RU2377497C1 - Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids - Google Patents
Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids Download PDFInfo
- Publication number
- RU2377497C1 RU2377497C1 RU2008128572/28A RU2008128572A RU2377497C1 RU 2377497 C1 RU2377497 C1 RU 2377497C1 RU 2008128572/28 A RU2008128572/28 A RU 2008128572/28A RU 2008128572 A RU2008128572 A RU 2008128572A RU 2377497 C1 RU2377497 C1 RU 2377497C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pole
- radiation
- output
- photodetector
- splitter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике в части создания информационно-измерительной системы для регистрации сигнала с набора волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток. Изобретение может быть использовано для повышения скорости и точности измерений деформации устройством на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках.The invention relates to measuring equipment in terms of creating an information-measuring system for recording a signal from a set of fiber-optic sensors based on Bragg gratings. The invention can be used to increase the speed and accuracy of strain measurements by a device based on quasi-distributed fiber-optic sensors on Bragg gratings.
Создание информационно-измерительных систем для контроля деформации 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 подачи электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии 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.Until recently, the creation of information-measuring systems for deformation control was an overly expensive solution, including in terms of the costs of maintaining and operating such systems. The fact is that traditional measuring transducers (sensors) used in such IMSs, as a rule, require a power supply and an own transmission line of the measurement information signal, as well as a line for supplying control signals. In addition, the operating conditions of the sensors are quite severely limited by environmental parameters, by the effects of aggressive environments, high voltage and electromagnetic interference.
Появление распределенных и квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток коренным образом изменило эту ситуацию и сделало возможным создание ИИС для мониторинга объектов инфраструктуры с приемлемыми для практики характеристиками. Этот вид датчиков не требует электропитания, чувствительная зона датчика по существу совмещена с волоконно-оптическими линиями передачи измерительной информации. Степень воздействия условий внешней среды, электромагнитных помех, высоковольтного напряжения, агрессивных сред на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, использующие электрическое преобразование измерительной информации. Кроме того, по своим метрологическим характеристикам волоконно-оптические датчики превосходят традиционные аналоги, использующие другие принципы построения.The advent of distributed and quasi-distributed fiber-optic sensors based on Bragg gratings radically changed this situation and made it possible to create an IIS for monitoring infrastructure facilities with acceptable characteristics for practice. This type of sensors does not require power supply, the sensitive area of the sensor is essentially combined with fiber-optic transmission lines of measurement information. The degree of influence of environmental conditions, electromagnetic interference, high voltage, aggressive media on fiber-optic sensors is much lower than on sensors using electrical conversion of measurement information. In addition, in terms of their metrological characteristics, fiber-optic sensors are superior to traditional analogues using other construction principles.
Однако при всех вышеназванных преимуществах квазираспределенные информационно-измерительные системы на основе брэгговских датчиков уступают по быстродействию (частоте опроса) системам на основе тензодатчиков. В то же время, высокие частоты опроса датчиков особенно необходимы для изучения динамики развития деформации при быстропротекающих процессах (разрушениях при взрыве, столкновениях с быстродвижущимися объектами) с целью оптимизации конструкции объекта. Кроме того, системы с высокими частотами опроса необходимы для изучения деформаций конструкций летательных аппаратов с целью определения ресурса работы и предельно допустимых нагрузок. Поэтому задача разработки ИИС на основе брэгговских датчиков является актуальной и технически востребованной.However, with all of the above advantages, quasi-distributed information-measuring systems based on Bragg sensors are inferior in speed (polling rate) to systems based on strain gauges. At the same time, high polling frequencies of sensors are especially necessary for studying the dynamics of deformation during fast processes (destruction during an explosion, collisions with fast moving objects) in order to optimize the design of the object. In addition, systems with high polling frequencies are necessary for studying the deformations of aircraft structures in order to determine the service life and maximum permissible loads. Therefore, the task of developing an IMS based on Bragg sensors is relevant and technically relevant.
Известно множество устройств на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках для измерения деформаций, и поэтому целесообразно рассмотреть лишь ближайший аналог.There are many devices based on quasi-distributed fiber-optic sensors on Bragg gratings for measuring strains, and therefore it is advisable to consider only the closest analogue.
Известно (см. фиг.1) измерительное устройство на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках (US 6573489 В1, опубл. 03.06.2003), выбранное в качестве ближайшего аналога и содержащее непрерывный широкополосный источник излучения в виде суперлюминесцентного диода, оптически соединенный с перестраиваемым спектральным фильтром, представляющим собой интерферометр Фабри-Перо, выход которого оптически соединен с первым полюсом четырехполюсного разветвителя 2×2 и через его четвертый полюс - со входом калибровочной кюветы с цианидом водорода, выход которой оптически соединен со входом второго фотоприемного устройства, а через третий полюс источник излучения оптически соединен с квазираспределенными волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках таким образом, что отраженное от них излучение через третий и второй полюса четырехполюсного разветвителя поступает на вход первого фотоприемного устройства, выходы первого и второго фотоприемных устройств соединены соответственно с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого соединен с входом вычислительного устройства.It is known (see Fig. 1) a measuring device based on quasistributed fiber-optic sensors on Bragg gratings (US 6573489 B1, published 03.06.2003), selected as the closest analogue and containing a continuous broadband radiation source in the form of a superluminescent diode, optically connected with a tunable spectral filter, which is a Fabry-Perot interferometer, the output of which is optically connected to the first pole of a 2 × 2 four-pole splitter and through its fourth pole to the calibration input hydrogen cyanide suites, the output of which is optically connected to the input of the second photodetector, and through the third pole the radiation source is optically connected to the quasi-distributed fiber-optic sensors on the Bragg gratings so that the radiation reflected from them through the third and second poles of the four-pole splitter enters the input the first photodetector, the outputs of the first and second photodetectors are connected respectively to the first and second inputs of the analog-to-digital converter (A CPU), the output of which is connected to the input of the computing device.
Принцип работы такого устройства основан на измерении сдвига резонансных длин волн излучения, отраженного от набора датчиков Брэгга. То есть каждый датчик Брэгга отражает излучение в узком спектральном диапазоне в окрестности резонансной длины волны, значение которой линейно связано с оптической длиной решетки Брэгга. Измерение спектра производится путем сканирования спектра при помощи перестраиваемого фильтра. Один из фотоприемников регистрирует спектр отраженных сигналов от датчиков (ФПУ1), а второй канал служит для калибровки сигнала по шкале длин волн (ФПУ2).The principle of operation of such a device is based on measuring the shift of the resonant wavelengths of radiation reflected from a set of Bragg sensors. That is, each Bragg sensor reflects radiation in a narrow spectral range in the vicinity of the resonant wavelength, the value of which is linearly related to the optical length of the Bragg grating. Spectrum measurement is performed by scanning the spectrum with a tunable filter. One of the photodetectors registers the spectrum of reflected signals from sensors (FPU1), and the second channel serves to calibrate the signal according to the wavelength scale (FPU2).
Недостатком данного устройства является то, что в известном устройстве для обеспечения малой погрешности измерения резонансных длин волн датчиков во всем рабочем спектральном диапазоне предлагается использовать все пики поглощения цианида водорода, в том числе, обладающие малым контрастом, что приводит к снижению потенциального динамического диапазона системы, а следовательно, и к уменьшению быстродействия, и к уменьшению количества датчиков, которые могут быть использованы в устройстве.The disadvantage of this device is that in the known device to ensure a small error in measuring the resonant wavelengths of the sensors in the entire working spectral range, it is proposed to use all the absorption peaks of hydrogen cyanide, including those with low contrast, which reduces the potential dynamic range of the system, and therefore, to reduce performance, and to reduce the number of sensors that can be used in the device.
Предельную частоту опроса фотоприемного устройства в одной точке перестройки длины волны можно оценить исходя из соотношения, предпосылкой для которого является положение о том, что контраст (или глубина) максимума поглощения должен быть больше контраста модуляции огибающей спектра суперлюминесцентного диода с учетом шумов:The limiting sampling frequency of a photodetector at one wavelength tuning point can be estimated from the relation, the premise for which is the position that the contrast (or depth) of the absorption maximum should be greater than the modulation contrast of the envelope of the spectrum of the superluminescent diode taking into account noise:
где kcв=0,5 - коэффициент отведения мощности в канал, содержащий калибровочную кювету с ацетиленом и второе фотоприемное устройство ФПУ2 (далее - калибровочный канал) по шкале длин волн,where k cv = 0.5 is the coefficient of power transfer to the channel containing the calibration cell with acetylene and the second photodetector FPU2 (hereinafter referred to as the calibration channel) on a wavelength scale,
Тк - коэффициент пропускания калибровочного канала,T to - transmittance of the calibration channel,
Рист - мощность источника излучения,P East - the power of the radiation source,
Руд.экв.ш.=20 пВт Гц1/2 - удельная мощность, эквивалентная шуму фотоприемного устройства,P UE equivalent = 20 pW Hz 1/2 - specific power equivalent to the noise of a photodetector,
η - коэффициент пропускания интерферометра Фабри-Перо,η is the transmittance of the Fabry-Perot interferometer,
m2=0,1 - величина максимума поглощения цианида водорода,m 2 = 0.1 - the maximum absorption of hydrogen cyanide,
m1=0,02 - относительная амплитуда модуляции огибающей спектра излучения СЛД,m 1 = 0.02 is the relative amplitude of modulation of the envelope of the radiation spectrum of the SLD,
γ - коэффициент, учитывающий, во сколько раз максимум поглощения должен быть больше максимума сигнала, вызванного шумами.γ is a coefficient that takes into account how many times the absorption maximum must be greater than the maximum of the signal caused by noise.
Из выражения (1) с учетом количества точек в одном цикле измерений получим:From expression (1), taking into account the number of points in one measurement cycle, we obtain:
где δλ=1 нм - дискретность перестройки длины волны сканирующего интерферометра Фабри-Перо,where δλ = 1 nm is the resolution of the wavelength tuning of the scanning Fabry-Perot interferometer,
Δλраб=40 нм - рабочий спектральный диапазон,Δλ slave = 40 nm - working spectral range,
Δλраб/δλ - соотношение, определяющее количество точек в одном цикле.Δλ slave / δλ - the ratio that determines the number of points in one cycle.
Под циклом измерений здесь понимается регистрация сигнала фотоприемного устройства ФПУ2 на всех точках перестройки сканирующего интерферометра Фабри-Перо.Here, the measurement cycle is understood as the registration of the signal of the FPU2 photodetector at all points of tuning of the Fabry-Perot scanning interferometer.
В соответствии с выражением (2) для типовых параметров (Тк=0,8, Рист=1 мВт, η=2·10-3, m1=0,02, m2=0,1, γ=2) предельная частота опроса, ограниченная шумами ФПУ в калибровочном канале, составит 36 Гц.In accordance with expression (2) for typical parameters (T k = 0.8, P source = 1 mW, η = 2 · 10 -3 , m 1 = 0.02, m 2 = 0.1, γ = 2) the limiting sampling frequency limited by the FPU noise in the calibration channel is 36 Hz.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении частоты опроса квазираспределенных датчиков Брэгга, а также в увеличении количества датчиков, которые можно разместить в устройстве.The technical result to which the invention is directed is to increase the frequency of the interrogation of quasi-distributed Bragg sensors, as well as to increase the number of sensors that can be placed in the device.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения деформаций на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, содержащем непрерывный широкополосный источник излучения, оптически соединенный с перестраиваемым спектральным фильтром, выход которого оптически соединен с первым полюсом четырехполюсного разветвителя 2×2 и через его четвертый полюс - со входом калибровочной кюветы, выход которой оптически соединен со входом второго фотоприемного устройства, а через третий полюс источник излучения оптически соединен с квазираспределенными волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках таким образом, что отраженное от них излучение через третий и второй полюса четырехполюсного разветвителя поступает на вход первого фотоприемного устройства, выходы первого и второго фотоприемных устройств соединены соответственно с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого соединен с входом вычислительного устройства, дополнительно введены третье фотоприемное устройство и трехполюсный разветвитель 1×2, источник излучения выполнен с возможностью формирования на выходе излучения со спектром, огибающая которого модулирована по амплитуде, а калибровочная кювета содержит ацетилен, причем четвертый полюс четырехполюсного разветвителя оптически соединен со входом калибровочной кюветы через первый и второй полюсы трехполюсного разветвителя и через его третий полюс - со входом третьего фотоприемного устройства, выход которого соединен с третьим входом АЦП, а вычислительное устройство выполнено с возможностью калибровки сигнала с выхода третьего фотоприемного устройства по двум наиболее контрастным пикам поглощения ацетилена и последующей калибровки сигнала с выхода первого фотоприемника от квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках с помощью полученного откалиброванного сигнала с выхода третьего фотоприемника.The specified technical result is achieved due to the fact that in the device for measuring strains based on quasistributed fiber-optic sensors on Bragg gratings, containing a continuous broadband radiation source, optically connected to a tunable spectral filter, the output of which is optically connected to the first pole of a 2 × 2 four-pole splitter and through its fourth pole - with the input of the calibration cell, the output of which is optically connected to the input of the second photodetector, and through h the third pole, the radiation source is optically connected to the quasi-distributed fiber-optic sensors on the Bragg gratings in such a way that the radiation reflected from them through the third and second poles of the four-pole splitter is fed to the input of the first photodetector, the outputs of the first and second photodetectors are connected to the first and second the inputs of the analog-to-digital Converter (ADC), the output of which is connected to the input of the computing device, additionally introduced a third photodetector at a triple and a 1 × 2 three-pole splitter, the radiation source is capable of generating radiation with a spectrum at the output, the envelope of which is modulated in amplitude, and the calibration cell contains acetylene, and the fourth pole of the four-pole splitter is optically connected to the input of the calibration cell through the first and second poles of the three-pole splitter and through its third pole - with the input of the third photodetector, the output of which is connected to the third input of the ADC, and the computing device is made with zmozhnostyu calibration signal from the output of the third photodetector for two contrasting most absorption peaks of acetylene and subsequent calibration of the signal output from the first photodetector by quasi-distributed fiber optic sensors in the Bragg gratings using a calibrated signal obtained from the output of the third photodetector.
При этом возможно, чтобы второе фотоприемное устройство было расположено в выходном окне калибровочной кюветы.In this case, it is possible that the second photodetector was located in the output window of the calibration cell.
Для получения оптимального соотношения сигнал/помеха наиболее целесообразно, чтобы четырехполюсный разветвитель был выполнен с возможностью разделения мощности входящего через его первый полюс излучения на четвертый и третий полюса с соотношением 25%/75% и с возможностью направления 75% мощности излучения, входящего через третий полюс, на второй полюс.To obtain the optimal signal-to-noise ratio, it is most expedient that the four-pole splitter be made with the possibility of dividing the power of radiation coming in through its first pole into the fourth and third poles with a ratio of 25% / 75% and with the possibility of directing 75% of the radiation power coming in through the third pole to the second pole.
Кроме того, целесообразно, чтобы трехполюсный разветвитель был выполнен с возможностью разделения мощности входящего через его первый полюс излучения на второй и третий полюса с соотношением 50%/50%.In addition, it is advisable that the three-pole splitter was made with the possibility of dividing the power of the radiation entering through its first pole into the second and third poles with a ratio of 50% / 50%.
В качестве источника излучения со спектром излучения, огибающая которого модулирована по амплитуде, может быть использован суперлюминесцентный диод (СЛД), грани кристалла которого имеют коэффициент отражения, обеспечивающий заданную глубину модуляции по амплитуде огибающей спектра излучения суперлюминесцентного диода.As a radiation source with a radiation spectrum whose envelope is modulated in amplitude, a superluminescent diode (SLD) can be used, the crystal faces of which have a reflection coefficient providing a predetermined modulation depth in amplitude of the envelope of the radiation spectrum of a superluminescent diode.
В качестве двух наиболее контрастных пиков поглощения ацетилена наиболее целесообразно использовать два пика поглощения, соответствующие длинам волн 1519,137 нм и 1530,371 нм, являющиеся фундаментальными константами.As the two most contrasting absorption peaks of acetylene, it is most advisable to use two absorption peaks corresponding to wavelengths of 1519.137 nm and 1530.371 nm, which are fundamental constants.
При этом в качестве вычислительного устройства может быть использована ЭВМ, в том числе, компьютер.At the same time, a computer, including a computer, can be used as a computing device.
Далее изобретение описано более подробно с помощью чертежей.The invention is further described in more detail using the drawings.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства - ближайшего аналога.Figure 1 shows the structural diagram of the device is the closest analogue.
На фиг.2 изображена структурная схема предлагаемого устройства.Figure 2 shows the structural diagram of the proposed device.
На фиг.3 показан спектр излучения на выходе СЛД.Figure 3 shows the emission spectrum at the output of the SLD.
На фиг.4 показан спектр излучения, отраженного от датчиков Брэгга.Figure 4 shows the spectrum of radiation reflected from the Bragg sensors.
На фиг.5 показана в увеличенном масштабе часть спектра излучения на выходе СЛД.Figure 5 shows on an enlarged scale part of the radiation spectrum at the output of the SLD.
На фиг.6 показан спектр излучения на выходе кюветы с ацетиленом.Figure 6 shows the radiation spectrum at the outlet of the cell with acetylene.
На фиг.7 показано определение коэффициента запаса γ.7 shows the determination of the safety factor γ.
На фиг.8 показан спектр пропускания ацетилена.On Fig shows the transmission spectrum of acetylene.
На фиг.9 показана калибровка огибающей спектра излучения на выходе СЛД.Figure 9 shows the calibration of the envelope of the radiation spectrum at the output of the SLD.
На фиг.10 проиллюстрировано определение положения соседних максимумов огибающей спектра излучения.Figure 10 illustrates the determination of the position of adjacent peaks of the envelope of the radiation spectrum.
На фиг.2 условно показана структурная схема предлагаемого устройства.Figure 2 conditionally shows a structural diagram of the proposed device.
В качестве источника излучения для осуществления предлагаемого изобретения необходимо использовать непрерывный широкополосный источник излучения, на выходе которого формируется излучение, огибающая спектра которого промодулирована по амплитуде. Это необходимо для того, чтобы обеспечить возможность калибровки излучения источника излучения. При этом из уровня техники известны такие источники излучения, например источник излучения, раскрытый в патенте US 5663822, опубл. 02.09.1997, использующий источник оптического белого шума и резонатора Фабри-Перо, который фильтрует излучение по длинам волн с образованием спектра резонансных длин волн, которые разделяют на М каналов, в каждом из которых осуществляется модуляция, после чего сигналы суммируются в один оптический сигнал. Однако такой источник излучения имеет сложную конструкцию и большие габариты.As a radiation source for the implementation of the present invention, it is necessary to use a continuous broadband radiation source, at the output of which radiation is formed, the spectral envelope of which is modulated in amplitude. This is necessary in order to enable calibration of the radiation from the radiation source. Moreover, such radiation sources are known from the prior art, for example, a radiation source disclosed in US Pat. No. 5,663,822, publ. 09/02/1997, using a source of optical white noise and a Fabry-Perot resonator, which filters radiation by wavelengths to form a spectrum of resonant wavelengths, which are divided into M channels, in each of which modulation is performed, after which the signals are summed into one optical signal. However, such a radiation source has a complex structure and large dimensions.
Наиболее целесообразным представляется в качестве такого источника излучения использовать суперлюминесцентный диод СЛД, обозначенный на фиг.2 поз.1. Грани кристалла этого диода, по сути, являются резонатором Фабри-Перо и имеют определенный коэффициент отражения, от величины которого зависит глубина модуляции огибающей спектра излучения по амплитуде. При этом глубина модуляции описывается следующим выражением [см. SuperlumDiodes Ltd., 2004, Shidlovsky, V.E. Superluminescent Diodes. Short overview of device operation principles and performance parameters, http:/www.superlumdiodes.com/pdf/sld_overview.pdf; p.4]:It seems most appropriate to use a superluminescent diode SLD, indicated in FIG. 2,
где G=exp((g-α)·L) - суммарный коэффициент усиления, R1, R2 - коэффициенты отражения граней СЛД. При значении мощности СЛД в 10 мВт коэффициент усиления G составляет около 1000. Тогда для коэффициента отражения первой грани R1=0,001 и коэффициента отражения второй грани R2=0,001 получим глубину модуляции m=0,2.where G = exp ((g-α) · L) is the total gain, R 1 , R 2 are the reflection coefficients of the faces of the SLD. With an SLD power of 10 mW, the gain G is about 1000. Then, for the reflection coefficient of the first face R 1 = 0.001 and the reflection coefficient of the second face R 2 = 0.001, we obtain the modulation depth m = 0.2.
Такую модуляцию спектра СЛД можно использовать в качестве реперных точек для калибровки по шкале длин волн. Это позволяет увеличить рабочий спектральный диапазон, т.к. ширина спектра СЛД по полувысоте составляет порядка 50 нм (см. фиг.3).Such modulation of the SLD spectrum can be used as reference points for calibration on a wavelength scale. This allows you to increase the working spectral range, because the width of the SLD spectrum at half maximum is about 50 nm (see figure 3).
Установленный последовательно с СЛД перестраиваемый фильтр ПФ, обозначенный поз.2 на фиг.2 и выполненный в виде сканирующего интерферометра Фабри-Перо, осуществляет дискретную перестройку по длине волны излучения, выходящего из ПФ. В результате имеется некоторый набор точек на шкале длин волн, соответствующих этим значениям длин волн.The tunable PF filter installed in series with the SLD, indicated by pos. 2 in FIG. 2 and made in the form of a Fabry-Perot scanning interferometer, performs discrete tuning according to the wavelength of the radiation emerging from the PF. As a result, there is a certain set of points on the wavelength scale corresponding to these wavelengths.
Выход перестраиваемого спектрального фильтра ПФ оптически соединен с первым, входным, полюсом четырехполюсного разветвителя 2×2, обозначенного поз.3 на фиг.2, и через его четвертый, выходной, полюс - с первым, входным, полюсом трехполюсного разветвителя 1×2, обозначенного поз.5. Второй, выходной, полюс трехполюсного разветвителя 5 оптически соединен со входом калибровочной кюветы КК, которая на фиг.2 обозначена поз. 6 и в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, содержит ацетилен. Выход калибровочной кюветы КК оптически соединен со входом второго фотоприемного устройства ФПУ, обозначенного поз.8. Третий, выходной, полюс трехполюсного разветвителя, обозначенного поз.5, оптически соединен со входом третьего фотоприемного устройства (ФПУ), обозначенного поз.9. Через третий, входной-выходной полюс четырехполюсного разветвителя 2×2 (элемент 3 на фиг.2) СЛД (элемент 1 на фиг.2) оптически соединен с N квазираспределенными волоконно-оптическими датчиками Д1…ДК на брэгговских решетках, совместно обозначенными на фиг.2 поз.4, таким образом, что отраженное от них излучение через третий и второй, выходной, полюса четырехполюсного разветвителя 3 поступает на вход первого фотоприемного устройства ФПУ, обозначенного поз.7. Выходы первого, второго и третьего фотоприемных устройств ФПУ, обозначенных поз.7, 8 и 9, соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами аналого-цифрового преобразователя АЦП, обозначенного поз.10, выход которого соединен с входом ЭВМ, обозначенной поз.11.The output of the tunable spectral filter PF is optically connected to the first, input, pole of the 2 × 2 four-pole splitter, designated 3 in FIG. 2, and through its fourth, output, pole to the first, input, pole of the 1 × 2 three-pole splitter, indicated item 5. The second, output, pole of the three-pole splitter 5 is optically connected to the input of the calibration cell KK, which is indicated in Fig. 2 by pos. 6 and in the proposed device, in contrast to the prototype, contains acetylene. The output of the calibration cell КК is optically connected to the input of the second photodetector of the FPU, indicated by pos. 8. The third, output, pole of the three-pole splitter, indicated by pos. 5, is optically connected to the input of the third photodetector (FPU), indicated by pos. 9. Through the third, input-output pole of the 2 × 2 four-pole splitter (element 3 in FIG. 2), the SLD (
Четырехполюсный разветвитель, обозначенной поз.3, разделяет мощность входящего через его первый полюс излучения на четвертый и третий полюса с соотношением 25%/75% и направляет 75% мощности излучения, входящего через третий полюс от брэгговских датчиков, совместно обозначенных поз.4, на выход через второй полюс.The four-pole splitter, indicated by pos. 3, divides the power of radiation coming in through its first pole into the fourth and third poles with a ratio of 25% / 75% and directs 75% of the radiation power coming in through the third pole from the Bragg sensors, collectively indicated by pos. 4, exit through the second pole.
При этом трехполюсный разветвитель, обозначенный поз.5, разделяет мощность входящего через его первый полюс излучения на второй и третий полюса с соотношением 50%/50%.In this case, the three-pole splitter, indicated by pos. 5, divides the power of the radiation coming through its first pole into the second and third poles with a ratio of 50% / 50%.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Излучение от СЛД (элемент 1 на фиг.2) проходит через перестраиваемый фильтр (элемент 2 на фиг.2) и попадает на первый полюс оптического четырехполюсного разветвителя 2×2 (25%/75%), обозначенного поз.3. Через третий полюс разветвитель 3 соединен с набором из N датчиков, совместно обозначенных на фиг.2 поз.4, на основе волоконно-оптических решеток Брэгга Д1…ДN, на которые поступает 75% излучения, вошедшего через первый полюс четырехполюсного разветвителя, обозначенного поз.3. Отраженное от датчиков, обозначенных совместно поз.4, излучение через тот же третий полюс поступает в четырехполюсный разветвитель, обозначенный поз.3, и через его второй, выходной, полюс попадает на первое фотоприемное устройство ФПУ, обозначено поз.7, которое регистрирует сигнал, отраженный от датчиков Брэгга, обозначенных поз.4. Этот сигнал иллюстрируется графиком на фиг.4.The radiation from the SLD (
При этом 25% излучения, вошедшего через первый полюс четырехполюсного разветвителя, обозначенного поз.3, выходит через его четвертый полюс и поступает на первый, входной, полюс трехполюсного разветвителя 1×2 (50%/50%), представленного на фиг.2 элементом 5. Через второй, выходной, полюс этого трехполюсного разветвителя 50% излучения поступает в калибровочный канал, содержащий калибровочную кювету КК с ацетиленом, имеющим более контрастные максимумы поглощения (минимумы пропускания), чем цианид водорода, используемый в прототипе, и второе фотоприемное устройство ФПУ, обозначенное на фиг.2 поз.8, которое регистрирует сигнал на выходе кюветы с ацетиленом (фиг.6).At the same time, 25% of the radiation entering through the first pole of the four-pole splitter, indicated by pos. 3, leaves through its fourth pole and goes to the first, input, pole of the 1 × 2 three-pole splitter (50% / 50%), represented in Fig. 2 by 5. Through the second, output, pole of this three-pole splitter, 50% of the radiation enters the calibration channel containing a KK calibration cuvette with acetylene having more contrast absorption maxima (transmission minima) than the hydrogen cyanide used in the prototype, and the second photodetector FPU device, indicated in Fig. 2, item 8, which registers a signal at the output of the cell with acetylene (Fig. 6).
При этом через третий, выходной, полюс трехполюсного разветвителя (элемент 5 на фиг.2) 50% излучения поступает на третье фотоприемное устройство ФПУ, обозначенное на фиг.2 поз.9, которое регистрирует сигнал, прошедший от суперлюминесцентного диода 1 (на фиг.5 укрупненно показан фрагмент фиг.3).At the same time, through the third, output, pole of the three-pole splitter (element 5 in FIG. 2), 50% of the radiation is supplied to the third photodetector FPU, indicated in FIG. 2 by pos. 9, which registers the signal transmitted from the superluminescent diode 1 (in FIG. 5, a fragment of FIG. 3) is shown enlarged.
Спектр поглощения ацетилена (см. фиг.8) можно получить путем деления сигнала с ФПУ 8 (фиг.6) на сигнал с ФПУ 9 (фиг.5). Здесь вводится коэффициент запасаThe absorption spectrum of acetylene (see Fig. 8) can be obtained by dividing the signal from the FPU 8 (Fig.6) by the signal from the FPU 9 (Fig.5). The safety factor is entered here.
который показывает, насколько контрастнее должен быть пик поглощения ацетилена, чтобы его можно было выделить на фоне модуляции огибающей спектра излучения СЛД (элемент 1 на фиг.2) и шумов (см. фиг.7, на которой укрупненно показан участок графика, представленного на фиг.6, для пояснения значения коэффициента запаса γ). Примем значение γ=2. Путем деления сигналов устраняется влияние модуляции огибающей спектра излучения, т.е. увеличивается контраст, следовательно, увеличивается пороговое значение допустимого уровня шума, которое пропорционально частоте опроса датчиков Брэгга в системе. Тем самым увеличивается быстродействие системы.which shows how much more contrast the peak of absorption of acetylene should be, so that it can be distinguished against the background of modulation of the envelope of the emission spectrum of the SLD (
Используя два наиболее контрастных пика поглощения (минимума пропускания) ацетилена (фиг.8), которые соответствуют длинам волн 1519,137 и 1530,371 нм и являются фундаментальными константами, можно откалибровать промодулированную огибающую спектра излучения СЛД по шкале длин волн. Калибровка заключается в определении периода амплитудной модуляции огибающей спектра излучения СЛД (элемент 1 на фиг.2) и определении с его помощью значений длин волн всех максимумов огибающей спектра излучения (фиг.9, 10). С помощью полученных значений далее калибруется сигнал, полученный от датчиков Брэгга 4 (фиг.4). Таким образом, калибровка сигнала от датчиков Брэгга 4 осуществляется не по пикам поглощения ацетилена, а по откалиброванной огибающей спектра излучения СЛД.Using the two most contrasting absorption peaks (minimum transmittance) of acetylene (Fig. 8), which correspond to the wavelengths of 1519.137 and 1530.371 nm and are fundamental constants, it is possible to calibrate the modulated envelope of the SLD emission spectrum on the wavelength scale. Calibration consists in determining the period of amplitude modulation of the envelope of the radiation spectrum of the SLD (
Т.к. в результате предлагаемой калибровки можно учесть влияние модуляции спектра излучения источника, то можно считать m1=0. Тогда выражение (1) для предельной частоты опроса преобразуется к виду:Because as a result of the proposed calibration, we can take into account the effect of modulation of the radiation spectrum of the source, then we can assume m 1 = 0. Then expression (1) for the limiting polling frequency is converted to the form:
С учетом того что kсв1=kсв2=0.75, можно приближенно считать, что kсв1·kсв2≈kсв=0.5 и, соответственно, частота будет равна: f2=780 Гц при исходных начальных условиях m2=0,5, γ=2, δλ=1 пм, Δλраб=40 нм. Таким образом, в предлагаемой системе частота опроса увеличивается примерно в 20 раз.Given the fact that k sv1 = k sv2 = 0.75, we can approximately assume that k sv1 · k sv2 ≈k sv = 0.5 and, accordingly, the frequency will be: f 2 = 780 Hz under the initial initial conditions m 2 = 0.5 , γ = 2, δλ = 1 pm, Δλ slave = 40 nm. Thus, in the proposed system, the polling frequency increases by about 20 times.
Сигналы с фотоприемных устройств ФПУ (элементы 7, 8 и 9 на фиг.2) подаются соответственно на первый, второй и третий входы аналого-цифрового преобразователя АЦП (элемент 10 на фиг.2), после чего поступают на ЭВМ (элемент 11 на фиг.2), где записывается три массива чисел I1j, I2j и I3j, при этом каждому j элементу в данных массивах соответствует значение интенсивности сигнала, измеренное вышеупомянутыми устройствами ФПУ при соответствующем значении центральной длины волны интерферометра Фабри-Перо 2. То есть в итоге имеется набор интенсивностей I1j, I2j и I3j и набор соответствующих им длин волн λj. Причем значения длин волн λj определены с ошибкой, вызванной нелинейностью пъезопривода перестраиваемого фильтра в виде интерферометра Фабри-Перо (элемент 2 на фиг.2).The signals from the photodetector FPU devices (elements 7, 8, and 9 in FIG. 2) are respectively supplied to the first, second, and third inputs of the analog-to-digital converter of the ADC (element 10 in FIG. 2), after which they are fed to a computer (element 11 in FIG. .2), where three arrays of numbers I1 j , I2 j and I3 j are recorded, with each j element in these arrays corresponding to the signal intensity measured by the above FPU devices at the corresponding central wavelength of the Fabry-
Для минимизации погрешности, вызванной нелинейностью перестраиваемого фильтра (элемент 2 на фиг.2), используется следующий алгоритм обработки сигнала:To minimize the error caused by the nonlinearity of the tunable filter (
1) производится деление сигнала I2j на I3j, в результате чего формируется массив I4j, элементы которого соответствуют спектру поглощения ацетилена, т.е. каждому элементу массива соответствует точка на спектре поглощения ацетилена;1) the signal I2 j is divided by I3 j , as a result of which an array I4 j is formed , the elements of which correspond to the absorption spectrum of acetylene, i.e. each element of the array corresponds to a point on the absorption spectrum of acetylene;
2) в полученном массиве I4j выбираются два минимума (т.е. два элемента, имеющие минимальные значения), соответствующие двум наиболее контрастным пикам поглощения, расстояние между которыми по шкале длин волн известно с высокой точностью;2) in the resulting array I4 j , two minima are selected (i.e., two elements having minimum values) corresponding to the two most contrasting absorption peaks, the distance between which is known with high accuracy on the wavelength scale;
3) определяются соответствующие (по номеру) найденным пикам поглощения два элемента I3а и I3b массива I3j (см. фиг.9);3) two elements I3 a and I3 b of the array I3 j corresponding (by number) to the determined absorption peaks are determined (see Fig. 9);
4) определяется количество максимумов между этими элементами массива и количество элементов в массиве от элемента I3а до первого максимума и от последнего максимума до элемента I3b (см. фиг.10);4) the number of maxima between these elements of the array and the number of elements in the array from element I3 a to the first maximum and from the last maximum to element I3 b are determined (see Fig. 10);
5) находится период огибающей спектра излучения СЛД (элемент 1 на фиг.2) путем деления расстояния по шкале длин волн, найденного в п.2 (между I4а и I4b), на количество периодов, найденное в п.4 (между I3а и I3b);5) find the period of the envelope of the SLD emission spectrum (
6) калибруются все максимумы массива I3j с помощью периода, рассчитанного в п.5, в результате получаем массив I3j';6) all maxima of the array I3 j are calibrated using the period calculated in clause 5; as a result, we obtain the array I3 j ';
7) находим элементы массива I1j, соответствующие найденным откалиброванным максимумам массива I3j';7) we find the elements of the array I1 j corresponding to the found calibrated maxima of the array I3 j ';
8) определяем количество элементов массива I1j, расположенных между элементами, определенными в п.7;8) determine the number of elements of the array I1 j located between the elements defined in clause 7;
9) присваиваем каждому элементу массива I1j новое откалиброванное значение длины волны, в результате получаем массив I1j';9) we assign to each element of the array I1 j a new calibrated value of the wavelength, as a result we get the array I1 j ';
10) находим максимумы в массиве I1j'.10) we find the maxima in the array I1 j '.
Полученные значения максимумов массива I1j' соответствуют значениям сигнала, отраженного от датчиков Брегга, совместно обозначенных поз.4, с учетом погрешности, вызванной нелинейностью перестраиваемого фильтра, обозначенного поз.2 на фиг.2.The obtained values of the maxima of the array I1 j 'correspond to the values of the signal reflected from the Bragg sensors, jointly designated pos.4, taking into account the error caused by the nonlinearity of the tunable filter, indicated by pos.2 in Fig.2.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения деформаций на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках обеспечивает увеличение частоты опроса квазираспределенных датчиков Брэгга, а также увеличение количества датчиков, которые можно разместить в устройстве.Thus, the proposed device for measuring deformations based on quasi-distributed fiber-optic sensors on Bragg gratings provides an increase in the frequency of polling of quasi-distributed Bragg sensors, as well as an increase in the number of sensors that can be placed in the device.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008128572/28A RU2377497C1 (en) | 2008-07-15 | 2008-07-15 | Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008128572/28A RU2377497C1 (en) | 2008-07-15 | 2008-07-15 | Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2377497C1 true RU2377497C1 (en) | 2009-12-27 |
Family
ID=41643083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008128572/28A RU2377497C1 (en) | 2008-07-15 | 2008-07-15 | Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2377497C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485456C1 (en) * | 2012-01-25 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") | Interferential monochromator |
RU2577760C2 (en) * | 2010-08-23 | 2016-03-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Mapping system and method for medical procedures |
RU2589625C2 (en) * | 2010-02-09 | 2016-07-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Device, system and method for imaging and treatment using optical determination of position |
RU2634490C1 (en) * | 2016-05-12 | 2017-10-31 | Публичное акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ПАО "УМПО" | Quasi-distributed fiber-optical information-measuring system |
RU2728725C1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-07-30 | Некоммерческая организация "Фонд развития цифровых технологий" | Device for precision calibration of fiber-optic sensors with bragg grating |
CN117387673A (en) * | 2023-12-08 | 2024-01-12 | 山东星冉信息科技有限公司 | Fiber bragg grating demodulation method and device based on reference air chamber |
-
2008
- 2008-07-15 RU RU2008128572/28A patent/RU2377497C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589625C2 (en) * | 2010-02-09 | 2016-07-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Device, system and method for imaging and treatment using optical determination of position |
RU2577760C2 (en) * | 2010-08-23 | 2016-03-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Mapping system and method for medical procedures |
RU2485456C1 (en) * | 2012-01-25 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") | Interferential monochromator |
RU2634490C1 (en) * | 2016-05-12 | 2017-10-31 | Публичное акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ПАО "УМПО" | Quasi-distributed fiber-optical information-measuring system |
RU2728725C1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-07-30 | Некоммерческая организация "Фонд развития цифровых технологий" | Device for precision calibration of fiber-optic sensors with bragg grating |
CN117387673A (en) * | 2023-12-08 | 2024-01-12 | 山东星冉信息科技有限公司 | Fiber bragg grating demodulation method and device based on reference air chamber |
CN117387673B (en) * | 2023-12-08 | 2024-02-23 | 山东星冉信息科技有限公司 | Fiber bragg grating demodulation method and device based on reference air chamber |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6525308B1 (en) | Apparatus and method for wavelength detection with fiber bragg grating sensors | |
US9810556B2 (en) | Apparatus for measuring optical signals from multiple optical fiber sensors | |
CA2288746C (en) | Distributed sensing system | |
CA2509187C (en) | Optical wavelength determination using multiple measurable features | |
US10731969B2 (en) | In-line fiber sensing, noise cancellation and strain detection | |
Huang et al. | Demodulation of fiber Bragg grating sensor using cross-correlation algorithm | |
JPH0749207A (en) | Absolute interference measuring method and laser interferometer suitable for method thereof | |
RU2377497C1 (en) | Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids | |
US20230228616A1 (en) | Distributed optical fibre sensor | |
Niewczas et al. | Performance analysis of the fiber Bragg grating interrogation system based on an arrayed waveguide grating | |
RU102256U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
JP5168700B2 (en) | Wavelength detection type optical fiber sensor system | |
US8049883B2 (en) | Wavelength tracker for swept wavelength sensor interrogation system | |
Cranch et al. | Efficient fiber Bragg grating and fiber Fabry-Perot sensor multiplexing scheme using a broadband pulsed mode-locked laser | |
Yamaguchi et al. | Interrogation system with automatic recognition and delay correction functions of fiber Bragg gratings by pulse modulation with wavelength-swept laser | |
KR100275521B1 (en) | Optical signal wavelength measurement device and optical fiber Bragg grating sensor device and method using wavelength selective photodetector | |
US20030072514A1 (en) | Multiplexed fiber laser sensor system | |
RU2608394C1 (en) | Device for measuring parameters of physical fields | |
RU2512616C2 (en) | Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method | |
Posey et al. | An eight-channel fiber-optic Bragg grating and stimulated Brillouin sensor system for simultaneous temperature and strain measurements | |
US20150362386A1 (en) | Fiber optic sensor system and method | |
RU161644U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
RU92180U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
Lipatnikov et al. | Fiber-Оptic Vibration Sensor «VIB-A» | |
CN107631814A (en) | Light senses light channel structure, frequency displacement change detecting method and sensing device from relevant |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100716 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110520 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200716 |