ES2357388A1 - Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

Info

Publication number
ES2357388A1
ES2357388A1 ES201000609A ES201000609A ES2357388A1 ES 2357388 A1 ES2357388 A1 ES 2357388A1 ES 201000609 A ES201000609 A ES 201000609A ES 201000609 A ES201000609 A ES 201000609A ES 2357388 A1 ES2357388 A1 ES 2357388A1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
optical
transducer
brillouin
signal
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
ES201000609A
Other languages
Spanish (es)
Inventor
Francisco Javie Madrigaz Saavedra
Jose Miguel Lopez Higuera
Angel Ullan Nieto
Carlos Augusto Galindez Jamiov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidad de Cantabria
Original Assignee
Universidad de Cantabria
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 Universidad de Cantabria filed Critical Universidad de Cantabria
Priority to ES201000609A priority Critical patent/ES2357388A1/en
Publication of ES2357388A1 publication Critical patent/ES2357388A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35303Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using a reference fibre, e.g. interferometric devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Optical sensor for measuring temperature and elongation in a structure, comprising: an optical flue (1) configured to emit an optical pump signal; at least one optical transducer (6) comprising a first waveguide (14) and a second waveguide (15) connected in series, wherein the first waveguide (14) is configured to provide a spectral response at a frequency brillouin and the second waveguide (15) is configured to offer a spectral response to another brillouin frequency; - an optical input/output device (10) to allow the passage of the optical pump signal to said optical transducer (6) and to allow the passage of a counter-propagating optical signal from said optical transducer (6) towards a coupler optical (7). The at least one optical transducer (6), the optical input/output device (10) and the optical coupler (7) form a ring resonant cavity. When the optical pump signal is injected into the transducer (6), a brillouin effect is generated in each of the waveguides (14, 15) which causes an optical signal centered at a respective brillouin frequency. The optical coupler (7) is capable of reinjecting the optical signals centered at said brillouin frequencies in the ring optical cavity. The measurement of these two frequencies (vb1, vb2) allows to discriminate the elongation and temperature of the structure. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Sensor óptico biparamétrico basado en efecto brillouin.Biparameter optical sensor based on effect brillouin.

Campo de la invenciónField of the Invention

La presente invención pertenece al campo de las técnicas y aparatos para medida de parámetros en estructuras. En concreto, se refiere a las técnicas para medir y monitorizar en tiempo real la elongación y la temperatura de una estructura dada.The present invention belongs to the field of techniques and devices for measuring parameters in structures. In concrete, refers to the techniques to measure and monitor in real time elongation and temperature of a structure Dadaist.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Son conocidas diversas técnicas y dispositivos para medir parámetros en estructuras de ingeniería, obra civil y construcción. Una forma habitual de sensado de deformaciones en estructuras es mediante fibra óptica. Así, la patente estadounidense US4927232 describe un sistema de fibra óptica para monitorizar las posibles deformaciones en una estructura analizando características como la atenuación o la fase de una señal óptica transmitida a través de esa fibra, mientras que la patente europea EP0404242 B1 propone un sistema basado en interferometría de señales ópticas, quedando reflejadas las posibles deformaciones como variaciones del camino óptico recorrido por la luz que se propaga a través de una fibra óptica.Various techniques and devices are known to measure parameters in engineering structures, civil works and building. A usual form of deformation sensing in structures is by fiber optic. Thus, the US patent  US4927232 describes a fiber optic system to monitor the possible deformations in a structure analyzing characteristics such as the attenuation or phase of an optical signal transmitted to through that fiber, while European patent EP0404242 B1 proposes a system based on interferometry of optical signals, the possible deformations being reflected as variations of the optical path traveled by the light that propagates through a optical fiber.

También se han desarrollado sistemas de medida de tensión en estructuras, tales como el presentado en 1994 por D. Inaudi, A. Elamari y S. Vurpillot en la 2nd European Conference on Smart Structures and Materials (Glasgow), que está basado en interferometría de baja coherencia ("Low coherence interferometry for the monitoring of civil engineering structures"). En este sistema el transductor está formado por dos fibras terminadas en sendos espejos, las cuales constituyen los dos "brazos" de un interferómetro de Michelson.Measurement systems have also been developed of tension in structures, such as the one presented in 1994 by D. Inaudi, A. Elamari and S. Vurpillot at the 2nd European Conference on Smart Structures and Materials (Glasgow), which is based on low coherence interferometry for the monitoring of civil engineering structures "). In this The transducer system consists of two fibers terminated in two mirrors, which constitute the two "arms" of a Michelson interferometer.

Dentro de los sistemas de sensado, se conocen los sistemas de sensado distribuido basados en el scattering Brillouin en fibras ópticas, como el propuesto en la patente británica GB2289331: Esta técnica propone la inyección en la fibra de dos radiaciones contra propagantes, separadas en frecuencia un valor equivalente a \nu_{B} para dicha fibra. De esta forma, se induce en la fibra el proceso de dispersión Brillouin estimulado (SBS) y, analizando la intensidad de la radiación recibida tras este proceso, se pueden deducir las condiciones de temperatura o elongación en la fibra. Además, propone la utilización de señales pulsadas a fin de realizar un sensado distribuido y poder conocer estas condiciones en cualquier punto a lo largo de la fibra.Within sensing systems, they are known distributed sensing systems based on scattering Brillouin in optical fibers, as proposed in the patent British GB2289331: This technique proposes fiber injection of two radiations against propagators, separated in frequency a value equivalent to \ nu_ {B} for said fiber. In this way, it induces the stimulated Brillouin dispersion process in the fiber (SBS) and, analyzing the intensity of the radiation received after this process, temperature conditions can be deduced or elongation in the fiber. In addition, it proposes the use of signals pulsed in order to perform a distributed sensing and to know these conditions at any point along the fiber.

La solicitud de patente internacional WO03/078932 A1 presenta otra técnica basada en el análisis espectral de la luz dispersada por dispersión Brillouin en una fibra. Esta técnica propone la utilización de una fibra troncal de la cual salen varias fibras sensoras hacia los diferentes sectores de la estructura que se quiere monitorizar. La dispersión Brillouin es conducida hacia atrás por la propia fibra y llevada al detector a través de la fibra troncal. También propone la utilización de pulsos de diferentes anchuras para realizar análisis con mayor o menor resolución, todo ello en el dominio óptico. Asimismo, se sugiere la utilización de una fibra no sometida a tensión para compensar el efecto de la temperatura.The international patent application WO03 / 078932 A1 presents another technique based on spectral analysis of light scattered by Brillouin dispersion in a fiber. This technique proposes the use of a trunk fiber from which they leave several sensor fibers towards the different sectors of the structure that you want to monitor. The Brillouin dispersion is driven back by the fiber itself and taken to the detector to through the trunk fiber. It also proposes the use of pulses of different widths to perform analysis with greater or lesser resolution, all in the optical domain. Likewise, the use of a non-tensioned fiber to compensate for temperature effect.

Otro sensor basado en dispersión Brillouin espontáneo es el proporcionado por la patente estadounidense
US7283216 B1. Este sensor incorpora un láser en anillo de efecto Brillouin como oscilador local en la detección heterodina. La fibra sensora no forma parte de la cavidad resonante, que tiene una longitud de 10-20 m. La señal láser generada en dicha cavidad es utilizada bien como bombeo para generar el scattering Brillouin en la fibra sensora, o bien como referencia para el batido con la señal proveniente de la fibra sensora. Así, la detección heterodina puede realizarse a baja frecuencia (100-500 MHz), lo que permite utilizar detectores con menor ancho de banda y mayor sensibilidad así como la posibilidad de procesar los datos en tiempo real con la tecnología disponible
comercialmente.
Another sensor based on spontaneous Brillouin dispersion is that provided by US Pat.
US7283216 B1. This sensor incorporates a Brillouin ring laser as a local oscillator in heterodyne detection. The sensor fiber is not part of the resonant cavity, which is 10-20 m long. The laser signal generated in said cavity is used either as a pump to generate the Brillouin scattering in the sensor fiber, or as a reference for the beating with the signal coming from the sensor fiber. Thus, heterodyne detection can be performed at a low frequency (100-500 MHz), which allows detectors with lower bandwidth and greater sensitivity to be used, as well as the ability to process data in real time with the available technology.
commercially

La solicitud de patente estadounidense US2008/0068586 A1 describe un sistema de sensado basado en SBS que no necesita un ajuste manual de la intensidad de la luz inyectada en la fibra, con una precisión en la medida de elongación de hasta 200 \mu\varepsilon.The US patent application US2008 / 0068586 A1 describes an SBS based sensing system that you don't need a manual adjustment of the intensity of the light injected into the fiber, with an elongation measurement accuracy of up to 200 \ mu \ varepsilon.

Por otra parte, los láseres en anillo por efecto Brillouin han sido muy desarrollados en los últimos años y ofrecen unas líneas de emisión muy estrechas, lo que es beneficioso en determinadas aplicaciones. La patente estadounidense US7272160 B1 propone una técnica para generar un láser en anillo de efecto Brillouin con un control electrónico de estabilidad, una cavidad de 10-40 m de longitud y una anchura de línea por debajo de los 200 Hz.On the other hand, ring lasers by effect Brillouin have been very developed in recent years and offer very narrow emission lines, which is beneficial in Certain applications U.S. Patent US7272160 B1 proposes a technique to generate an effect ring laser Brillouin with an electronic stability control, a cavity of 10-40 m long and one line width per below 200 Hz.

Carlos Galíndez et al. describen en Temperature sensing in multiple zones based on Brillouin fiber ring laser, Journal of Physics: Conference Series 178 (2009) 012017, un sistema para el sensado de un único parámetro -en este caso la temperatura-, en múltiples zonas basado en un láser Brillouin. El sistema de sensado se basa en un transductor de fibra óptica, donde usando tramos de fibra óptica de características diferentes se representan zonas diferentes en las que se permite realizar la medida. La presencia de una sola fibra en cada zona permite determinar un único parámetro (elongación o temperatura) en esa zona.Carlos Galíndez et al . describe in Temperature sensing in multiple zones based on Brillouin fiber ring laser , Journal of Physics: Conference Series 178 (2009) 012017, a system for sensing a single parameter - in this case the temperature - in multiple zones based on a laser Brillouin The sensing system is based on a fiber optic transducer, where using different fiber sections of different characteristics different areas are represented in which the measurement is allowed. The presence of a single fiber in each zone allows to determine a single parameter (elongation or temperature) in that zone.

Por otra parte, O. Fraz\tilde{a}o et al. describen en Brillouin fibre laser discrete sensor for simultaneous strain and temperature measurement, Applied Physics B, Lasers and Optics 86, pages 555-558 (2007), un sensor de tensión y temperatura que consiste en una cavidad Fabry-Pérot con 20 m de fibra óptica entre dos redes de Bragg (Fiber Bragg Grating FBG).On the other hand, O. Fraz \ tilde {a} or et al . describe in Brillouin fiber laser discrete sensor for simultaneous strain and temperature measurement , Applied Physics B, Lasers and Optics 86, pages 555-558 (2007), a tension and temperature sensor consisting of a Fabry-Perot cavity with 20 m of fiber optics between two Bragg networks ( Fiber Bragg Grating FBG).

Este sensor presenta algunos inconvenientes, como la necesidad de usar dos redes de Bragg, que son dispositivos sensibles a otros parámetros, lo que complica la implementación del sensor, reduciendo la exactitud de la medida. Además, el sensor de Fraz\tilde{a}o requiere que la longitud de la fibra óptica sea fija.This sensor has some drawbacks, such as the need to use two Bragg networks, which are devices sensitive to other parameters, which complicates the implementation of sensor, reducing measurement accuracy. In addition, the sensor Fraz \ tilde {a} or requires the length of the optical fiber to be fixed.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Resumen de la invenciónSummary of the Invention

La presente invención trata de resolver los problemas mencionados anteriormente mediante un sistema sensor para medir la temperatura y la elongación de forma integral entre dos puntos.The present invention seeks to solve the problems mentioned above through a sensor system to measure temperature and elongation integrally between two points.

Concretamente, en un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un sensor óptico para medir temperatura y elongación en una estructura, que comprende: una fuente óptica configurada para emitir una señal óptica de bombeo; al menos un transductor óptico que comprende una primera guía de onda y una segunda guía de onda conectadas en serie; y un dispositivo óptico de entrada/salida configurado para permitir el paso de la señal óptica de bombeo hacia dicho transductor óptico y para permitir el paso de una señal óptica contra-propagante desde dicho transductor óptico hacia un acoplador óptico. La primera guía de onda del transductor óptico está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin y la segunda guía de onda del transductor óptico está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin diferente de la anterior. El al menos un transductor óptico, el dispositivo óptico de entrada/salida y el acoplador óptico forman una cavidad resonante en anillo, de forma que cuando la señal óptica de bombeo es inyectada en el transductor, se genera en cada una de las guías de onda que forman el transductor un efecto Brillouin que provoca una señal óptica centrada a una frecuencia Brillouin respectiva. El acoplador óptico es capaz de reinyectar en la cavidad óptica en anillo, a través del dispositivo óptico de entrada/salida, las señales ópticas centradas a las frecuencias Brillouin respectivas. La medida de estas dos frecuencias permite discriminar los dos parámetros, elongación y temperatura de la
estructura.
Specifically, in a first aspect of the present invention, an optical sensor for measuring temperature and elongation in a structure is provided, comprising: an optical source configured to emit an optical pumping signal; at least one optical transducer comprising a first waveguide and a second waveguide connected in series; and an optical input / output device configured to allow the passage of the optical pumping signal to said optical transducer and to allow the passage of a counter-propagating optical signal from said optical transducer to an optical coupler. The first waveguide of the optical transducer is configured to offer a spectral response to a given Brillouin frequency and the second waveguide of the optical transducer is configured to deliver a spectral response to a given Brillouin frequency different from the previous one. The at least one optical transducer, the optical input / output device and the optical coupler form a ring resonant cavity, so that when the optical pump signal is injected into the transducer, it is generated in each of the waveguides The transducer forms a Brillouin effect that causes an optical signal centered at a respective Brillouin frequency. The optical coupler is able to reinject into the optical ring cavity, through the optical input / output device, the optical signals centered at the respective Brillouin frequencies. The measurement of these two frequencies allows to discriminate the two parameters, elongation and temperature of the
structure.

Preferentemente, el sensor comprende además: medios para combinar la señal óptica de bombeo y las señales ópticas centradas a las frecuencias Brillouin; un fotodetector para convertir las señales ópticas en señales eléctricas; y medios para procesar las señales eléctricas y determinar, a partir del desplazamiento en frecuencia entre dichas señales, la temperatura y elongación a la que se somete al menos una de las guías de onda.Preferably, the sensor further comprises: means for combining the optical pumping signal and the optical signals centered at Brillouin frequencies; a photodetector for convert optical signals into electrical signals; and means for process the electrical signals and determine, from frequency shift between these signals, temperature and elongation to which at least one of the waveguides is subjected.

Preferentemente, el sensor comprende además un amplificador óptico localizado entre la fuente óptica y el dispositivo óptico de entrada/salida para amplificar dicha señal óptica de bombeo.Preferably, the sensor further comprises a optical amplifier located between the optical source and the optical input / output device to amplify said signal pumping optics

Preferentemente, el sensor comprende además medios para aislar ópticamente la fuente óptica.Preferably, the sensor further comprises means for optically isolating the optical source.

Preferentemente, el dispositivo óptico de entrada/salida es un circulador óptico.Preferably, the optical device of input / output is an optical circulator.

Preferentemente, el transductor comprende al menos un controlador de polarización para regular la polarización de la luz que entra al transductor.Preferably, the transducer comprises the minus a polarization controller to regulate polarization of the light entering the transducer.

Preferentemente, cada guía de onda del transductor se encuentra fija a una estructura en dos puntos de anclaje separados una determinada distancia, a lo largo de la cual se puede medir la temperatura y elongación.Preferably, each waveguide of the transducer is fixed to a structure at two points of anchor separated a certain distance, along which The temperature and elongation can be measured.

En una posible realización, una de las dos guías de onda se encuentra ligeramente tensionada entre los dos puntos de anclaje y la otra guía de onda es más larga que dicha distancia, con el fin de que sólo sea afectada por la temperatura, manteniéndose insensible a la elongación. En otra posible realización, las dos guías de onda se encuentran tensionadas entre los dos puntos de anclaje.In a possible embodiment, one of the two guides wave is slightly tensioned between the two points of anchor and the other waveguide is longer than that distance, with so that it is only affected by the temperature, staying insensitive to elongation. In another possible embodiment, the two waveguides are tensioned between the two points of anchorage.

En una posible realización, el sensor comprende una pluralidad de transductores conectados en serie.In a possible embodiment, the sensor comprises a plurality of transducers connected in series.

En otra posible realización, el sensor comprende: una pluralidad de cavidades resonantes en anillo, cada una de ellas formadas por un transductor óptico, un dispositivo óptico de entrada/salida y un acoplador óptico; y medios para dividir la señal óptica de bombeo generada por la fuente óptica e inyectar en cada cavidad resonante en anillo una parte de dicha señal óptica dividida.In another possible embodiment, the sensor it comprises: a plurality of ring resonant cavities, each one of them formed by an optical transducer, a device optical input / output and an optical coupler; and means for split the optical pump signal generated by the optical source e inject into each ring resonant cavity a part of said split optical signal

Opcionalmente, el al menos un transductor comprende una cubierta protectora.Optionally, the at least one transducer It comprises a protective cover.

Preferentemente, las guías de onda que forman el al menos un transductor son fibras ópticas.Preferably, the waveguides that form the At least one transducer is optical fibers.

En otro aspecto de la invención, se proporciona un método de sensado de temperatura y/o elongación, que comprende: generar una señal óptica de bombeo mediante una fuente óptica; inyectar la señal óptica en un transductor óptico a través de un dispositivo óptico de entrada/salida, donde el transductor comprende una primera guía de onda y una segunda guía de onda conectadas en serie, donde la primera guía de onda está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin y la segunda guía de onda está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin diferente de la anterior; generar de forma espontánea un efecto Brillouin estimulado en el transductor, formando una señal óptica centrada a una frecuencia Brillouin en cada una de las guías de onda que forman el transductor; reinyectar a través de un acoplador óptico las señales ópticas centradas a sendas frecuencias Brillouin en una cavidad óptica en anillo formada por el transductor, el dispositivo óptico de entrada/salida y el propio acoplador óptico, obteniendo una señal óptica retrodispersada; extraer dicha señal óptica retrodispersada de la cavidad resonante en anillo; mezclar la señal óptica retrodispersada con la señal óptica de bombeo; convertir al dominio eléctrico la señal resultante; calcular la temperatura y/o elongación entre dos puntos a los que se haya conectado el transductor a partir de los parámetros Brillouin de las señales
detectadas.
In another aspect of the invention, a method of sensing temperature and / or elongation is provided, comprising: generating an optical pump signal by an optical source; injecting the optical signal into an optical transducer through an optical input / output device, where the transducer comprises a first waveguide and a second waveguide connected in series, where the first waveguide is configured to provide a response spectral at a given Brillouin frequency and the second waveguide is configured to offer a spectral response to a given Brillouin frequency different from the previous one; spontaneously generate a stimulated Brillouin effect on the transducer, forming an optical signal centered at a Brillouin frequency in each of the waveguides that form the transducer; reinject through an optical coupler the optical signals centered at two Brillouin frequencies into an optical ring cavity formed by the transducer, the optical input / output device and the optical coupler itself, obtaining a backscattered optical signal; extracting said backscattered optical signal from the ring resonant cavity; mix the backscattered optical signal with the optical pump signal; convert the resulting signal to the electrical domain; calculate the temperature and / or elongation between two points to which the transducer has been connected from the Brillouin parameters of the signals
detected.

Las ventajas de la invención se harán evidentes en la descripción siguiente.The advantages of the invention will become apparent. in the following description.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, y para complementar esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma, un juego de dibujos, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo. En estos dibujos:In order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to an example preferred practical implementation thereof, and to complement This description is accompanied as an integral part of it, a game of drawings, whose character is illustrative and not limiting. In these drawings:

La figura 1 muestra un esquema básico del sistema sensor propuesto de acuerdo con una realización de la invención.Figure 1 shows a basic scheme of proposed sensor system according to an embodiment of the invention.

La figura 2 muestra la estructura del transductor óptico de acuerdo con una realización de la invención.Figure 2 shows the structure of the optical transducer according to an embodiment of the invention.

La figura 3 muestra un esquema de un sistema sensor muti-transductor de acuerdo con una realización de la invención.Figure 3 shows a scheme of a system muti-transducer sensor according to a embodiment of the invention.

La figura 4 muestra un esquema de las tres partes de un sistema sensor multitransductor con N transductores colocados en paralelo de acuerdo con una realización de la invención.Figure 4 shows an outline of the three parts of a multitransducer sensor system with N transducers placed in parallel according to an embodiment of the invention.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

A continuación se describe un sistema sensor activo bi-paramétrico capaz de medir de forma integral en tiempo real la temperatura y la elongación total entre dos puntos situados a lo largo de una estructura, independientemente de la distancia. Como se explica más adelante, entre dichos puntos se sitúan convenientemente guías de onda ópticas en las que se genera dispersión Brillouin. El sensor se basa en la dependencia de efecto de dispersión Brillouin con los parámetros a medir y con las propiedades físicas de las guías ópticas. Este efecto (efecto de dispersión Brillouin) es estimulado y amplificado usando una cavidad resonante en anillo, de la que forman parte las citadas guías (que pueden ser, por ejemplo, fibras ópticas). Las guías de onda son la base de un transductor óptico, que se detalla más
adelante.
The following describes a bi-parametric active sensor system capable of comprehensively measuring in real time the temperature and total elongation between two points along a structure, regardless of distance. As explained below, between these points are conveniently located optical waveguides in which Brillouin dispersion is generated. The sensor is based on the dependence of Brillouin dispersion effect with the parameters to be measured and with the physical properties of the optical guides. This effect (Brillouin dispersion effect) is stimulated and amplified using a ring resonant cavity, of which the aforementioned guides are part (which can be, for example, optical fibers). Waveguides are the basis of an optical transducer, which is detailed more
ahead.

Cuando una radiación óptica (de bombeo) que se propaga por una guía de onda específica supera un umbral, se puede producir dispersión (scattering no lineal) de Brillouin; así pues se genera una onda contra-propagante cuya frecuencia está desplazada un valor denominado frecuencia de Brillouin (\nu_{B}, valor central del espectro de ganancia de Brillouin). Es decir, la señal contra-propagante está centrada en una frecuencia óptica diferente de la que la originó. Las características de la señal de dispersión Brillouin generada dependen de las propiedades del material que componen la guía de onda, tales como la densidad, la forma geométrica, la estructura física del material, entre otras. De igual manera la frecuencia de Brillouin también depende de las condiciones de temperatura y elongación (strain) a las que se someta la guía de onda. Si la guía de onda se incluye dentro de una cavidad resonante en forma de anillo, la interacción Brillouin es reforzada o estimulada por la misma luz dispersada espontáneamente por el material pudiéndose generar una señal Stokes más intensa y selectiva. Es decir, se obtiene una señal de Brillouin (SBS) cuyo ancho de banda (bandwidth) espectral de ganancia Brillouin (\Delta\nu_{B}) es muy estrecho (valores típicos cercanos a los 30 MHz, que sobre una longitud de onda de 1500 nm equivale aproximadamente a 0.05 pm). Esta selectividad en la señal de salida da lugar a grandes resoluciones en la medida de las variaciones de la frecuencia Brillouin, y por ende en las variaciones de temperatura y elongación a las que estén sometidas las guías de onda. La temperatura y la elongación a la que el transductor es sometido se determinan mediante la medida y un adecuado procesado de las radiaciones generadas, en concreto analizando el desplazamiento de la frecuencia Brillouin de cada fibra. Estas dos medidas permiten la correcta discriminación de ambos parámetros.When an optical (pumping) radiation that propagates through a specific waveguide exceeds a threshold, non-linear scattering of Brillouin can occur; thus a counter-propagating wave is generated whose frequency is shifted by a value called Brillouin frequency (\ nu_ {B}, central value of the Brillouin gain spectrum). That is, the anti-propagating signal is centered on a different optical frequency from the one that originated it. The characteristics of the generated Brillouin dispersion signal depend on the properties of the material that make up the waveguide, such as density, geometric shape, physical structure of the material, among others. Similarly, the frequency of Brillouin also depends on the temperature and elongation conditions ( strain ) to which the waveguide is subjected. If the waveguide is included within a ring-shaped resonant cavity, the Brillouin interaction is reinforced or stimulated by the same light spontaneously dispersed by the material and a more intense and selective Stokes signal can be generated. That is, a Brillouin (SBS) signal is obtained whose spectral bandwidth (Brillouin gain bandwidth) (\ Delta \ nu_ {B}) is very narrow (typical values close to 30 MHz, which over a wavelength 1500 nm equals approximately 0.05 pm). This selectivity in the output signal results in high resolutions in the measure of the variations of the Brillouin frequency, and therefore in the variations in temperature and elongation to which the waveguides are subjected. The temperature and elongation to which the transducer is subjected are determined by the measurement and proper processing of the generated radiations, specifically analyzing the displacement of the Brillouin frequency of each fiber. These two measures allow the correct discrimination of both parameters.

Las radiaciones se autorefuerzan al re-inyectarlas en la cavidad resonante en anillo formada por las citadas guías de forma contra-propagante a la señal de bombeo. Por lo tanto, la radiación contra-propagante se hace resonar emitiendo sendas radiaciones láser (láser Brillouin) muy estrechas cuyas bandas espectrales dependen de las propiedades de las guías, del bombeo, de la temperatura y de la elongación a las que son sometidas la citadas guías.Radiation is reinforced at re-inject them into the ring resonant cavity formed by the aforementioned guides anti-propagating the pumping signal. For the Thus, anti-propagating radiation is made resonate by emitting laser radiation (Brillouin laser) very narrow whose spectral bands depend on the properties of the guides, pumping, temperature and elongation at that the aforementioned guides are submitted.

La figura 1 muestra un esquema básico del sistema sensor propuesto. Se trata de un sensor bi-paramétrico e integral de guías de ondas que comprende una unidad opto-electrónica A, un canal B y uno o más transductores C. El esquema de la figura 1 representa un único transductor, referenciado como 6. Otras realizaciones incluyen varios
transductores.
Figure 1 shows a basic scheme of the proposed sensor system. It is a bi-parametric and integral waveguide sensor comprising an opto-electronic unit A, a channel B and one or more transducers C. The scheme of Figure 1 represents a single transducer, referenced as 6. Other embodiments include several
transducers

La unidad opto-electrónica A genera y procesa la radiación óptica para inducir el efecto Brillouin en el transductor o transductores 6, lo detecta, lo trata y lo mide. La unidad opto-electrónica A de la figura 1 comprende los siguientes elementos: una fuente óptica coherente 1, que se protege por un aislador óptico 2 ubicado a la salida de la fuente; un amplificador óptico 4; un dispositivo 10 que permite la entrada y la salida de las señales ópticas del/hacia el dispositivo transductor 6; y un sistema analizador 9 de la señal óptica 9. La unidad opto-electrónica A necesita además otros dispositivos ópticos 3 7 8 repartidores de señal óptica, que dividen o combinan la luz dependiendo de la función que se necesite dentro del sensor. Estos elementos 3 7 8 pueden realizarse mediante acopladores ópticos. Preferentemente, el dispositivo 10 se implementa mediante un girador o circulador óptico. Alternativamente, el dispositivo 10 puede implementarse mediante un acoplador óptico.The opto-electronic unit A generates and processes optical radiation to induce the effect Brillouin in transducer or transducers 6, detects it, treats it And measure it. The opto-electronic unit A in the figure 1 comprises the following elements: a coherent optical source 1, which is protected by an optical isolator 2 located at the exit of the source; an optical amplifier 4; a device 10 that allows the input and output of optical signals from / to the device transducer 6; and an analyzer system 9 of the optical signal 9. The opto-electronic unit A also needs others optical devices 3 7 8 optical signal distributors, which divide or combine the light depending on the function that is needed inside the sensor These elements 3 7 8 can be realized by optical couplers Preferably, the device 10 is implemented by a spinner or optical circulator. Alternatively, device 10 can be implemented by a optical coupler

La fuente óptica 1 debe elegirse de forma que:Optical source 1 must be chosen that:

i.i.
la señal de bombeo debe tener una densidad de energía suficiente para la generación del efecto Brillouin en las guías de onda del transductor 6.the pumping signal must have a density of enough energy to generate the Brillouin effect in the transducer waveguides 6.

ii.ii.
debe estar protegida de posibles retro-dispersiones que interfieran en la generación del efecto Brillouin y/o la dañen.must be protected from possible retro-dispersions that interfere with the generation of the Brillouin effect and / or damage it.

Además, el dispositivo óptico 10 debe permitir la entrada de las señales ópticas al dispositivo transductor 6 y recoger la señal de dispersión proveniente del dispositivo transductor 6.In addition, the optical device 10 must allow the input of the optical signals to the transducer device 6 and collect the scatter signal from the device transducer 6.

El canal B está compuesto por tramos de guías de onda y conecta la unidad opto-electrónica con el o los transductores 6. Estas dos guías de onda se implementan de forma que no se presente el efecto Brillouin.Channel B is composed of sections of guides wave and connect the opto-electronic unit with the o the transducers 6. These two waveguides are implemented so that the Brillouin effect is not present.

La cavidad resonante A se crea mediante el dispositivo 10, el acoplador óptico 7 y el transductor 6. Como se ha dicho, el dispositivo 10 preferentemente se implementa mediante un circulador óptico 10. El circulador 10 direcciona las señales provenientes del acoplador 3 situado a la entrada del amplificador óptico 4 hacia el transductor 6 y las provenientes de este último hacia el acoplador 7.The resonant cavity A is created by the device 10, optical coupler 7 and transducer 6. As has been said, the device 10 is preferably implemented by a optical circulator 10. Circulator 10 directs the signals from the coupler 3 located at the input of the amplifier optical 4 towards transducer 6 and those coming from the latter towards the coupler 7.

La figura 2 muestra una implementación preferente del transductor óptico 6. El transductor 6 está formado por dos tramos de guías de onda 14 15 de diferentes características físicas (tales como, por ejemplo, dopado, perfil de índice, etc.), con el fin de obtener diferentes respuestas espectrales con diferentes frecuencias de Brillouin (\nu_{B1}, \nu_{B2}).Figure 2 shows an implementation preferred of the optical transducer 6. The transducer 6 is formed by two sections of waveguides 14 15 of different characteristics physical (such as, for example, doping, index profile, etc.), in order to obtain different spectral responses with different frequencies of Brillouin (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}).

Las guías de onda son preferentemente fibras ópticas. Más preferentemente, se implementa con dos fibras monomodo de diferentes características. También preferentemente, el transductor 6 comprende además uno o varios dispositivos controladores de polarización 5 para regular la polarización óptica de las señales que entran a la cavidad de anillo. Los controladores de polarización 5 sirven para optimizar la interacción entre las dos señales ópticas contra-propagantes en las dos guías de onda.The waveguides are preferably fibers Optical More preferably, it is implemented with two single mode fibers of different characteristics. Also preferably, the transducer 6 further comprises one or more devices 5 polarization controllers to regulate optical polarization of the signals entering the ring cavity. Controllers of polarization 5 serve to optimize the interaction between the two anti-propagating optical signals in the two guides cool.

La relación señal a ruido de los dos tramos de guías de onda 14 15 es mejorada si forman parte de una cavidad en anillo gracias a la amplificación. En otras palabras, la cavidad se usa para generar la dispersión estimulada de Brillouin y dicha dispersión es empleada como elemento de amplificación y filtrado óptico muy selectivo.The signal to noise ratio of the two sections of waveguides 14 15 is improved if they are part of a cavity in ring thanks to amplification. In other words, the cavity is used to generate the stimulated dispersion of Brillouin and said dispersion is used as an amplification and filtering element Very selective optical.

En el transductor 6 se originan tantas señales por efecto Brillouin (a diferentes frecuencias Brillouin \nu_{B1}, \nu_{B2}) como guías diferentes (14, 15) se hayan utilizado. Simultáneamente, todas las líneas de radiación generadas (\nu_{B1}, \nu_{B2}) en el transductor 6 (señales por efecto Brillouin) se mezclan (en el elemento acoplador 8) con una muestra de la radiación luminosa del láser de bombeo 1 (figura 1), las cuales son detectadas en tiempo real. Las líneas de emisión en frecuencias ópticas son trasladadas a frecuencias eléctricas (fotodetector 11 de la figura 1) determinando en tiempo real sus valores mediante un analizador de espectros eléctricos, frecuencímetros o equipos similares 9. Mediante métodos algorítmicos de procesado, que no forman parte de la presente invención, se determinan en tiempo real la elongación y la temperatura a la que se somete cada una de las guías de cada conjunto transductor, así como de otras variables que puedan derivarse de la elongación ("strain") y/o de la temperatura.In transducer 6, so many signals originate by Brillouin effect (at different Brillouin frequencies \ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) as different guides (14, 15) have been used. Simultaneously, all radiation lines generated (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) in transducer 6 (signals per effect Brillouin) are mixed (in the coupling element 8) with a sample of the light radiation of the pumping laser 1 (figure 1), the which are detected in real time. The emission lines in optical frequencies are transferred to electrical frequencies (photodetector 11 of figure 1) determining in real time their values using an electric spectrum analyzer, frequency meters or similar equipment 9. By algorithmic methods of processing, which are not part of the present invention, are determine in real time the elongation and the temperature at which submit each of the guides of each transducer assembly, as well as of other variables that may derive from elongation ("strain") and / or temperature.

Como se ha dicho, las guías de onda 14 15 se implementan preferentemente mediante fibras ópticas. Consecuencia de las propiedades del SBS en fibras ópticas, las diferentes líneas emitidas por cada fibra de los transductores son muy selectivas, lo que contribuye a mejorar la resolución y precisión en la medida del desplazamiento en frecuencia y consecuentemente en la resolución y precisión de la temperatura y/o de la elongación.As stated, waveguides 14 15 are preferably implemented by optical fibers. Consequence of the properties of SBS in optical fibers, the different lines emitted by each fiber of the transducers are very selective, what which contributes to improve resolution and accuracy to the extent of frequency shift and consequently in resolution and temperature accuracy and / or elongation.

Una forma de implementación se propone utilizando un dispositivo transductor que comprende dos guías de onda 14 15, por ejemplo fibras ópticas. Las guías 14 15 se sitúan entre los puntos cuya elongación o "strain" se desea medir, pudiendo estar o bien integrada en la estructura o bien pre-tensionada entre los dos extremos separados una distancia L por medio de un elemento de anclaje 13. Las guías se fijan a la estructura en dos puntos que coinciden con el punto de comienzo de la primera fibra y el punto final de la segunda fibra y viceversa. Con esta configuración se habilita la medida tanto de la temperatura como de la elongación a las que son sometidas las unidades transductoras, como la esquematizada en la figura 2. Las guías 14 15 responden a la elongación y la temperatura entre los elementos de anclaje 13 puesto que la frecuencia de la línea de emisión por efecto Brillouin (señales por efecto Brillouin) en ellas depende de estos factores. La correcta caracterización de las guías 14 15 en temperatura y elongación y el correcto procesado de las líneas de emisión por efecto Brillouin mediante matrices de datos cruzados permite la discriminación de la temperatura y de la elongación en el transductor. Una muestra de la señal óptica con la que se ha generado el efecto Brillouin puede ser usada como oscilador local para batirse con las señales Stokes (o líneas de emisión por efecto Brillouin) provenientes del transductor. Esto se refleja en la figura 1 ya que la línea que une 3 y 8 es la vía por la que se lleva esta muestra hasta 8 donde tiene lugar el batido, o mezcla, con las líneas de emisión por efecto Brillouin provenientes del transductor 6.A form of implementation is proposed using a transducer device comprising two guides of wave 14 15, for example optical fibers. The guides 14 15 are located between the points whose elongation or "strain" is to be measured, being able to be either integrated in the structure or pre-tensioned between the two separate ends a distance L by means of an anchoring element 13. The guides are fix the structure at two points that coincide with the point of beginning of the first fiber and the end point of the second fiber and vice versa. With this configuration the measurement of both the temperature as of the elongation to which the transducer units, such as the one outlined in Figure 2. The guides 14 15 respond to elongation and temperature between anchoring elements 13 since the frequency of the line of emission by Brillouin effect (signals by Brillouin effect) in them It depends on these factors. The correct characterization of the guides 14 15 in temperature and elongation and the correct processing of the emission lines by Brillouin effect through data matrices crossed allows discrimination of temperature and elongation in the transducer. A sample of the optical signal with the that the Brillouin effect has been generated can be used as local oscillator to beat with Stokes signals (or lines of emission by Brillouin effect) from the transducer. This is reflected in figure 1 since the line that joins 3 and 8 is the path by the one that takes this sample up to 8 where the milkshake takes place, or mixing, with the emission lines by Brillouin effect coming of the transducer 6.

En una implementación concreta del transductor implementado en fibra óptica, que debe considerarse ilustrativa y no limitativa, una de las fibras ópticas se encuentra laxa para discriminar el efecto de la temperatura, mientras que la otra fibra esta tensada para proporcionar información de la elongación, como es el caso en la figura 2. Alternativamente, puesto que las dos fibras tienen características físicas diferentes, se puede utilizar una disposición en la que ambas fibras estén tensadas. En este caso, en ambas guías de onda se puede medir tanto temperatura como elongación (strain). En el ejemplo de la figura 2, las fibras están conectadas ópticamente en serie y se encuentran ancladas entre dos puntos separados una distancia L, que se corresponde con la longitud del transductor.In a specific implementation of the transducer implemented in optical fiber, which should be considered illustrative and not limiting, one of the optical fibers is lax to discriminate the effect of temperature, while the other fiber is tensioned to provide elongation information, such as This is the case in Figure 2. Alternatively, since the two fibers have different physical characteristics, an arrangement can be used in which both fibers are tensioned. In this case, both temperature and elongation ( strain ) can be measured in both waveguides. In the example of Figure 2, the fibers are optically connected in series and are anchored between two separate points a distance L, which corresponds to the length of the transducer.

El transductor puede, opcionalmente, incorporar una cubierta de protección 16, que puede ser rígida o flexible, a fin de detectar tanto elongaciones como curvaturas en la estructura.The transducer can optionally incorporate a protective cover 16, which can be rigid or flexible, to in order to detect both elongations and curvatures in the structure.

El transductor de la figura 2 tiene las siguientes características:The transducer of Figure 2 has the following features:

i.i.
comprende dos fibras conectadas ópticamente en serie, las cuales forman parte de una cavidad resonante (en anillo en este caso).comprises two fibers optically connected in series, which are part of a resonant cavity (ring in this case).

ii.ii.
Las guías de onda ópticas 14 15 debe tener las longitudes adecuadas para la generación del efecto Brillouin (\nu_{B1}, \nu_{B2}) suficiente en función de las potencias de bombeo que las interrogue.The optical waveguides 14 15 should have the lengths suitable for generating the Brillouin effect (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) sufficient depending on the powers Pumping to interrogate them.

iii.iii.
La longitud de la guía de onda óptica no necesariamente debe ser igual para las dos guías de onda (ej. Fibras) 14 15 que constituyen el transductor.The length of the optical waveguide does not it must necessarily be the same for both waveguides (ex. Fibers) 14 15 that constitute the transducer.

iv.iv.
Las guías de onda ópticas 14 15 deben estar conectadas ópticamente.The optical waveguides 14 15 must be optically connected

v.v.
La cubierta de protección 16 no debe aislar el transductor de cambios externos de temperatura ni de elongación de la fibra.The protective cover 16 must not insulate the transducer of external temperature changes or elongation of the fiber.

vi.saw.
La polarización del campo óptico que entra y sale del transductor debe ser controlada y maximizada con el fin de obtener un valor eficiente de ganancia de Brillouin, dado que este fenómeno es dependiente de la polarización.The polarization of the optical field that enters and leaves of the transducer must be controlled and maximized in order to obtain an efficient gain value from Brillouin, since this phenomenon is dependent on polarization.

A continuación se proporciona un ejemplo concreto de implementación del dispositivo sensor en tecnología de fibra óptica, de acuerdo con el esquema de la figura 1. Este ejemplo debe considerarse ilustrativo y no limitativo. La fuente óptica 1 es un láser que genera la señal para el bombeo y el oscilador local usando el acoplador 3. La luz que se inyecta en la cavidad es previamente amplificada usando un amplificador óptico 4, que en este ejemplo es un EDFA. La señal entra en la cavidad a través de un circulador óptico 10, el cual sirve a su vez para extraer la señal de dispersión Brillouin generada espontáneamente (a las frecuencias \nu_{B1}, \nu_{B2}) y reinyectada por el extremo opuesto de la fibra, con lo que se cierra el anillo de fibra (cavidad en anillo). Con los controladores de polarización 5 del transductor (ver figura 2) se regula la polarización de la luz con el fin de maximizar el efecto Brillouin. El 1% de la señal de Stokes se extrae de la cavidad usando un acoplador 7 (pude ser de relación de acoplo, RA, 99:1 aunque otras relaciones de acoplo son posibles) la cual es batida con una muestra de la señal láser inicial usando un acoplador 8 (puede ser de RA 50:50 aunque otras relaciones de acoplo son posibles). Esta señal óptica es convertida en una señal eléctrica usando un fotodetector 11 y puede ser medida 9, por ejemplo, mediante un analizador de espectros eléctricos (AEE) o medidor de la frecuencia en el dominio eléctrico. La detección y análisis de la señal retrodispersada puede efectuarse mediante heterodinaje o mediante homodinaje.An example is provided below. concrete implementation of the sensor device in technology fiber optic, according to the scheme in figure 1. This example It should be considered illustrative and not limiting. The optical source 1 is a laser that generates the signal for pumping and the local oscillator using coupler 3. The light that is injected into the cavity is previously amplified using an optical amplifier 4, which in this Example is an EDFA. The signal enters the cavity through a optical circulator 10, which in turn serves to extract the signal of spontaneously generated Brillouin dispersion (at frequencies \ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) and reinjected by the opposite end of the fiber, thereby closing the fiber ring (cavity in ring). With transducer polarization controllers 5 (see figure 2) the polarization of the light is regulated in order to Maximize the Brillouin effect. 1% of Stokes signal is extracted of the cavity using a coupler 7 (I could be of coupling ratio, RA, 99: 1 although other coupling ratios are possible) which is whipped with a sample of the initial laser signal using a coupler 8 (may be RA 50:50 although other coupling relationships are possible). This optical signal is converted into an electrical signal using a photodetector 11 and can be measured 9, for example, by means of an analyzer of electrical spectra (AEE) or meter of the frequency in the electrical domain. The detection and analysis of the backscattered signal can be made by heterodining or through homodinaje.

La figura 3 muestra una posible implementación de un sistema sensor multi-transductor con una unidad opto-electrónica A, un canal B y una pluralidad de N transductores C. Los N transductores 6.1 6.2 ... 6.N están conectados ópticamente en serie y son interrogados simultáneamente mediante una única unidad opto-electrónica A realizada con un único láser 1.Figure 3 shows a possible implementation of a multi-transducer sensor system with a opto-electronic unit A, one channel B and one plurality of N transducers C. The N transducers 6.1 6.2 ... 6.N they are optically connected in series and are interrogated simultaneously through a single unit opto-electronics A made with a single laser one.

La figura 4 muestra otra posible implementación de un sistema sensor multitransductor con N transductores 6.1 6.2 ... 6.N colocados en paralelo, formando N cavidades y N susbsistemas de demodulación y utilizando la señal proveniente de un único láser 1. El elemento 12 se encarga de dividir la salida del láser en N señales ópticas idénticas. El elemento 12 es, por tanto, un acoplador o divisor óptico.Figure 4 shows another possible implementation of a multitransducer sensor system with N transducers 6.1 6.2 ... 6.N placed in parallel, forming N cavities and N its subsystems demodulation and using the signal from a single laser 1. Element 12 is responsible for dividing the laser output into N identical optical signals. Element 12 is therefore a coupler or optical splitter.

Los ejemplos de las figuras 3 y 4 permiten, usando la misma fuente óptica, obtener 2N señales para medir la temperatura y/o la elongación en N tramos de una estructura.The examples in Figures 3 and 4 allow, Using the same optical source, get 2N signals to measure the temperature and / or elongation in N sections of a structure.

El dispositivo sensor descrito puede ser implementado con tecnología de fibra óptica y usarse para la monitorización en tiempo real de una gran diversidad de estructuras. El sensor, sencillo de implementar, es capaz de medir en tiempo real variaciones de la temperatura integral y de la elongación total entre dos puntos. La distancia de separación entre los puntos puede estar en un rango que comprende las decenas de metros y las decenas de kilómetros; por lo tanto el espectro de estructuras en las que se puede implementar es muy variado.The described sensor device can be implemented with fiber optic technology and used for Real-time monitoring of a wide variety of structures. The sensor, simple to implement, is able to measure in real time variations in integral temperature and total elongation between two points The separation distance between the points can be in a range that includes tens of meters and tens of kilometers; therefore the spectrum of structures in which it You can implement it is very varied.

La invención es aplicable, entre otros dominios, al de las estructuras típicas de la ingeniería, obra civil y construcción, así como en cualquier otro dominio donde se requiera monitorizar en tiempo real la elongación o la temperatura de una estructura dada. Además, las medidas de elongación y temperatura pueden servir para determinar otras variables de forma indirecta, como la tensión mecánica. Los transductores y canales ópticos pueden estar tanto embebidos como situados de manera adecuada en la superficie de la estructura a monitorizar.The invention is applicable, among other domains, to the typical structures of engineering, civil works and construction, as well as in any other domain where required monitor in real time the elongation or temperature of a given structure. In addition, elongation and temperature measurements they can be used to determine other variables indirectly, Like mechanical tension. Transducers and optical channels can be both embedded and properly located in the surface of the structure to be monitored.

Claims (14)

1. Un sensor óptico para medir temperatura y elongación en una estructura, que comprende:1. An optical sensor to measure temperature and elongation in a structure, comprising: - una fuente óptica (1) configurada para emitir una señal óptica de bombeo;- an optical source (1) configured to emit an optical pumping signal; - al menos un transductor óptico (6) que comprende una primera guía de onda (14) y una segunda guía de onda (15) conectadas en serie;- at least one optical transducer (6) that comprises a first waveguide (14) and a second waveguide (15) connected in series; - un dispositivo óptico de entrada/salida (10) configurado para permitir el paso de la señal óptica de bombeo hacia dicho transductor óptico (6) y para permitir el paso de una señal óptica contra-propagante desde dicho transductor óptico (6) hacia un acoplador óptico (7);- an optical input / output device (10) configured to allow the passage of the pumping optical signal towards said optical transducer (6) and to allow the passage of a signal anti-propagating optics from said transducer optical (6) towards an optical coupler (7); donde el sensor óptico está caracterizado por que la primera guía de onda (14) del transductor óptico (6) está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin (\nu_{B1}) y la segunda guía de onda (15) del transductor óptico (6) está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin (\nu_{B2}) diferente de la anterior, y donde dicho al menos un transductor óptico (6), dicho dispositivo óptico de entrada/salida (10) y dicho acoplador óptico (7) forman una cavidad resonante en anillo, de forma que cuando dicha señal óptica de bombeo es inyectada en el transductor (6), se genera en cada una de las guías de onda (14, 15) que forman el transductor (6) un efecto Brillouin que provoca una señal óptica centrada a una frecuencia Brillouin respectiva (\nu_{B1}, \nu_{B2}), y donde dicho acoplador óptico (7) es capaz de reinyectar en la cavidad óptica en anillo, a través del dispositivo óptico de entrada/salida (10), dichas señales ópticas centradas a dichas frecuencias Brillouin respectivas (\nu_{B1}, \nu_{B2}), permitiendo la medida de estas dos frecuencias (\nu_{B1}, \nu_{B2}) discriminar los dos parámetros, elongación y temperatura, de dicha estructura.where the optical sensor is characterized in that the first waveguide (14) of the optical transducer (6) is configured to offer a spectral response to a certain Brillouin frequency (nu B1) and the second waveguide (15) of the optical transducer (6) is configured to offer a spectral response to a certain Brillouin frequency (nu B2) different from the previous one, and where said at least one optical transducer (6), said optical input / output device ( 10) and said optical coupler (7) form a ring resonant cavity, so that when said optical pumping signal is injected into the transducer (6), it is generated in each of the waveguides (14, 15) that the transducer (6) forms a Brillouin effect that causes an optical signal centered at a respective Brillouin frequency (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}), and where said optical coupler (7) is able to reinject into the optical cavity in ring, through the optical input device gives / outputs (10), said optical signals centered at said respective Brillouin frequencies (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}), allowing the measurement of these two frequencies (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) discriminate the two parameters, elongation and temperature, of said structure. 2. El sensor de la reivindicación 1, que comprende además:2. The sensor of claim 1, which It also includes: - medios (3, 8) para combinar la señal óptica de bombeo y las señales ópticas centradas a las frecuencias Brillouin;- means (3, 8) for combining the optical signal of pumping and optical signals centered at frequencies Brillouin; - un fotodetector (11) para convertir dichas señales ópticas en señales eléctricas; y- a photodetector (11) to convert said optical signals in electrical signals; Y - medios (9) para procesar dichas señales eléctricas y determinar, a partir del desplazamiento en frecuencia entre dichas señales, la temperatura y elongación a la que se somete al menos una de dichas guías de onda (14, 15).- means (9) for processing said signals electrical and determine, from frequency offset between said signals, the temperature and elongation to which it is subjected at least one of said waveguides (14,15). 3. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende además un amplificador óptico localizado entre la fuente óptica (1) y el dispositivo óptico de entrada/salida (10) para amplificar dicha señal óptica de bombeo.3. The sensor of any of the claims 1 or 2, further comprising an optical amplifier located between the optical source (1) and the optical device of input / output (10) to amplify said optical signal of pumping. 4. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además medios (2) para aislar ópticamente dicha fuente óptica (1).4. The sensor of any of the previous claims, further comprising means (2) for optically isolate said optical source (1). 5. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho dispositivo óptico de entrada/salida (10) es un circulador óptico.5. The sensor of any of the previous claims, wherein said optical device of input / output (10) is an optical circulator. 6. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho transductor (6) comprende al menos un controlador de polarización (5) para regular la polarización de la luz que entra al transductor (6).6. The sensor of any of the previous claims, wherein said transducer (6) comprises at least one polarization controller (5) to regulate the polarization of the light entering the transducer (6). 7. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada guía de onda (14, 15) de dicho transductor (6) se encuentra fija a una estructura en dos puntos de anclaje (13) separados una determinada distancia (L), a lo largo de la cual se puede medir la temperatura y elongación.7. The sensor of any of the previous claims, wherein each waveguide (14, 15) of said transducer (6) is fixed to a structure in two anchor points (13) separated a certain distance (L), at along which the temperature and elongation can be measured. 8. El sensor de la reivindicación 7, donde una de las dos guías de onda (14) se encuentra ligeramente tensionada entre los dos puntos de anclaje (13) y donde la otra guía de onda (15) es más larga que dicha distancia (L), con el fin de que solo sea afectada por la temperatura, manteniéndose insensible a la elongación.8. The sensor of claim 7, wherein a of the two waveguides (14) is slightly tensioned between the two anchor points (13) and where the other waveguide (15) is longer than said distance (L), so that only is affected by the temperature, remaining insensitive to the elongation. 9. El sensor de la reivindicación 7, donde las dos guías de onda (14, 15) se encuentran tensionadas entre los dos puntos de anclaje (13).9. The sensor of claim 7, wherein the two waveguides (14, 15) are tensioned between the two anchor points (13). 10. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de transductores (6.1, 6.2,..., 6.N) conectados en serie.10. The sensor of any of the previous claims, comprising a plurality of transducers (6.1, 6.2, ..., 6.N) connected in series. 11. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que comprende:11. The sensor of any of the claims 1-9, comprising: - una pluralidad de cavidades resonantes en anillo, cada una de ellas formadas por un transductor óptico (6.1,
6.2, ..., 6.N), un dispositivo óptico de entrada/salida (10) y un acoplador óptico (7); y
- a plurality of ring resonant cavities, each formed by an optical transducer (6.1,
6.2, ..., 6.N), an optical input / output device (10) and an optical coupler (7); Y
- medios (12) para dividir la señal óptica de bombeo generada por la fuente óptica (1) e inyectar en cada cavidad resonante en anillo una parte de dicha señal óptica dividida.- means (12) for dividing the optical signal of pumping generated by the optical source (1) and inject into each cavity ring resonant a part of said split optical signal.
12. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho al menos un transductor (6) comprende una cubierta protectora (16).12. The sensor of any of the previous claims, wherein said at least one transducer (6) It comprises a protective cover (16). 13. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichas guías de onda (14, 15) que forman dicho al menos un transductor (6) son fibras ópticas.13. The sensor of any of the previous claims, wherein said waveguides (14, 15) forming said at least one transducer (6) are optical fibers. 14. Un método de sensado de temperatura y elongación, que comprende:14. A method of temperature sensing and elongation, which comprises: - generar una señal óptica de bombeo mediante una fuente óptica (1);- generate an optical pump signal by an optical source (1); - inyectar dicha señal óptica en un transductor óptico (6) a través de un dispositivo óptico de entrada/salida (10), donde dicho transductor (6) comprende una primera guía de onda (14) y una segunda guía de onda (15) conectadas en serie, donde la primera guía de onda (14) está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin (\nu_{B1}) y la segunda guía de onda (15) está configurada para ofrecer una respuesta espectral a una determinada frecuencia Brillouin (\nu_{B2}) diferente de la anterior;- injecting said optical signal into a transducer optical (6) through an optical input / output device (10), wherein said transducer (6) comprises a first waveguide (14) and a second waveguide (15) connected in series, where the first waveguide (14) is configured to offer a spectral response to a given Brillouin frequency (\ nu_ {B1}) and the second waveguide (15) is configured to offer a spectral response at a certain frequency Brillouin (\ nu_ {B2}) different from the previous one; - generar de forma espontánea un efecto Brillouin estimulado en dicho transductor (6), formando una señal óptica centrada a una frecuencia Brillouin (\nu_{B1}, \nu_{B2}) en cada una de las guías de onda (14, 15) que forman el transductor (6);- generate an effect spontaneously Brillouin stimulated in said transducer (6), forming a signal optics centered at a Brillouin frequency (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) in each of the waveguides (14, 15) that form the transducer (6); - reinyectar a través de un acoplador óptico (7) dichas señales ópticas centradas a sendas frecuencias Brillouin (\nu_{B1}, \nu_{B2}) en una cavidad óptica en anillo formada por el transductor (6), el dispositivo óptico de entrada/salida (10) y el propio acoplador óptico (7), obteniendo una señal óptica retrodispersada;- reinject through an optical coupler (7) said optical signals centered at two Brillouin frequencies (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) in an optical ring cavity formed by the transducer (6), the optical input / output device (10) and the optical coupler itself (7), obtaining an optical signal backscattered; - extraer dicha señal óptica retrodispersada de la cavidad resonante en anillo;- extracting said backscattered optical signal from the ring resonant cavity; - mezclar (8) dicha señal óptica retrodispersada con la señal óptica de bombeo;- mixing (8) said backscattered optical signal with the optical pumping signal; - convertir al dominio eléctrico (9) la señal resultante;- convert the signal to the electrical domain (9) resulting; - calcular la temperatura y elongación entre dos puntos a los que se haya conectado el transductor (6) a partir de las medidas de las dos frecuencias Brillouin (\nu_{B1}, \nu_{B2}) de las señales detectadas.- calculate the temperature and elongation between two points to which the transducer (6) has been connected from the measurements of the two Brillouin frequencies (\ nu_ {B1}, \ nu_ {B2}) of the detected signals.
ES201000609A 2010-05-07 2010-05-07 Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Pending ES2357388A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201000609A ES2357388A1 (en) 2010-05-07 2010-05-07 Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201000609A ES2357388A1 (en) 2010-05-07 2010-05-07 Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2357388A1 true ES2357388A1 (en) 2011-04-26

Family

ID=43836932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES201000609A Pending ES2357388A1 (en) 2010-05-07 2010-05-07 Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Country Status (1)

Country Link
ES (1) ES2357388A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012156559A1 (en) * 2011-05-13 2012-11-22 Universidad Pública de Navarra Device and method for measuring the distribution of physical quantities in an optical fibre

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2318868A (en) * 1996-10-31 1998-05-06 Ando Electric Fibre optic strain gauge
WO2003078932A1 (en) * 2002-03-14 2003-09-25 Fiber Optic Systems Technology, Inc Monitoring of large structures using brillouin spectrum analysis
EP2110651A1 (en) * 2008-04-18 2009-10-21 OZ Optics Ltd. Method and system for simultaneous measurement of strain and temperature

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2318868A (en) * 1996-10-31 1998-05-06 Ando Electric Fibre optic strain gauge
WO2003078932A1 (en) * 2002-03-14 2003-09-25 Fiber Optic Systems Technology, Inc Monitoring of large structures using brillouin spectrum analysis
EP2110651A1 (en) * 2008-04-18 2009-10-21 OZ Optics Ltd. Method and system for simultaneous measurement of strain and temperature

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2009, GALÍNDEZ, C. A. et al.: "Temperature sensing in multiple zones based on Brillouin fiber ring laser". Sensors & their Applications XV. Journal of Physics: Conference Series 178 (2009) 012017. Págs. 1-5. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012156559A1 (en) * 2011-05-13 2012-11-22 Universidad Pública de Navarra Device and method for measuring the distribution of physical quantities in an optical fibre
ES2392527A1 (en) * 2011-05-13 2012-12-11 Universidad Pública de Navarra Device and method for measuring the distribution of physical quantities in an optical fibre

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10359302B2 (en) Non-linear interactions with backscattered light
Posey Jr et al. Strain sensing based on coherent Rayleigh scattering in an optical fibre
ES2625655T3 (en) Brillouin optoelectronic measurement method and apparatus
US20080239282A1 (en) Method and system for simultaneous measurement of strain and temperature
US9958252B1 (en) Intracavity fiber sensors using two orthogonal polarization modes in an optical parametric oscillator cavity coupled to a sensing element
ES2895879T3 (en) Calibration device for distribution sensing technologies
Park et al. Dynamic fiber Bragg grating strain sensor interrogation with real-time measurement
Lin et al. Wideband remote-sensing based on random fiber laser
ES2207417B1 (en) ANALYZING DEVICE FOR OPTICAL SPECTRUM BY BRILLOUIN DIFFUSION AND ASSOCIATED MEASUREMENT PROCEDURE.
ES2528327B1 (en) DIFFERENTIAL DETECTION SYSTEM FOR DISTRIBUTED SENSORS ON OPTICAL FIBER BASED ON SCATTERING BRILLOUIN STIMULATED
ES2388629A1 (en) System for improving the dynamic range and reducing measurement uncertainty in fibre optic distributed sensors and fibre optic distributed measurement equipment
Gao et al. Simultaneous measurement of strain and temperature with a multi-longitudinal mode erbium-doped fiber laser
RU2444001C1 (en) Brillouin reflectometer
RU140707U1 (en) FIBER OPTICAL BRILLUIN ANALYZER
ES2357388A1 (en) Optical biparametric sensor based on brillouin effect. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)
Posey et al. An eight-channel fiber-optic Bragg grating and stimulated Brillouin sensor system for simultaneous temperature and strain measurements
Peled et al. Distributed and dynamic monitoring of 4km/sec waves using a Brillouin fiber optic strain sensor
Wang et al. High-sensitivity optical fiber sensor based on a Fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator
Brown et al. Combined Raman and Brillouin scattering sensor for simultaneous high-resolution measurement of temperature and strain
ES2323565B2 (en) TECHNIQUE AND DEVICE TO CONFORM THE BRILLOUIN GAIN SPECTRUM IN OPTICAL WAVE GUIDES.
CA2629446C (en) Method and system for simultaneous measurement of strain and temperature
Davis et al. Separating the temperature and strain effects on fiber Bragg grating sensors using stimulated Brillouin scattering
GB2547520A (en) Non-linear interactions with backscattered light
Lin et al. Truly distributed measurement of impact strains in clay by use of embedded BOTDA/R fiber optic sensors
Zhao et al. Sub-nє Static Resolution Fiber Laser Sensor

Legal Events

Date Code Title Description
FC2A Grant refused

Effective date: 20120417