование измерительной информации.

В последние годы получили большое распространение средства измерений, в качестве чувствительных элементов которых используются так называемые решетки Брэгга - наноразмерные волоконно-оптические периодические структуры с периодом около 500 нм, сформированные непосредственно в сердцевине оптического световода. Они представляют собой небольшую зону световода с периодической модуляцией показателя преломления вдоль оси волокна.

Повышенное внимание к таким средствам измерений связано с их высокой помехозащищенностью и устойчивостью к воздействию неинформативных влияющих фак-

торов. Дело в том, что принцип действия таких датчиков состоит в преобразовании измеряемой физической величины в изменения спектральных или фазовых характеристик тестового оптического излучения, распространяющегося по световоду. Вследствие этого какие-либо изменения интенсивности такого излучения не оказывают влияния на работу датчиков на основе брэгговских решеток. Учитывая сказанное, средства измерений с волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках все чаще стали применяться в таких условиях, когда доступ к чувствительным элементам в течение всего срока их службы (а это может быть 10-15 лет и более) либо вообще невозможен, либо нецелесообразен или нежелателен. Среди таких применений можно упомянуть, в частности, измерения давления и температуры в нефтегазовых скважинах в процессе извлечения углеводородного сырья; измерения температуры и механических вибраций на больших пролетах высоковольтных линий электропередачи; измерения температуры обмоток силовых высоковольтных трансформаторов; измерения механических напряжений в объеме строительных конструкций и т.д.

Однако измерительные устройства, содержащие датчики Брэгга, уступают по быстродействию (частоте опроса) устройствам с тензодатчиками. Авторы поставили своей целью построение измерительной системы с высоким быстродействием.

Принцип действия устройства

Предлагается схема построения оптико-электронной информационно-измерительной системы (ИИС) на основе волоконно-оптических брэгговских решеток, предназначенной для мониторинга деформации и температуры элементов конструкций инфраструктурных объектов. Прототипом измерительной системы послужил патент [1], найденный в ходе патентного исследования. Отличительной особенностью предлагаемой системы является новый способ калибровки, основанный на спектральной модуляции суперлюминесцентного диода (СЛД), являющегося в схеме широкополосным источником излучения, и двух наиболее контрастных линий поглощения ацетилена, который заполняет кювету, включенную в схему в качестве калибратора. В результате можно повысить частоту опроса датчиков, а также разместить в системе большее количество датчиков.

Haöop датчикоб Брэгга

Рис. 1. Структурная схема измерительного устройства на основе волоконно-оптических

датчиков Брэгга

Структурная схема информационно-измерительной системы представлена на рис. 1. Система работает следующим образом. Источником излучения является суперлюминесцентный диод (СЛД) специальной конструкции. Грани кристалла СЛД, которые, по сути, являются резонатором Фабри-Перо, имеют определенный коэффициент отражения, от величины которого зависит глубина модуляции спектра излучения диода. Глубина модуляции описывается следующим выражением [2]:

т = 2^Я1Я2 ,

где G = ехр((§--а)£) - суммарный коэффициент усиления, Я2 - коэффициенты отражения граней СЛД, а - коэффициент затухания в ОВ. Для мощности СЛД 10 мВт, коэффициент усиления G составляет около 1000. Тогда для коэффициента отражения первой грани Я1 =0,001 и коэффициента отражения второй грани получим: Я2 =0,001, глубина модуляции т = 0,2. Такую модуляцию спектра СЛД можно использовать в качестве реперных точек для калибровки по шкале длин волн. Благодаря такому подходу можно увеличить рабочий спектральный диапазон, так как ширина спектра СЛД по полувысоте составляет порядка 50 нм (рис. 2).

X НМ

Рис. 2. Спектр суперлюминесцентного диода

Излучение от СЛД проходит через перестраиваемый фильтр и попадает на оптический разветвитель 25%/75%. Разветвитель соединен с набором датчиков на основе волоконно-оптических решеток Брэгга, фотоприемным устройством 1 и вторым развет-вителем. На фотоприемном устройстве ФПУ 1 регистрируется сигнал, отраженный от датчиков Брэгга (рис. 3).

1отн

1

0.5 О

1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560

1, нм

Рис. 3. Сигнал, отраженный от датчиков Брэгга

Ко второму разветвителю подсоединена ветвь с калибратором по шкале длин волн на основе кюветы с ацетиленом, а также ветвь с ФПУ 3, который регистрирует сигнал, прошедший от суперлюминесцентного диода (рис. 4). Для калибровки применяют кюветы,

7

т X» tW «им * 1\ мм mm МММ

заполненные ацетиленом, цианидом водорода, парами йода и др. Преимущество ацетилена - в том, что его линии поглощения более контрастные (глубокие).

1.5

1(Х) 0.5

-0

&12

1514 1516 1513 1520 1522 1524 1526 1523 1530 1532 1534

Рис. 4. Сигнал от суперлюминесцентного диода

ФПУ 2 считывает сигнал на выходе кюветы с ацетиленом (рис. 5). 1.5г

1(Х) 0.5

О,

л Л Л /\ Л4 1/р 1г и И а/"

Л. /\ /|\ р /т У [ Г г

1*512

1514 1516 1513 1520 1522 1524 1526 1523 1530 1532 1534

Рис. 5. Сигнал на выходе кюветы с ацетиленом

Можно получить спектр поглощения ацетилена путем деления сигнала с ФПУ 2 (рис. 5) на сигнал с ФПУ 3 (рис. 4). Здесь вводится коэффициент запаса [3]

у = Ш2/Ш1,

который показывает, насколько контрастнее должен быть пик поглощения ацетилена, чтобы его можно было выделить на фоне спектральной модуляции СЛД и шумов (см. рис. 6). Примем значение у = 2. Устраняя спектральную модуляцию путем деления сигналов, мы увеличиваем контраст, следовательно, увеличивается пороговое значение допустимого уровня шума, которое пропорционально частоте опроса датчиков Брэгга в системе (см. [4] и формулу (1)). Тем самым увеличивается быстродействие системы.

I

отн

0.5

УЛ г 1 ч ГП-. т1

\ 1 , 2 "Н

1520

1522

1523

1524 1526

1, нм

Рис. 6. Пояснение к понятию коэффициента запаса

1530

Используя два наиболее контрастных пика ацетилена (рис. 7), можно откалибро-вать спектральную модуляцию СЛД по шкале длин волн. Калибровка заключается в определении периода спектральной модуляции и, с его помощью, значений длин волн всех максимумов спектральной модуляции (рис. 8, 9). С помощью полученных значений далее калибруется сигнал, полученный от датчиков Брэгга (рис. 3). Таким образом, калибровка сигнала от датчиков Брэгга осуществляется не по пикам поглощения ацетилена, а по откалиброванной шкале модуляции спектра СЛД. Как уже отмечалось, за счет более контрастной модуляции имеем повышенное быстродействие, а за счет более широкого спектрального диапазона СЛД можем разместить в системе большее количество датчиков.

1,0

^про

т

т

т

т

т

0,8

0,6

0,4

0,2

R tuLincii

м я

ПЛГ

пт

геГИ

Т

птрт" г

23

Р ЬгапсЬ

J_

J_

_L

1510

1515

1325 изо

X, НМ

Рис. 7. Спектр пропускания ацетилена

1535

1НЛ

J 545

'^ГфО

1 fi о,

0,2 1.5

1(Х) 0.5

о.

í I M'i'.l IL 'I

Í510

жтшт

ИЧПЧ'С'Г

Р I ll'.ll 1Ü. I

1515

1520

1525

1530

1535

1540

1545

Рис. 8. Принцип калибровки спектральной модуляции СЛД

0.5

1545

Рис. 9. Определение фазы соседних максимумов

Оценим предельную частоту опроса разрабатываемой системы в одной точке перестройки длины волны исходя из соотношения, выведенного авторами, предпосылкой для которого является положение о том, что контраст (или глубина) минимума (или линии, пика) поглощения должен быть больше контраста модуляции спектра люминесцентного диода с учетом шумов:

Ке РистП

у < (ксв1 ' ксв 2 ' Тк Рист 'У' 1П2 )2 _ ЗА ^

У Руд.экв.ш ^Араб

где 5Х = 1 пм - дискретность перестройки длины волны сканирующего интерферометра Фабри-Перо, ДХраб = 40 нм - рабочий спектральный диапазон, а соотношение ААраб / ЗА

определяет количество точек в одном цикле (под циклом измерений здесь понимается регистрация сигнала фотоприемного устройства на всех точках перестройки сканирующего интерферометра Фабри-Перо), ксв= 0,5 - коэффициент отведения мощности в канал, содержащий калибровочную кювету с ацетиленом и фотоприемное устройство 2

(далее - калибровочный канал) по шкале длин волн, Тк - коэффициент пропускания ка-

1/2

либровочного канала, Рист - мощность источника излучения, Руд.экв.ш.=20 пВт Гц -удельная мощность, эквивалентная шуму фотоприемного устройства, п - коэффициент пропускания интерферометра Фабри-Перо, т2 = 0,5 - относительная величина амплитуды линий поглощения ацетилена, т1 = 0,2 - относительная амплитуда модуляции спектра мощности излучения суперлюминесцентного диода.

С учетом того, что ксв1= ксв2=0,75, можно приближенно считать, что £св1'£св2~£св=0,5, и, соответственно, частота будет равна у2=780 Гц при исходных начальных условиях для системы, описанной в [1], т2=0,1, т1 = 0,02, у=2, 5Х = 1 пм, ДХраб = 40 нм получим /1 = 36 Гц. Таким образом, получаем выигрыш по частоте примерно в 20 раз.

Сигналы с фотоприемных устройств (ФПУ) подаются на аналого-цифровой преобразователь, после чего поступают на ЭВМ, где записывается три массива чисел I1,, ¡2, и 13,, при этом каждому ] элементу в данных массивах соответствует значение интенсивности сигнала, измеренное ФПУ 1, ФПУ 2 и ФПУ 3 при соответствующем значении центральной длины волны интерферометра Фабри-Перо. В итоге имеется набор интенсивностей ¡1,, ¡2, и 13, и набор длин волн Х Причем значения длин волн Х определены с погрешностью, вызванной нелинейностью пъезопривода. Далее с полученными массивами оперирует ЭВМ. Авторами разработан алгоритм обработки сигналов. После вычислений ЭВМ выдает информацию о длине волны излучения, отраженного от датчика и пересчитывает полученное значение в изменение температуры или деформации.

Результаты исследования

В ходе исследований авторами была показана теоретическая возможность увеличения частоты опроса датчиков примерно в 20 раз. На основе полученных данных был разработан и промоделирован в системе МаЛаЬ алгоритм обработки сигналов. Разработан макет измерительной системы, проведены исследования влияния дискретности регистрации на динамический диапазон (рис. 10) [5], при которой погрешность измерения не превышает 10 пм. Под дискретностью регистрации здесь понимается дискретность перестройки интерферометра Фабри-Перо по шкале длин волн. Также в ходе эксперимента определялось влияние на динамический диапазон разрешающей способности интерферометра Фабри-Перо (рис. 11), влияние среднеквадратического значения шума фотоприемного устройства (рис. 12). Из рисунков видно, что увеличение дискретности регистрации сигнала, уменьшение разрешения интерферометра и шумов приводит к снижению динамического диапазона.

Рис. 10. Влияние дискретности регистрации на динамический диапазон

Рис. 11. Влияние разрешения интерферометра на динамический диапазон

Шумы ФПУ, пВт

Рис. 12. Влияние шумов ФПУ Фабри-Перо на динамический диапазон

Заключение

Актуальной на сегодняшний день задачей является контроль параметров объектов инфраструктуры. Перспективным направлением в этой области является применение волоконно-оптических датчиков на основе наноразмерных периодических структур - брэгговских решеток. Повышенное внимание к таким датчикам связано с их высокой помехозащищенностью и устойчивостью к воздействию неинформативных влияющих факторов, кроме того данный тип датчиков не требует электропитания и линии управляющих сигналов. Но измерительные системы с такими датчиками уступают по быстродействию. Авторами разработана схема измерительного устройства с усовершенствованным принципом калибровки сигналов. В результате достигнуто увеличение быстродействия устройства, а также увеличение количества датчиков, которые можно разместить в системе, что очень важно для непрерывного контроля протяженных объектов, например трубопроводов, мостов и т.д.

Литература

1. Пат. US2003/0218124 США, Int. Cl. G 01 J 1/04. Приемопередающее устройство [Текст] / Gregg A. Johnson ; заявитель и патентообладатель Naval research laboratory associate counsel. - заявл. 17.01.03; опубл. 27.11.03- 9 с.: ил.

2. Superluminescent Diodes. Short overview of device operation principles and performance parameters [Электронный ресурс] / Vladimir Shidlovski - Электрон. дан. -SUPERLUM, 2004. - Режим доступа: http://www.superlumdiodes.com/pdf/sld_overview.pdf, свободный. - Загл. с экрана.

3. Васильев С.А. Волоконные решетки показателя преломления и их применение [текст] / О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая Электроника. - 2005. - № 35. - С. 1085-1103.

4. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети [текст] / Ю.Н. Кульчин - Владивосток: Дальнаука, 1999.

5. Григорьев В.В. Исследование волоконно-оптического датчика механических напряжений на основе брэгговской решетки [текст] / В.В. Григорьев, А.К. Митюрев, А.Б. Пнев, Н.П. Хатырев // Оптико-электронные измерения. Сборник статей под ред. В.С. Иванова - М.: Университетская книга, 2005.