RU2413259C1 - Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide - Google Patents

Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide Download PDF

Info

Publication number
RU2413259C1
RU2413259C1 RU2009127902/28A RU2009127902A RU2413259C1 RU 2413259 C1 RU2413259 C1 RU 2413259C1 RU 2009127902/28 A RU2009127902/28 A RU 2009127902/28A RU 2009127902 A RU2009127902 A RU 2009127902A RU 2413259 C1 RU2413259 C1 RU 2413259C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bragg gratings
fiber
fbgs
interrogated
reflected
Prior art date
Application number
RU2009127902/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Кульчин (RU)
Юрий Николаевич Кульчин
Олег Борисович Витрик (RU)
Олег Борисович Витрик
Антон Владимирович Дышлюк (RU)
Антон Владимирович Дышлюк
Анатолий Михайлович Шалагин (RU)
Анатолий Михайлович Шалагин
Сергей Алексеевич Бабин (RU)
Сергей Алексеевич Бабин
Иван Сергеевич Шелемба (RU)
Иван Сергеевич Шелемба
Original Assignee
Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН) filed Critical Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН)
Priority to RU2009127902/28A priority Critical patent/RU2413259C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2413259C1 publication Critical patent/RU2413259C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: optical reflectometre generates a probing pulse which falls on a first examined Bragg grating through a circulator. Part of the probing pulse is reflected from the grating and falls on reference gratings whose reflection spectra lie equidistant from the spectrum of the examined Bragg grating. Two reflected signals are generated, having power which is determined by the spectral interval between the spectrum of examined grating and the spectrum of the corresponding reference grating. Reflected signals are returned to the reflectometre and are displayed on a reflectogram in form of two peaks whose amplitude is proportional to the power of these signals. The spectrum of the examined grating shifts in case of an external physical effect. One of the peaks increases while the other falls. The difference between the amplitude of these peaks is the picked up signal. In order to pick up signals of the next groups of examined fibre Bragg gratings, the reference Bragg gratings are rearranged so that the initial resonance wavelengths of the examined fibre Bragg gratings are exactly between the resonance wavelengths of reference Bragg gratings.
EFFECT: wider measurement range and high resistance to amplitude noise.
8 dwg

Description

Изобретение относится к измерениям, а именно к области мониторинга деформационных и термических процессов с использованием контрольно-измерительных систем на основе волоконных брэгговских решеток.The invention relates to measurements, namely to the field of monitoring of deformation and thermal processes using instrumentation systems based on fiber Bragg gratings.

В настоящее время волоконно-оптические датчики (ВОД) являются магистральным направлением развития метрологии. Это обусловлено целым рядом их принципиальных преимуществ по отношению к традиционным измерительным устройствам: полная невосприимчивость к электромагнитным помехам, чувствительность к широкому кругу физических величин, химическая устойчивость, долговечность, простота сопряжения с высокоскоростными и помехозащищенными волоконно-оптическими линиями связи, а также возможность мультиплексирования и объединения большого количества датчиков в распределенные информационно-измерительные системы. Как известно, лидирующее положение среди волоконно-оптических датчиков занимают измерительные преобразователи на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) [1-4]. Датчики данного типа наиболее широко применяются для измерения температуры и механических напряжений в области мониторинга состояния техногенных объектов ответственного назначения, таких как мосты, тоннели, здания, башни, плотины, дамбы, морские нефтедобывающие платформы, корабли, самолеты, космические аппараты и пр. [3].At present, fiber-optic sensors (VOD) are the main line of development of metrology. This is due to a number of their fundamental advantages with respect to traditional measuring devices: complete immunity to electromagnetic interference, sensitivity to a wide range of physical quantities, chemical stability, durability, ease of pairing with high-speed and noise-protected fiber-optic communication lines, as well as the possibility of multiplexing and combining a large number of sensors in distributed information-measuring systems. As is known, the leading position among fiber-optic sensors is occupied by measuring transducers based on fiber Bragg gratings (FBG) [1-4]. Sensors of this type are most widely used to measure temperature and mechanical stresses in the field of monitoring the state of technogenic objects of critical purpose, such as bridges, tunnels, buildings, towers, dams, dams, offshore oil platforms, ships, planes, spacecraft, etc. [3 ].

Известно «Комбинированное спектрально-временное детектирование сигналов от волоконных брэгговских решеток с применением метода оптической временной рефлектометрии» [5]. В основу способа положена спектральная фильтрация зондирующих импульсов, генерируемых волоконно-оптическим рефлектометром, с помощью полосового фильтра, образованного волоконным циркулятором и ВБР. Опрашиваемые брэгговские решетки записываются на волоконной линии группами с одинаковыми резонансными длинами волн внутри группы и различными - для разных групп. При этом разделение сигналов от ВБР, имеющих различные резонансные длины волн, достигается перестройкой полосы пропускания фильтра, а разделение сигналов от ВБР с одинаковой длиной волны осуществляется путем временного разделения откликов брэгговских решеток на зондирующий импульс. Пороговая чувствительность метода при регистрации относительного удлинения ВБР составила 0,5×10-4 при диапазоне измерений 2×10-3. Указанный способ опроса брэгговских датчиков основан на временном, а также совмещенном спектрально-временном разделении измерительных каналов [5, 6].The well-known "Combined spectral-temporal detection of signals from fiber Bragg gratings using the method of optical time reflectometry" [5]. The method is based on spectral filtering of probe pulses generated by a fiber-optic reflectometer using a band-pass filter formed by a fiber circulator and FBG. The interrogated Bragg gratings are recorded on the fiber line in groups with the same resonant wavelengths within the group and different for different groups. In this case, the separation of signals from FBGs with different resonant wavelengths is achieved by tuning the passband of the filter, and the separation of signals from FBGs with the same wavelength is carried out by temporarily separating the responses of the Bragg gratings to the probe pulse. The threshold sensitivity of the method for recording the relative elongation of FBG was 0.5 × 10 -4 with a measurement range of 2 × 10 -3 . The indicated method of interrogating Bragg sensors is based on the time as well as the combined spectral-temporal separation of the measuring channels [5, 6].

Основным недостатком указанного способа явилась зависимость результатов измерений от мощности зондирующих импульсов, используемых для детектирования резонансной длины волны опрашиваемых ВБР, что приводит к подверженности измерительной системы амплитудным помехам вследствие флуктуации мощности источника излучения, потерь интенсивности направляемого излучения в подводящих световодах и пр.The main disadvantage of this method was the dependence of the measurement results on the power of the probe pulses used to detect the resonant wavelength of the interrogated FBG, which leads to the exposure of the measuring system to amplitude noise due to fluctuations in the power of the radiation source, losses in the intensity of the directed radiation in the input fibers, etc.

В основу изобретения поставлена задача разработать такой способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе ВБР, записанных в едином волоконном световоде, который позволит обеспечить устойчивость измерительной системы к амплитудным помехам, а также значительно увеличить диапазон измерений.The basis of the invention is the task to develop such a method for recording the signals of transducers based on FBG recorded in a single fiber waveguide, which will ensure the stability of the measuring system to amplitude noise, as well as significantly increase the measurement range.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, включающем формирование оптическим временным рефлектометром зондирующего импульса и распространение этого импульса по волоконным линиям, содержащим ВБР, последующее формирование отраженных оптических импульсов в спектральной полосе, соответствующей спектру отражения волоконных брэгговских решеток, при прохождении через них оптических импульсов, прохождение зондирующего и отраженных от ВБР оптических импульсов через волоконный циркулятор, регистрацию отраженных оптических импульсов с помощью рефлектометра в виде пиков отражения на рефлектограмме, определение по амплитуде пиков отражения резонансной длины волны опрашиваемых волоконных брэгговских решеток, которая прямо пропорциональна их относительному удлинению и температуре, предварительно волоконные брэгговские решетки записывают в единый волоконный световод с пространственным интервалом до 10 м группами с одинаковой исходной резонансной длиной волны внутри группы, а последовательность отраженных импульсов, формирующихся при прохождении зондирующего импульса через световод с опрашиваемыми ВБР, через циркулятор поступает в волоконный световод с двумя перестраиваемыми опорными ВБР, резонансные длины волн которых предварительно настраиваются таким образом, чтобы исходная резонансная длина волны опрашиваемых ВБР первой группы находилась точно между ними, при этом при прохождении каждого из отраженных от опрашиваемых брэгговских решеток оптических импульсов через опорные ВБР формируются два отраженных импульса, которые через циркулятор поступают в рефлектометр и отображаются на рефлектограмме, после чего по разнице амплитуд этих двух пиков отражения определяется резонансная длина волны каждой из опрашиваемых ВБР первой группы, а для регистрации сигналов второй и последующих групп опрашиваемых ВБР опорные брэгговские решетки перестраиваются, чтобы исходные резонансные длины волны опрашиваемых ВБР находились точно между резонансными длинами волн опорных брэгговских решеток.The problem is solved in that in the proposed method for recording the signals of measuring transducers based on fiber Bragg gratings recorded in a single fiber waveguide, which includes the formation of a probe optical pulse by an OTDR and the propagation of this pulse along fiber lines containing FBG, the subsequent formation of reflected optical pulses in the spectral the band corresponding to the reflection spectrum of fiber Bragg gratings, when passing through them optically pulses, the passage of probe and reflected optical pulses from FBG through a fiber circulator, registration of reflected optical pulses with a reflectometer in the form of reflection peaks on a reflectogram, determination of the resonance wavelength of the interrogated fiber Bragg gratings, which is directly proportional to their relative elongation and temperature, by the amplitude of the reflection peaks pre-fiber Bragg gratings are recorded in a single optical fiber with a spatial interval of up to 10 m in groups the same initial resonant wavelength within the group, and the sequence of reflected pulses generated during the passage of the probe pulse through the fiber with the interrogated FBG, through the circulator enters the fiber optic fiber with two tunable reference FBG, the resonant wavelengths of which are pre-adjusted so that the original resonant wavelength the first group of respondents was exactly between them, while passing through each of the Bragg sieves reflected from the respondents To the optical pulses, two reflected pulses are formed through the reference FBGs, which enter the reflectometer through the circulator and are displayed on the reflectogram, after which the resonance wavelength of each of the surveyed FBGs of the first group is determined by the difference in amplitudes of these two reflection peaks, and for recording signals of the second and subsequent groups of the interrogated FBGs, the reference Bragg gratings are tuned so that the initial resonant wavelengths of the interrogated FBGs are exactly between the resonant wavelengths of the reference Braggs their grids.

Совокупность существенных признаков заявленного способа регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков способа стало возможным решить поставленную техническую задачу.The set of essential features of the claimed method for recording the signals of measuring transducers based on fiber Bragg gratings recorded in a single fiber light guide has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. thanks to this combination of essential features of the method, it became possible to solve the technical problem.

На основании изложенного можно заключить, что заявленный способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. он явным образом не следует из уровня техники и пригоден для промышленного применения.Based on the foregoing, we can conclude that the claimed method of recording signals of measuring transducers based on fiber Bragg gratings recorded in a single fiber waveguide is new, has an inventive step, i.e. it does not explicitly follow from the prior art and is suitable for industrial use.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена схема регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде; на фиг.2 - схематическое изображение спектра исходного зондирующего импульса; на фиг.3 - отражение зондирующего импульса от опрашиваемой ВБР; на фиг.4 - формирование дифференциального оптического сигнала; на фиг.5 - схематическое изображение рефлектограммы при настройке опорных ВБР на группу опрашиваемых брэгговских решеток с резонансной длиной волны λ1 и λ2 (фиг.1); фиг.6 - результаты расчета зависимости PR1(Δλ)/PR2(Δλ) для одной из опрашиваемых ВБР; фиг.7 - зависимость регистрируемого сигнала от относительного удлинения опрашиваемой ВБР.The essence of the claimed method is illustrated by drawings, where: Fig. 1 shows a signal registration diagram of measuring transducers based on fiber Bragg gratings recorded in a single fiber waveguide; figure 2 is a schematic representation of the spectrum of the original probe pulse; figure 3 - reflection of the probe pulse from the interrogated FBG; figure 4 - the formation of a differential optical signal; figure 5 is a schematic representation of the trace when setting the reference FBG to the group of the interrogated Bragg gratings with a resonant wavelength of λ 1 and λ 2 (figure 1); 6 - the results of the calculation of the dependence P R1 (Δλ) / P R2 (Δλ) for one of the interviewed FBG; Fig.7 - dependence of the recorded signal from the relative lengthening of the interrogated FBG.

На чертежах приняты обозначения: 1 - оптический временный рефлектометр, 2 - волоконный циркулятор, 3 - опрашиваемые ВБР, 4 - перестраиваемые опорные ВБР, 5 - спектр зондирующего импульса, 6 - спектр отражения ВБР, 7, 8 - спектры отражения опорных ВБР, 9 - спектр зондирующего импульса после отражения от опрашиваемой ВБР.The designations adopted designations: 1 - optical time domain reflectometer, 2 - fiber circulator, 3 - interrogated FBG, 4 - tunable reference FBG, 5 - spectrum of the probe pulse, 6 - reflection spectrum of the FBG, 7, 8 - reflection spectra of the reference FBG, 9 - spectrum of the probe pulse after reflection from the interrogated FBG.

Реализация заявленного способа регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, осуществляется следующим образом.The implementation of the claimed method of recording signals of measuring transducers based on fiber Bragg gratings recorded in a single fiber waveguide is as follows.

Зондирующие импульсы, генерируемые стандартным оптическим временным рефлектометром 1 (фиг.1), через волоконный циркулятор 2 поступают в линию с опрашиваемыми ВБР, которые записаны с пространственным интервалом до 10 м группами с одинаковой резонансной длиной волны для каждой группы. Когда зондирующий импульс достигает первой из опрашиваемых ВБР 3, формируется отраженный оптический сигнал в спектральной полосе, соответствующей спектру отражения брэгговской решетки (фиг.2), который через циркулятор 2 поступает в линию с двумя перестраиваемыми опорными ВБР 4. Резонансные длины волн (РДВ) опорных ВБР λ01 и λ02 предварительно настраиваются таким образом, чтобы исходная резонансная длина волны опрашиваемых ВБР первой группы λ1 находилась точно между ними: |λ01-λ1|=|λ02-λ1| (фиг.4). При этом спектральный промежуток между РДВ опорных ВБР выбирается равным диапазону возможных изменений резонансной длины волны опрашиваемых ВБР вследствие регистрируемых механических напряжений и/или температуры. Поскольку опорные брэгговские решетки 4 записываются с пространственным интервалом до 10 м, они формируют два отраженных оптических импульса, мощность которых определяется интегралом перекрытия между спектром зондирующего импульса, отраженного от опрашиваемой ВБР S(λ, Δλ), и спектром отражения соответствующей опорной ВБР R1(λ) или R2(λ):The probe pulses generated by a standard optical time-domain reflectometer 1 (Fig. 1), through a fiber circulator 2, enter a line with the interrogated FBGs, which are recorded with a spatial interval of up to 10 m groups with the same resonant wavelength for each group. When the probe pulse reaches the first of the interrogated FBGs 3, a reflected optical signal is formed in the spectral band corresponding to the reflection spectrum of the Bragg grating (Fig. 2), which, through the circulator 2, enters a line with two tunable reference FBGs 4. Resonant wavelengths (RDFs) of the reference FBG λ 01 and λ 02 are pre-configured so that the initial resonant wavelength of the surveyed FBG of the first group λ 1 is exactly between them: | λ 01 -λ 1 | = | λ 02 -λ 1 | (figure 4). In this case, the spectral gap between the WFDs of the reference FBGs is chosen equal to the range of possible changes in the resonant wavelength of the interrogated FBGs due to recorded mechanical stresses and / or temperature. Since the reference Bragg gratings 4 are recorded with a spatial interval of up to 10 m, they form two reflected optical pulses whose power is determined by the overlap integral between the spectrum of the probe pulse reflected from the interrogated FBG S (λ, Δλ) and the reflection spectrum of the corresponding reference FBG R 1 ( λ) or R 2 (λ):

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где Δλ=2neffΛmod(α1ε+α2ΔT) - сдвиг резонансной длины волны брэгговской решетки в зависимости от температуры (7) и механического напряжения (ε), α1, α2 - коэффициенты, определяемые свойствами материала ВС, neff - эффективный показатель преломления волоконного световода, Λmod - глубина модуляции показателя преломления в ВБР.where Δλ = 2n eff Λ mod (α 1 ε + α 2 ΔT) is the shift of the resonance wavelength of the Bragg grating depending on temperature (7) and mechanical stress (ε), α 1 , α 2 are the coefficients determined by the properties of the aircraft material, n eff is the effective refractive index of the fiber, Λ mod is the depth of modulation of the refractive index in FBG.

Далее указанные оптические импульсы через волоконный циркулятор 2 поступают на оптический рефлектометр 1, где отображаются на рефлектограмме в виде двух пиков отражения, амплитуда которых пропорциональна PR1 и PR2 и изменяется в соответствии с Δλ. Если опрашиваемая ВБР 3 не подвергается механическому напряжению или изменению температуры, то Δλ=0 и PR1=PR2; если Δλ<0, то PR1 увеличивается, PR2 - уменьшается; при Δλ>0 имеет место обратная ситуация (фиг.5).Further, these optical pulses through the fiber circulator 2 are fed to the optical reflectometer 1, where they are displayed on the trace as two reflection peaks, the amplitude of which is proportional to P R1 and P R2 and changes in accordance with Δλ. If the interrogated FBG 3 is not subjected to mechanical stress or temperature changes, then Δλ = 0 and P R1 = P R2 ; if Δλ <0, then P R1 increases, P R2 - decreases; when Δλ> 0, the opposite situation takes place (Fig. 5).

Через некоторую временную задержку, определяемую расстоянием между опрашиваемыми ВБР 3, на опорные брэгговские решетки 4 поступает оптический импульс, отраженный от второй опрашиваемой ВБР в группе, и на рефлектограмме формируются еще два пика отражения и т.д. В общей сложности на рефлектограмме будет отображено 2N пиков, где N - количество опрашиваемых ВБР в группе. Чтобы опросить следующую группу ВБР с исходной РДВ λ2 опорные брэгговские решетки перестраиваются так, чтобы |λ01-λ2|=|λ02-λ2|, при этом полученная рефлектограмма будет содержать пики отражения, соответствующие ВБР во второй группе (фиг.5).After some time delay, determined by the distance between the interrogated FBGs 3, an optical pulse arrives at the reference Bragg gratings 4 reflected from the second interrogated FBG in the group, and two more reflection peaks are formed on the trace, etc. In total, 2N peaks will be displayed on the trace, where N is the number of responded FBGs in the group. In order to interrogate the next group of FBGs with the original WFD λ 2, the support Bragg gratings are rearranged so that | λ 01 -λ 2 | = | λ 02 -λ 2 |, and the obtained trace will contain reflection peaks corresponding to FBG in the second group (Fig. 5).

Для реализации способа регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе ВБР требуется выполнение следующих условий [6, 7]:To implement the method of recording signals of measuring transducers based on FBG, the following conditions are required [6, 7]:

- для устранения осцилляции мощности отраженного оптического сигнала вследствие многомодовой структуры спектра зондирующих импульсов необходимо, чтобы Λ≥λ0, где Λ - полуширина спектра отражения ВБР, λ0 - промежуток между соседними продольными модами в спектре зондирующих импульсов;- to eliminate the power oscillations of the reflected optical signal due to the multimode structure of the spectrum of the probe pulses, it is necessary that Λ≥λ 0 , where Λ is the half-width of the FBG reflection spectrum, λ 0 is the gap between adjacent longitudinal modes in the spectrum of the probe pulses;

- для исключения возможности насыщения высокочувствительного фотоприемника рефлектометра требуется, чтобы коэффициент отражения опрашиваемых ВБР на резонансной длине волны не превышал 2-3%.- to exclude the possibility of saturation of the highly sensitive photodetector of the OTDR, it is required that the reflection coefficient of the interrogated FBG at the resonant wavelength does not exceed 2-3%.

На фиг.6 приведены результаты расчета зависимости PR1(Δλ)/PR2(Δλ) для одной из опрашиваемых ВБР. Учитывая, что для рефлектометра λ0~0.7 нм, спектры отражения ВБР были аппроксимированы гауссовыми функциями с полушириной 1 нм (фиг.6, а). Также в расчетах использовались следующие параметры: λ1=1556,5 нм, λ01=1555 нм, λ02=1558 нм. Зависимости PR1(Δλ)/PR2(Δλ) и PR2(Δλ)/PR1(Δλ), рассчитанные в логарифмических единицах на основе выражений (1) и (2), приведены на фиг.6, b. Как видно из чертежа, они имеют линейный характер.Figure 6 shows the results of calculating the dependence P R1 (Δλ) / P R2 (Δλ) for one of the surveyed FBG. Given that for the reflectometer λ 0 ~ 0.7 nm, the reflection spectra of the FBG were approximated by Gaussian functions with a half width of 1 nm (Fig.6, a). The following parameters were also used in the calculations: λ 1 = 1556.5 nm, λ 01 = 1555 nm, λ 02 = 1558 nm. The dependences P R1 (Δλ) / P R2 (Δλ) and P R2 (Δλ) / P R1 (Δλ) calculated in logarithmic units based on expressions (1) and (2) are shown in Fig.6, b. As can be seen from the drawing, they are linear in nature.

Таким образом, измеряя отношение PR1/PR2 с помощью рефлектометра, становится возможным определить Δλ, следовательно, механическое напряжение и температуру опрашиваемых ВБР. При этом, поскольку PR1/PR2 не зависит от мощности зондирующих импульсов, обеспечивается полная невосприимчивость измерительной системы к неконтролируемым амплитудным помехам вследствие флуктуации мощности источника излучения, потерь мощности направляемого излучения в подводящих световодах и пр.Thus, by measuring the ratio P R1 / P R2 with an OTDR, it becomes possible to determine Δλ, therefore, the mechanical stress and temperature of the interrogated FBG. Moreover, since P R1 / P R2 does not depend on the power of the probe pulses, the complete immunity of the measuring system to uncontrolled amplitude noise is ensured due to fluctuations in the power of the radiation source, loss of power of the guided radiation in the input fibers, etc.

При практической реализации способа в качестве опрашиваемых ВБР использовались две брэгговские решетки (λ1=1552,8 нм, λ2=1556,7 нм) с коэффициентами отражения на резонансной длине волны ~3%. В качестве опорных применялись две ВБР с коэффициентом отражения ~30%, которые настраивались на λ01=1551,3 нм и λ02=1554,3 нм для регистрации сигнала от первой опрашиваемой ВБР и на λ01=1555,2 нм и λ02=1558,2 - для регистрации сигнала от второй. Опрашиваемые ВБР подвергались калиброванной деформации с шагом 0,1·10-3, при этом измерялась разница амплитуд соответствующих пиков отражения (PR1/PR2) на рефлектограмме, полученной при помощи рефлектометра ANDO AQ7250. Как видно из фиг.7, зависимость регистрируемого сигнала от относительного удлинения опрашиваемой ВБР носит линейный характер, что подтверждает сделанные ранее выводы. При регистрации относительного удлинения опрашиваемых ВБР достигнута пороговая чувствительность ~50·10-6.In the practical implementation of the method, two Bragg gratings (λ 1 = 1552.8 nm, λ 2 = 1556.7 nm) with reflection coefficients at the resonant wavelength of ~ 3% were used as interrogated FBGs. Two FBGs with a reflection coefficient of ~ 30% were used as reference ones, which were tuned to λ 01 = 1551.3 nm and λ 02 = 1554.3 nm to record the signal from the first interrogated FBG and to λ 01 = 1555.2 nm and λ 02 = 1558.2 - to register a signal from the second. The interrogated FBGs underwent calibrated deformation with a step of 0.1 · 10 -3 , while the difference in amplitudes of the corresponding reflection peaks (P R1 / P R2 ) was measured on a trace obtained using an ANDO AQ7250 reflectometer. As can be seen from Fig.7, the dependence of the recorded signal on the relative lengthening of the interrogated FBG is linear, which confirms the conclusions made earlier. When registering the relative elongation of the interrogated FBG, a threshold sensitivity of ~ 50 · 10 -6 was reached.

С учетом возможности организации до 10 спектральных каналов по 3 нм (что соответствует диапазону измеряемых величин ~300°C по температуре и ~3·10-3 по относительному удлинению) в пределах спектра зондирующих импульсов с центром в районе 1550 нм и шириной ~35 нм, а также того, что опрашиваемые ВБР обладают чрезвычайно низким коэффициентом отражения, максимальное количество ВБР, мультиплексируемых в рамках предложенного подхода, оценивается в несколько сотен и более, что значительно превышает требования большинства практических приложений.Taking into account the possibility of organizing up to 10 spectral channels at 3 nm (which corresponds to a range of measured values of ~ 300 ° C in temperature and ~ 3 · 10 -3 in relative elongation) within the spectrum of probe pulses centered around 1550 nm and a width of ~ 35 nm , as well as the fact that the interrogated FBGs have an extremely low reflection coefficient, the maximum number of FBGs multiplexed in the framework of the proposed approach is estimated at several hundred or more, which significantly exceeds the requirements of most practical applications.

Таким образом, разработан и исследован способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, с комбинированным спектрально-временным разделением измерительных каналов. Пороговая чувствительность способа при регистрации относительного удлинения ВБР составила 0,5·10-4, при диапазоне измерений 4·10-3, максимальное количество опрашиваемых брэгговских решеток - несколько сотен и более.Thus, a method for recording the signals of measuring transducers based on fiber Bragg gratings recorded in a single fiber waveguide with a combined spectral-time separation of the measuring channels has been developed and studied. The threshold sensitivity of the method when registering the relative elongation of the FBG was 0.5 · 10 -4 , with a measurement range of 4 · 10 -3 , the maximum number of interrogated Bragg gratings was several hundred or more.

Благодаря простоте и возможности использования стандартного и широкодоступного рефлектометрического оборудования разработанный способ может найти широкое применение в области мониторинга деформационных и термических процессов с использованием контрольно-измерительных систем на основе волоконных брэгговских решеток.Due to the simplicity and possibility of using standard and widely available reflectometric equipment, the developed method can be widely used in the field of monitoring of deformation and thermal processes using control and measurement systems based on fiber Bragg gratings.

Источники, принятые во вниманиеSources taken into account

1. Y.J. Rao Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors // Optics and Lasers in Engineering. - v.31. - 1999. - P.297-324.1. Y.J. Rao Recent progress in applications of in-fiber Bragg grating sensors // Optics and Lasers in Engineering. - v.31. - 1999. - P.297-324.

2. Alan D. Kersey et al. Fiber Grating Sensors // Journal of lightwave technology. - vol. 15. - No. 8. - P.1442-1463. - 1997.2. Alan D. Kersey et al. Fiber Grating Sensors // Journal of lightwave technology. - vol. 15. - No. 8. - P.1442-1463. - 1997.

3. Jinping Ou Some recent advances of intelligent health monitoring systems for civil infrastructures in HIT // Proc. SPIE. - 2004. - V.5851. - P.147.3. Jinping Ou Some recent advances of intelligent health monitoring systems for civil infrastructures in HIT // Proc. SPIE. - 2004 .-- V.5851. - P.147.

4. S.A.Vasiljev, O.I.Medvedkov, I.G.Korolev, A.S.Bozhkov, A.S.Kurkov, E.M.Dianov // Quantum Electronics. - 2005. - 35. - 12. - p.1085-1103.4. S.A. Vasiljev, O. I. Medvedkov, I. G. Korolev, A. S. Bozhkov, A. S. Kurkov, E. M. Dianov // Quantum Electronics. - 2005. - 35. - 12. - p.1085-1103.

5. Yu. N. Kulchin, O.B.Vitrik, A.V.Dyshlyuk, A.M.Shalagin, S.A.Babin, I.S.Shelemba, A.A.Vlasov // Laser Physics. - 2008. - Vol.18. - No.11. - pp.13015. Yu. N. Kulchin, O.B. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, A.M. Shalagin, S.A.Babin, I.S. Shelemba, A.A. Vlasov // Laser Physics. - 2008 .-- Vol. 18. - No.11. - pp.1301

6. Yu. N. Kulchin, O.В.Vitrik, A.V.Dyshlyuk, A.M.Shalagin, S.A.Babin, A.A.Vlasov, // LaserPhysics. - Vol.17. - No.11. - pp.1335-1339. - 2007.6. Yu. N. Kulchin, O.V. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, A.M. Shalagin, S.A.Babin, A.A. Vlasov, // LaserPhysics. - Vol.17. - No.11. - pp. 1335-1339. - 2007.

Claims (1)

Способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), записанных в едином волоконном световоде, включающий формирование оптическим временным рефлектометром зондирующего оптического импульса и распространение этого импульса по волоконным линиям, содержащим ВБР, последующее формирование отраженных оптических импульсов в спектральной полосе, соответствующей спектру отражения волоконных брэгговских решеток, при прохождении через них оптических импульсов, прохождение зондирующего и отраженных от ВБР оптических импульсов через волоконный циркулятор, регистрацию отраженных оптических импульсов с помощью рефлектометра в виде пиков отражения на рефлектограмме, определение по амплитуде пиков отражения резонансной длины волны опрашиваемых волоконных брэгговских решеток, которая прямо пропорциональна их относительному удлинению и температуре, отличающийся тем, что волоконные брэгговские решетки записывают в единый волоконный световод с пространственным интервалом до 10 м группами с одинаковой исходной резонансной длиной волны внутри группы, а последовательность отраженных импульсов, формирующихся при прохождении зондирующего импульса через световод с опрашиваемыми ВБР, через циркулятор поступает в волоконный световод с двумя перестраиваемыми опорными ВБР, резонансные длины волн которых предварительно настраиваются таким образом, чтобы исходная резонансная длина волны опрашиваемых ВБР первой группы находилась точно между ними, при этом при прохождении каждого из отраженных от опрашиваемых ВБР оптических импульсов через опорные ВБР формируются два отраженных импульса, которые через циркулятор поступают в рефлектометр и отображаются на рефлектограмме, после чего по разнице амплитуд этих двух пиков отражения определяется резонансная длина волны каждой из опрашиваемых ВБР первой группы, а для регистрации сигналов второй и последующих групп опрашиваемых ВБР опорные брэгговские решетки перестраиваются, чтобы исходные резонансные длины волны опрашиваемых ВБР находились точно между резонансными длинами волн опорных брэгговских решеток. A method for registering signals of measuring transducers based on fiber Bragg gratings (FBGs) recorded in a single fiber waveguide, comprising generating a probing optical pulse by an optical time domain reflectometer and propagating this pulse along fiber lines containing FBGs, and then generating reflected optical pulses in the spectral band corresponding to the spectrum reflection of fiber Bragg gratings, when optical pulses pass through them, the passage of the probing and optical pulses reflected from the FBG through a fiber circulator, registration of reflected optical pulses with a reflectometer in the form of reflection peaks on a reflectogram, determination by the amplitude of reflection peaks of the resonance wavelength of the interrogated fiber Bragg gratings, which is directly proportional to their relative elongation and temperature, characterized in that fiber Bragg gratings are recorded in a single fiber waveguide with a spatial interval of up to 10 m in groups with the same initial resonance wavelength inside the group, and the sequence of reflected pulses generated during the passage of the probe pulse through a fiber with interrogated FBGs passes through a circulator into a fiber optic fiber with two tunable reference FBGs whose resonant wavelengths are pre-adjusted so that the initial resonant wavelength of the interrogated FBGs the first group was exactly between them, while each of the optical pulses reflected from the interrogated FBG passed through the reference FBG two reflected pulses are transmitted through the circulator to the OTDR and displayed on the OTDR, after which the resonance wavelength of each of the interrogated FBGs of the first group is determined by the difference in the amplitudes of these two reflection peaks, and the reference Bragg gratings are tuned to register the signals of the second and subsequent groups of the interrogated FBGs so that the initial resonant wavelengths of the interrogated FBGs are exactly between the resonant wavelengths of the supporting Bragg gratings.
RU2009127902/28A 2009-07-20 2009-07-20 Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide RU2413259C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009127902/28A RU2413259C1 (en) 2009-07-20 2009-07-20 Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009127902/28A RU2413259C1 (en) 2009-07-20 2009-07-20 Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2413259C1 true RU2413259C1 (en) 2011-02-27

Family

ID=46310720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009127902/28A RU2413259C1 (en) 2009-07-20 2009-07-20 Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2413259C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014017946A1 (en) * 2012-07-27 2014-01-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Device for the optical identification of optical channels
RU2602998C1 (en) * 2015-08-27 2016-11-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Method of controlling spectral parameters fibre bragg grating
RU182543U1 (en) * 2018-04-20 2018-08-22 Общество с ограниченной ответственностью "АДМ Фотоникс" (ООО "АДМ Фотоникс") Fiber Bragg Grating Reflection Spectrum Measurement Device
RU2783171C1 (en) * 2021-06-10 2022-11-09 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Method and apparatus for polling sensor elements of fibre bragg gratings through the end of the fibre using an annular speckle pattern

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014017946A1 (en) * 2012-07-27 2014-01-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Device for the optical identification of optical channels
EA026181B1 (en) * 2012-07-27 2017-03-31 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Device for optical identification of measurement channels of a built-in non-destructive control system based on fiber-optic bragg gratings
RU2602998C1 (en) * 2015-08-27 2016-11-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Method of controlling spectral parameters fibre bragg grating
RU182543U1 (en) * 2018-04-20 2018-08-22 Общество с ограниченной ответственностью "АДМ Фотоникс" (ООО "АДМ Фотоникс") Fiber Bragg Grating Reflection Spectrum Measurement Device
RU2783171C1 (en) * 2021-06-10 2022-11-09 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Method and apparatus for polling sensor elements of fibre bragg gratings through the end of the fibre using an annular speckle pattern

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gholamzadeh et al. Fiber optic sensors
Zhang et al. A large capacity sensing network with identical weak fiber Bragg gratings multiplexing
AU2010308572B2 (en) Stimulated brillouin system with multiple FBG&#39;s
Hongo et al. Applications of fiber Bragg grating sensors and high‐speed interrogation techniques
Kreger et al. Distributed strain and temperature sensing in plastic optical fiber using Rayleigh scatter
EP3488191B1 (en) Brillouin-based distributed bend fiber sensor and method for using same
CN105371785B (en) A kind of curvature measurement method
Igawa et al. Distributed measurements with a long gauge FBG sensor using optical frequency domain reflectometry (1st report, system investigation using optical simulation model)
US11391645B2 (en) Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system
Jiansheng et al. Study on multiplexing ability of identical fiber Bragg gratings in a single fiber
Wada et al. Simultaneous distributed measurement of strain and temperature by polarization maintaining fiber Bragg grating based on optical frequency domain reflectometry
RU2413259C1 (en) Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide
Kulchin et al. Differential reflectometry of FBG sensors in the wide spectral range
Magalhães et al. Curvature sensor based on a long-period grating in a fiber ring resonator interrogated by an OTDR
CN111537010A (en) OTDR-based F-P interference type sensing head multi-point measurement method and device
Kuznetsov et al. FBG based brush length sensors for onboard measurement systems
Babin et al. Comparison of temperature distribution measurement methods with the use of the Bragg gratingsand Raman scattering of light in optical fibers
Kim Dynamic strain measurement with fiber Bragg grating sensor system for smart structure
Kulchin et al. Differential reflectometry of fiber Bragg gratings
Iadicicco et al. Advanced fiber optical refractometers based on partially etched fiber Bragg gratings
Kulchin et al. Differential multiplexing of fiber Bragg gratings by means of optical time domain refractometry
Boymurotovich et al. Fiber Optical Sensors for Monitoring the State of Objects and The Environment
Alwis et al. Investigation on the sensitivity of an etched graded-index multi-mode fiber to refractive index and temperature for mode-multiplexed fiber optic sensor applications
Kulchin et al. Differential interrogation of FBG sensors using conventional optical time domain reflectometry
Tang et al. Distributed optical fiber fusion sensing system based on dual light source and pulse precision delay technology