PL217208B1 - Method for measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring of physical quantities - Google Patents
Method for measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring of physical quantitiesInfo
- Publication number
- PL217208B1 PL217208B1 PL385819A PL38581908A PL217208B1 PL 217208 B1 PL217208 B1 PL 217208B1 PL 385819 A PL385819 A PL 385819A PL 38581908 A PL38581908 A PL 38581908A PL 217208 B1 PL217208 B1 PL 217208B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- optical fiber
- birefringent
- sensor
- temperature
- measuring
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 27
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 57
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 27
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 23
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 20
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 20
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 20
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 claims description 19
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims description 15
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 16
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 150000003736 xenon Chemical class 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Description
Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wielkości fizycznych i czujnik fotoniczny do pomiaru wielkości fizycznych wykonany ze światłowodu mikrostrukturalnego, w szczególności przeznaczony do pomiaru wszelkiego rodzaju naprężeń, ciśnienia hydrostatycznego, czy też temperatury.The subject of the invention is a method of measuring physical quantities and a photonic sensor for measuring physical quantities made of a microstructural optical fiber, in particular intended for the measurement of all kinds of stresses, hydrostatic pressure or temperature.
Sposób pomiaru wielkości fizycznych i czujnik fotoniczny do pomiaru wielkości fizycznych znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr 367854. W sposobie mierzoną wielkością fizyczną moduluje się częstotliwość obu wiązek światła, przy czym zwrot napięcia polaryzującego dobiera się tak, że wzrost mierzonego napięcia powoduje wzrost częstotliwości promieniowania pierwszego lasera pomiarowego oraz spadek częstotliwości promieniowania drugiego lasera pomiarowego, zaś częstotliwość różnicowa na wyjściu układu sprzęgacza optycznego zależy od napięcia polaryzującego elementy elektrooptyczne obu laserów pomiarowych, które to napięcie jest proporcjonalne do mierzonej wielkości fizycznej. Natomiast czujnik fotoniczny ma elementy elektrooptyczne obu laserów pomiarowych połączone poprzez elektrody modulujące ze źródłem wielkości mierzonej, przy czym elektrody modulujące elementu elektrooptycznego pierwszego lasera są połączone szeregowo z elektrodami modulującymi drugiego lasera.The method of measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring physical quantities is known from the Polish patent application No. 367854. In the method measured with the physical quantity, the frequency of both light beams is modulated, and the bias of the polarizing voltage is selected so that the increase of the measured voltage causes an increase in the frequency of the first radiation measurement laser and the decrease in the radiation frequency of the second measurement laser, and the differential frequency at the output of the optical coupler system depends on the voltage polarizing the electro-optical elements of both measurement lasers, which voltage is proportional to the measured physical quantity. In contrast, the photonic sensor has the electro-optical elements of both measuring lasers connected via modulating electrodes to the source of the measured quantity, the modulating electrodes of the electro-optical element of the first laser being connected in series with the modulating electrodes of the second laser.
Z angielskiego opisu patentowego GB 2299203A znany jest układ do pomiaru wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie i/lub temperatura, w którym laser pompujący poprzez światłowód transmisyjny połączony jest z multiplekserem, zaś multiplekser połączony jest z czujnikiem światłowodowym w postaci lasera ze sprzężeniem zwrotnym (DFB), z wykonaną w nim siatką Bragga, a także połączony jest z polaryzatorem liniowym 5, za polaryzatorem znajduje się detektor podłączony do analizatora częstotliwości. W wariancie układu ma zastosowanie także drugi multiplekser, którego wejściem jest wyjście z pierwszego multipleksera, jedno z wyjść jest podłączone poprzez filtr adaptacyjny do drugiego detektora, a drugie z wyjść poprzez pierwszy detektor do analizatora częstotliwości. W innym wariancie wynalazku czujnik jest połączony przez drugi multiplekser do lasera odniesienia, zaś wyjście drugiego multipleksera jest podłączone do pierwszego multipleksera.The British patent specification GB 2299203A describes a system for measuring physical quantities, such as pressure and / or temperature, in which the pumping laser through the transmission fiber is connected to the multiplexer, and the multiplexer is connected to the fiber optic sensor in the form of a feedback laser (DFB) with a Bragg grating therein, and also connected to a linear polarizer 5, behind the polarizer there is a detector connected to a frequency analyzer. In a variant of the circuit, the second multiplexer is also applicable, the input of which is the output from the first multiplexer, one of the outputs is connected via the adaptive filter to the second detector, and the other output via the first detector to the frequency analyzer. In another variant of the invention, the sensor is connected via a second multiplexer to the reference laser and the output of the second multiplexer is connected to the first multiplexer.
Z tego samego opisu patentowego znany jest również sposób pomiaru wielkości fizycznych, takicłi jak ciśnienie i/lub temperatura, który polega na tym, że światło pompujące jest wysyłane poprzez multiplekser długości fali do czujnika wystawionego niesymetrycznie na działanie badanego czynnika, przez co następuje zmiana indeksów dwójlomności, po czym odbija się i trafia poprzez multiplekser do polaryzatora, a w detektorze detekuje się dudnienia i mierzy się je w analizatorze częstotliowości.The same patent also describes a method of measuring physical quantities, such as pressure and / or temperature, in which the pumping light is sent through the wavelength multiplexer to the sensor asymmetrically exposed to the test medium, which changes the birefringence indexes. then it is reflected and hits the polarizer through the multiplexer, and the rumble is detected in the detector and measured in the frequency analyzer.
Z amerykańskiego opisu patentowego nr US5448657A znany jest czujnik do pomiaru wielkości fizycznych, który składa się z pojedynczego światłowodu dwójłomnego domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich, pompowanego poprzez układ pompujący, z którego światło trafia do rezonatora wykonanego jako para zwierciadeł, po między którymi występuje badana wielkości fizyczna, przy czym laser oscyluje z równocześnie w dwóch modach polaryzacyjnych podłużnych, a w układzie pomiarowym mierzona jest częstotliwość różnicowa światła.From the American patent description No. US5448657A, a sensor for measuring physical quantities is known, which consists of a single birefringent optical fiber doped with rare earth elements, pumped through a pumping system, from which the light goes to a resonator made as a pair of mirrors, between which there is the tested physical quantity, the laser oscillates simultaneously in two longitudinal polarization modes, and the differential frequency of light is measured in the measurement system.
Istota sposobu pomiaru wielkości fizycznych według wynalazku polega na tym, że spolaryzowaną, wiązkę światła wprowadza się do jednego modu polaryzacyjnego dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego, w którym wykonana jest siatka długookresowa sprzęgająca w sposób rezonansowy mody polaryzacyjne, po czym na ten światłowód z siatką oddziałuje się mierzoną wielkością fizyczną w wyniku czego ulegają zmianie rezonansowe długości fali, dla których zachodzi sprzężenie pomiędzy modami polaryzacyjnymi. Po czym mierzy się zmianę rezonansowej długości fali dla odpowiednich rezonansów Δλμ zaś wartości mierzonych wielkości fizycznych uzyskuje się poprzez rozwiązanie układu równań Δλj=ΣqjiΔXi wiążących zmianę długości fali sprzężenia dla odpowiednich rezonansów Δλ i zmianę mierzonych wielkości fizycznych ΔXi działających na światłowód z siatką, dla wyznaczonego przez kalibrację współczynników czułości qji, dla odpowiednich rezonansów.The essence of the method of measuring physical quantities according to the invention consists in the fact that a polarized light beam is introduced into one polarization mode of a birefringent microstructural optical fiber, in which a long-term grating is made, which resonates the polarization modes in a resonant manner, and then the optical fiber is influenced by the measured quantity physical, as a result of which the resonant wavelengths change, for which there is a coupling between polarization modes. Then the change of the resonant wavelength for the respective Δλμ resonances is measured, and the values of the measured physical quantities are obtained by solving the system of equations Δλj = Σqj and ΔX and linking the change in the coupling wavelength for the respective Δλ resonances and the change of the measured physical quantities ΔX i acting on the optical fiber with the mesh , for the sensitivity coefficients qji determined by the calibration, for the respective resonances.
Korzystnie, mierzoną wielkością fizyczną jest ciśnienie hydrostatyczne i/lub wydłużenie względne i/lub zgięcie i/lub temperatura.Preferably, the measured physical quantity is hydrostatic pressure and / or elongation and / or flexion and / or temperature.
Czujnik fotoniczny według wynalazku ma element pomiarowy w postaci długookresowej siatki wytworzonej w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym poprzez sekwencję co najmniej trzech równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii.The photonic sensor according to the invention has a measurement element in the form of a long-term grating produced in a birefringent microstructural optical fiber by a sequence of at least three equidistant twists of the optical fiber about its axis of symmetry.
Korzystnie, element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem ciśnienia hydrostatycznego.Preferably, the measuring element made of temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a hydrostatic pressure sensor.
Korzystnie, element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem wydłużenia względnego.Preferably, the measuring element made of a temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a relative extension sensor.
PL 217 208 B1PL 217 208 B1
Korzystnie, element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem rozciągania.Preferably, the measurement element made of temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a tensile sensor.
Korzystnie, element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem zgięcia.Preferably, the measuring element made of temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a bending sensor.
Korzystnie, element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego wrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem temperatury.Preferably, the measuring element made of a temperature-sensitive birefringent microstructural optical fiber is a temperature sensor.
Sposób według wynalazku pozwala na pomiar jednego lub kilku parametrów fizycznych jednocześnie, w którym jako element pomiarowy stosowana jest siatka długookresowa wytworzona w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym, sprzęgająca w sposób rezonansowy mody polaryzacyjne, przy czym liczba długości fali, dla których zachodzi sprzężenie jest nie mniejsza niż liczba mierzonych parametrów fizycznych. Możliwe jest zastosowanie długookresowej siatki wytworzonej w mikrostrukturalnym światłowodzie dwójłomnym do eliminacji wpływu temperatury na wynik pomiaru jednego z mierzonych parametrów fizycznych, na przykład ciśnienia hydrostatycznego, wydłużenia lub zgięcia światłowodu. Wpływ zmian temperatury otoczenia na wynik pomiaru innych wielkości fizycznych jest największą wadą czujników światłowodowych, którą można wyeliminować w proponowanej metodzie pomiaru. Aby to osiągnąć, należy wytworzyć siatkę w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym o bardzo małej lub zerowej polarymetrycznej czułości na temperaturę, szczególnie dla tej długości fali, dla której zachodzi sprzężenie pomiędzy modami polaryzacyjnymi, przy czym jednocześnie światłowód powinien charakteryzować się możliwie dużą polarymetryczną czułością na mierzony czynnik. Ponieważ w takim przypadku, zmiany temperatury mają pomijalny wpływ na położenie długość fali sprzężenia, to informację o zmianie mierzonego parametru uzyskujemy bezpośrednio poprzez pomiar przesunięcia rezonansowej długości fali dla jednego tylko sprzężenia. Ponadto, siatka wytworzona we włóknie o bardzo małej polarymetrycznej czułości na temperaturę może być stosowana jako wzorzec długości fali. W tym przypadku, poprzez odpowiednie osłony, siatka powinna być izolowana od wpływu wszystkicli innych czynników fizycznych oprócz zmian temperatury otoczenia, które ze względu na nieczułość włókna na temperaturę nie powodują przestrajania rezonansowej długości fali. Testy opisane w dalszej części zgłoszenia wskazują, że można uzyskać stabilność rezonansowych długości fali ze względu na zmiany temperatury rzędu 1 pm/K Iub jeszcze mniejszą.The method according to the invention allows for the measurement of one or several physical parameters at the same time, in which a long-term grating produced in a birefringent microstructural optical fiber is used as the measuring element, resonantly coupling the polarization modes, the number of wavelengths for which the coupling occurs is not less than the number measured physical parameters. It is possible to use a long-term grating fabricated in a microstructural birefringent optical fiber to eliminate the influence of temperature on the measurement result of one of the measured physical parameters, for example hydrostatic pressure, elongation or bending of the optical fiber. The influence of ambient temperature changes on the measurement result of other physical quantities is the greatest disadvantage of optical fiber sensors, which can be eliminated in the proposed measurement method. To achieve this, it is necessary to create a mesh in a microstructural birefringent optical fiber with very low or zero polarimetric sensitivity to temperature, especially for this wavelength for which there is coupling between polarization modes, while at the same time the optical fiber should be characterized by the highest possible polarimetric sensitivity to the measured factor. Since in this case, temperature changes have a negligible effect on the position of the coupling wavelength, the information about the change of the measured parameter is obtained directly by measuring the resonant wavelength shift for only one coupling. Moreover, the mesh produced in a fiber with a very low polarimetric temperature sensitivity can be used as the wavelength reference. In this case, by means of suitable sheaths, the mesh should be isolated from the influence of all other physical factors except changes in the ambient temperature, which, due to the insensitivity of the fiber to temperature, do not cause any resonant wavelength tuning. The tests described later in the application show that stability of the resonant wavelengths can be achieved due to temperature changes of 1 µm / K or even lower.
Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ kanałów powietrznych w przekroju poprzecznym dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego, a także parametry geometryczne włókna, w którym wytworzono siatkę długookresową sprzęgającą mody polaryzacyjne, fig. 2 zmierzoną zależność dwójłomności modowej od długości fali w światłowodzie mikrostrukturalnym, fig. 3 zmierzoną zależność drogi zdudnień od długości fali w światłowodzie mikrostrukturalnym oraz przybliżone długości fali spełniającej warunek rezonansu pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu dla siatki o okresie Λ=8 mm, fig. 4 schemat układu do pomiaru charakterystyk transmisyjnych dla obu modów podstawowych o ortogonalnych polaryzacjach, fig. 5 widmo transmisyjne dla modu polaryzacyjnego pobudzonego (a) i niepobudzonego (b) zarejestrowane dla siatki o okresie Λ=8 mm wytworzonej w światłowodzie mikrostrukturalnym, fig. 6 charakterystykę transmisyjną dla modu pobudzonego w pobliżu drugiego rezonansowego sprzężenia zarejestrowaną w temperaturze 10°C i 100°C (a), przemieszczenie rezonansowej długości fali w funkcji temperatury (b) zmierzone dla siatki o okresie Λ=8 mm wytworzonej w światłowodzie mikrostrukturalnym, fig. 7 charakterystykę transmisyjną dla modu pobudzonego w pobliżu drugiego rezonansowego sprzężenia zarejestrowaną dla przyłożonego ciśnienia 0,01, 5 i 10 MPa (a), przemieszczenie rezonansowej długości fali w funkcji przyłożonego ciśnienia (b) zmierzone dla siatki o okresie Λ=8 mm wytworzonej w światłowodzie mikrostrukturalnym, a fig. 8 charakterystykę transmisyjną dla modu pobudzonego w pobliżu drugiego rezonansowego sprzężenia zarejestrowaną dla względnego wydłużenia siatki o 0 i 1 mstrain (a) przemieszczenie rezonansowej długości fali w funkcji względnego wydłużenia (b) zmierzone dla siatki o okresie Λ=8 mm wytworzonej w światłowodzie mikrostrukturalnym.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows the system of air channels in the cross-section of the birefringent microstructural optical fiber, as well as the geometrical parameters of the fiber, in which the long-term grating interconnecting the polarization modes was produced, Fig. 2, the measured dependence of the mode birefringence on the length Fig. 3: the measured dependence of the beat path on the wavelength in the microstructural optical fiber and the approximate wavelengths meeting the first, second and third order resonance condition for a grating with a period of Λ = 8 mm, Fig. 4 diagram of a system for measuring transmission characteristics for of both basic modes with orthogonal polarizations, Fig. 5 transmission spectrum for the excited (a) and non-excited (b) polarization mode recorded for a grid with a period of Λ = 8 mm produced in a microstructural optical fiber, Fig. 6 transmission characteristics for the excited mode at of the second resonant coupling recorded at the temperature of 10 ° C and 100 ° C (a), the displacement of the resonant wavelength as a function of temperature (b) measured for a grid with a period of Λ = 8 mm produced in the microstructural optical fiber, Fig. 7 transmission characteristics for the excited mode near the second resonant coupling recorded for an applied pressure of 0.01, 5 and 10 MPa (a), the displacement of the resonant wavelength as a function of the applied pressure (b) measured for a grid with a period of okresie = 8 mm produced in a microstructured optical fiber, and Fig. 8 the transmission characteristic for the excited mode near the second resonant coupling recorded for the relative elongation of the grid by 0 and 1 mstrain (a) displacement of the resonant wavelength as a function of the relative elongation (b) measured for the grid with the period Λ = 8 mm produced in the microstructural optical fiber.
P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1
Sposób pomiaru wielkości fizycznych polega na tym, że spolaryzowaną, wiązkę światła wprowadza się do jednego modu polaryzacyjnego dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego, w którym wykonana jest siatka długookresowa sprzęgająca w sposób rezonansowy mody polaryzacyjne, po czym na ten światłowód z siatką oddziałuje się ciśnieniem hydrostatycznym w wyniku czego ulegają zmianie rezonansowe długości fali, dla których zachodzi sprzężenie pomiędzy modami polaryzacyjnymi. Po czym mierzy się zmianę rezonansowej długości fali dla j-tego rezonansu Δλ), zaś wartości mierzonego ciśnienia hydrostatycznego uzyskuje się poprzez rozwiązanie równania Δλ) =qjΔΧThe method of measuring physical quantities is based on the fact that a polarized light beam is introduced into one polarization mode of a birefringent microstructural optical fiber, in which a long-term grating is made, which resonates polarization modes, and then hydrostatic pressure is applied to this optical fiber with the grating, as a result of which the resonant wavelengths for which there is a coupling between polarization modes change. Then the change of the resonant wavelength for the j-th resonance Δλ) is measured, and the values of the measured hydrostatic pressure are obtained by solving the equation Δλ) = qjΔΧ
PL 217 208 B1 wiążącego zmianę długości fali sprzężenia dla odpowiedniego rezonansu AXj i zmianę mierzonej wielkości fizycznej ΔΧ działającej na światłowód z siatką, dla wyznaczonego przez kalibrację współczynnika czułości qi dla odpowiedniego rezonansu.Which relates to the change of the coupling wavelength for the respective resonance AXj and the change of the measured physical quantity Δającej acting on the mesh optical fiber, for the sensitivity factor qi determined by calibration for the respective resonance.
P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2
Sposób pomiaru wielkości fizycznych przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że mierzoną wielkością fizyczną jest wydłużenie względne.The method of measuring physical quantities is as in the first example, with the difference that the measured physical quantity is the relative elongation.
P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3
Sposób pomiaru wielkości fizycznych przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że mierzoną wielkością fizyczną jest zgięcie.The method of measuring physical quantities is as in the first example, with the difference that the measured physical quantity is bend.
P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4
Sposób pomiaru wielkości fizycznych przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że mierzoną wielkością fizyczną jest temperatura.The method of measuring physical quantities is as in the first example with the difference that the measured physical quantity is temperature.
P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5
Sposób pomiaru wielkości fizycznych przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że mierzy się jednocześnie ciśnienie hydrostatyczne, wydłużenie względne i temperaturę.The method of measuring physical quantities is as in the first example, with the difference that the hydrostatic pressure, relative elongation and temperature are measured simultaneously.
Nowy sposób można zastosować do pomiaru kilku parametrów fizycznych jednocześnie ΔΧ,. W takim przypadku wielkościami bezpośrednio mierzonymi są przesunięcia długości fal sprzężenia pomiędzy modami polaryzacyjnymi Δλ dla kilku rezonansów, przy czym liczba rezonansów musi być co najmniej równa lub większa od liczby mierzonych parametrów fizycznych. Oddziaływanie czynników fizycznych na siatkę powoduje przesuniecie długości fal sprzężenia dla wszystkich rezonansów jednocześnie, co można opisać następującą zależnością macierzową:The new method can be used to measure several physical parameters simultaneously ΔΧ ,. In this case, the directly measured quantities are the coupling wavelength shifts between the polarization modes Δλ for several resonances, the number of resonances must be at least equal to or greater than the number of physical parameters measured. The interaction of physical factors on the mesh shifts the coupling wavelengths for all resonances simultaneously, which can be described by the following matrix relationship:
Δ^=[^]ΔΧί, (1) gdzie .Δλ jest przesunięciem długości fali dla rezonansowego sprzężenia j-tego rzędu, ΔΧ, jest i-tym parametrem fizycznym oddziałującym na siatkę, qji jest czułością j-tego rezonansu na i-ty parametr fizyczny z definiowaną jako:Δ ^ = [^] ΔΧί, (1) where .Δλ is the wavelength shift for a j-order resonant coupling, ΔΧ, is the i-th physical parameter affecting the grid, qji is the sensitivity of the j-th resonance to the i-th parameter physical with defined as:
qji=5^/5Xj.qji = 5 ^ / 5Xj.
Informacje o wartości parametrów fizycznych działających na siatkę uzyskuje się poprzez rozwiązanie układu równań (I) według następującego wzoruInformation about the values of physical parameters acting on the mesh is obtained by solving the system of equations (I) according to the following formula
ΔXj=[qjj]-1Δλj, gdzie [qji]-1 jest macierzą odwrotną w stosunku do [qji]. Ze względu na dokładność wyznaczenia parametrów fizycznych oddziałujących na siatkę korzystne jest, aby wyznacznik macierzy współczynników czułości [qji] był możliwie duży. W tym celu należy wykonać siatkę w mikrostrukturalnym włóknie dwójłomnym charakteryzującym się silną zależnością współczynników czułości qji od długości fali, co jest możliwe do osiągnięcia poprzez odpowiedni dobór parametrów strukturalnych włókna.ΔXj = [q j j] -1 Δλ j , where [qji] -1 is the matrix inverse of [qji]. Due to the accuracy of the determination of the physical parameters affecting the grid, it is preferable that the determinant of the matrix of the sensitivity coefficients [qji] is as large as possible. For this purpose, a mesh should be made in a microstructural birefringent fiber, which is characterized by a strong dependence of the sensitivity coefficients qji on the wavelength, which can be achieved by appropriate selection of the structural parameters of the fiber.
P r z y k ł a d 6P r z k ł a d 6
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych jest elementem pomiarowym w postaci długookresowej siatki wytworzonej w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym poprzez sekwencję 3 równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii. Element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury i jest czujnikiem ciśnienia hydrostatycznego.The photonic sensor for measuring physical parameters is a measuring element in the form of a long-term grid produced in a birefringent microstructural optical fiber by a sequence of 3 equidistant fiber twists around its axis of symmetry. The measuring element is made of a birefringent microstructural optical fiber not sensitive to temperature changes and is a hydrostatic pressure sensor.
P r z y k ł a d 7P r z k ł a d 7
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznycli wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem wydłużenia względnego, a długookresowa siatka wytworzona w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym zawiera sekwencję 10 równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii.The photonic sensor for measuring physical parameters, made as in the sixth example, with the difference that the measuring element made of a temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a sensor of relative elongation, and the long-term grid produced in a birefringent microstructural optical fiber contains a sequence of 10 equidistant optical fiber twists around it. axis of symmetry.
P r z y k ł a d 8P r z k ł a d 8
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem rozciągania, a długookresowa siatka wytworzona w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym zawiera sekwencję 12 równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii.The photonic sensor for measuring physical parameters, made as in the sixth example, with the difference that the measuring element made of a temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a tensile sensor, and the long-term grating produced in a birefringent microstructural optical fiber contains a sequence of 12 equidistant fiber tors around its axis symmetry.
P r z y k ł a d 9P r z k ł a d 9
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem zgięcia, a długookresowa siatka wytworzona w dwójłomnymThe photonic sensor for measuring physical parameters, made as in the sixth example, with the difference that the measuring element made of a birefringent microstructural optical fiber not sensitive to temperature changes is a bending sensor, and the long-term mesh produced in the birefringent
PL 217 208 B1 światłowodzie mikrostrukturalnym zawiera sekwencję 18 równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii.The microstructural optical fiber comprises a sequence of 18 equidistant twists of the optical fiber about its axis of symmetry.
P r z y k ł a d 10P r z k ł a d 10
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego wrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem temperatury, a długookresowa siatka wytworzona W dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym zawiera sekwencję 10 równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii.The photonic sensor for measuring physical parameters, made as in the sixth example, with the difference that the measuring element made of a temperature-sensitive birefringent microstructural optical fiber is a temperature sensor, and the long-term grating produced in a birefringent microstructural optical fiber contains a sequence of 10 equidistant twists of the optical fiber around its axis symmetry.
P r z y k ł a d 11P r x l a d 11
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego niewrażliwego na zmiany temperatury jest czujnikiem ciśnienia hydrostatycznego i wydłużenia względnego. Zróżnicowanie czułości na ciśnienie hydrostatyczne i wydłużenia względne dla pierwszego i drugiego rezonansu jest tak duże, że wytworzona siatka jest stosowana do jednoczesnego pomiaru tych dwóch parametrów. Pomiar przesunięcia rezonansowych długości fali dla pierwszego i drugiego rezonansu, odpowiednio Δλ1 i Δλ2, prowadzi do wyznaczenia wartości tych dwóch parametrów fizycznych działających na siatkę, przy jednoczesnej eliminacji wpływy temperatury na wynik pomiaru.Photonic sensor for measuring physical parameters made as in the sixth example, with the difference that the measuring element made of a temperature-insensitive birefringent microstructural optical fiber is a hydrostatic pressure and relative extension sensor. The variation in the sensitivity to hydrostatic pressure and the relative elongations for the first and second resonances is so great that the generated mesh is used to measure these two parameters simultaneously. Measurement of the shift of the resonant wavelengths for the first and second resonances, Δλ 1 and Δλ 2 , respectively, leads to the determination of the values of these two physical parameters acting on the mesh, while eliminating the influence of temperature on the measurement result.
P r z y k ł a d 12P r z k ł a d 12
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że element pomiarowy wykonany z dwójłomnego światłowodu mikrostrukturalnego o podwyższonej czułości na temperaturę jest czujnikiem temperatury, ciśnienia hydrostatycznego i wydłużenia względnego. W czujniku tym mierzy się zmianę rezonansowej długości fali dla trzech rezonansów Δλ1, Δλ2, Δλ3.The photonic sensor for measuring physical parameters, made as in the sixth example, with the difference that the measuring element made of microstructural birefringent optical fiber with increased sensitivity to temperature is a temperature, hydrostatic pressure and relative extension sensor. This sensor measures the change in resonant wavelength for the three resonances Δλ1, Δλ 2 , Δλ 3 .
P r z y k ł a d 13P r z l a d 13
Czujnik fotoniczny do pomiaru parametrów fizycznych wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że długookresowa siatka wytworzona w dwójłomnym światłowodzie mikrostrukturalnym została wykonana przy pomocy łuku elektrycznego spawarki światłowodowej i ma sekwencję 12 równoodległych od siebie skręceń światłowodu wokół jego osi symetrii z obrotem światłowodu o około 5°. Wysoka dwójłomność modowa indukowana jest przez dwa kanały powietrzne o większych średnicach niż pozostałe kanały powietrzne w płaszczu. Na figurach 2 i 3 pokazana jest odpowiednio zależność dwójłomności modowej B od długości fali oraz zależność drogi zdudnień LB od długości fali, zmierzonych dla tego włókna. Oba parametry wykazują typowy przebieg charakterystyczny dla dwójłomnych włókien mikrostrukturalnych. Dwójłomność modowa silnie rośnie z długością fali i osiąga wartość 5x10-4 dla długości fali 1,6 μm, natomiast droga zdudnień maleje w funkcji długości fali osiągając wartość 2,7 mm dla długości fali 1,6 μm. Dzięki tej unikalnej właściwości mikrostrukturalnych włókien dwójłomnych możliwe jest wytworzenie w nim siatki, dla której występuje kilka rezonansowych długości fali spełniających następujący warunek j^ = ΛΒ(λ1 lub równoważnie Λ = jLB(V) gdzie j jest rzędem rezonansu, a λ jest długością fali, dla której zachodzi sprzężenie pomiędzy modami polaryzacyjnymi w j-tym rzędzie. W omawianym przykładzie wykonano siatkę o okresie Λ=8 mm. Charakterystyki transmisyjne wytworzonej siatki zostały zmierzone w przykładowym układzie z figury 4, do pomiaru charakterystyk transmisyjnych dla obu modów podstawowych o ortogonalnych polaryzacjach. Układ ma na wejściu szerokopasmowe źródło światła Z, w postaci lampy ksenonowej, za którą umieszczone są polaryzator P o kierunku transmisji zgodnym z azymutem polaryzacji jednego z modów polaryzacyjnych i analizator A, którego kierunek transmisji można ustawiać zgodnie 0° lub ortogonalnie 90° do kierunku polaryzacji modu pobudzonego w światłowodzie, na wyjściu układu pomiarowego jest optyczny analizator widma OSA. Badany dwójłomny światłowód mikrostrukturalny z wytworzoną siatką długookresową PCF, umieszczony jest osiowo wzdłuż generowanej wiązki światła pomiędzy polaryzatorem P i analizatorem A. W układzie tym rejestruje się widmo transmisyjne modu pobudzonego, gdy polaryzator P i analizator A przepuszczają pobudzony mod polaryzacyjny, natomiast widma transmisyjne dla modu niepobudzonego rejestruje się, gdy polaryzator P i analizator A przepuszczają mody o ortogonalnych polaryzacjach. Wyniki pomiarów dla modu pobudzonego i niepobudzonego pokazane na figurze 5 udowadniają rezonansowy charakter sprzężenia pomiędzy modamiThe photonic sensor for measuring physical parameters, made as in the sixth example, with the difference that the long-term mesh produced in a birefringent microstructural optical fiber was made using the electric arc of a fiber optic welder and has a sequence of 12 equidistant fiber twists around its axis of symmetry with a rotation of the fiber by about 5 °. High mode birefringence is induced by two air channels with larger diameters than the other air channels in the jacket. Figures 2 and 3 show the dependence of the mode birefringence B on the wavelength, respectively, and the dependence of the beat path LB on the wavelength measured for this fiber, respectively. Both parameters follow the typical course of birefringent microstructural fibers. The mode birefringence increases strongly with the wavelength and reaches the value of 5x10 -4 for the wavelength of 1.6 µm, while the beat path decreases as a function of the wavelength, reaching the value of 2.7 mm for the wavelength of 1.6 µm. Due to this unique property of microstructural birefringent fibers, it is possible to create a mesh in it, for which there are several resonant wavelengths meeting the following condition j ^ = ΛΒ (λ1 or equivalently Λ = jL B ( V) where j is the order of resonance and λ is the wavelength , for which there is a coupling between the polarization modes in the jth order. In the discussed example, a grating with a period of Λ = 8 mm was made. The transmission characteristics of the produced grating were measured in the example system from Figure 4, to measure the transmission characteristics for both basic modes with orthogonal polarizations The system has at the input a broadband light source Z, in the form of a xenon lamp, followed by a polarizer P with a transmission direction corresponding to the polarization azimuth of one of the polarization modes and an A analyzer, the transmission direction of which can be set according to 0 ° or orthogonally 90 ° to the direction. polarization of the mode excited in the optical fiber at the output The measuring system is an optical OSA spectrum analyzer. The tested birefringent microstructural optical fiber with the generated long-term PCF grating is placed axially along the generated light beam between the polarizer P and analyzer A. The transmission spectrum of the excited mode is recorded in this system, when the polarizer P and analyzer A pass the excited polarization mode, while the transmission spectra for the mode undecided is recorded when the P polarizer and analyzer A pass modes with orthogonal polarizations. The measurement results for the energized and de-energized modes shown in Figure 5 prove the resonant nature of the coupling between the modes
PL 217 208 B1 polaryzacyjnymi, ponieważ energia, która ubywa z jednego modu polaryzacyjnego pojawia się w drugim modzie polaryzacyjnym. Rezonansowe sprzężenia występują odpowiednio dla długości fali 855 nm (rezonans 1-ego rzędu), 1271 nm (rezonans 2-ego rzędu) i 1623 nm (rezonans 3-ego rzędu). Następnie, zmierzono współczynniki czułości na trzy parametry fizyczne, tzn. temperaturę, wydłużenie względne i ciśnienie hydrostatyczne dla pierwszego i drugiego rezonansu. Przykładowe wyniki pomiarów przesunięcia rezonansowej długości fali (dla rezonansu drugiego rzędu) wywołane zmianą czynnika zewnętrznego działającego na siatkę pokazano na figurach 6-8. Wszystkie zmierzone współczynniki czułości na temperaturę, ciśnienie hydrostatyczne i wydłużenie względne dla rezonansu pierwszego i drugiego rzędu, zawiera tabela.Because the energy that is lost from one polarization mode occurs in the other polarization mode. Resonant couplings occur at 855 nm (1st order resonance), 1271 nm (2nd order resonance) and 1623 nm (3rd order resonance), respectively. Then, the sensitivity factors for three physical parameters, ie temperature, relative elongation and hydrostatic pressure for the first and second resonances, were measured. The exemplary measurement results of the resonant wavelength shift (for second order resonance) caused by the change of the external factor acting on the grating are shown in Figures 6-8. All measured factors of sensitivity to temperature, hydrostatic pressure and relative elongation for the first and second order resonance are presented in the table.
Czułość siatki na temperaturę jest rekordowo mała i wynosi odpowiednio 1,77 i 1,38 pm/K dla pierwszego i drugiego rezonansu. Ponadto, może być ona dalej zmniejszona poprzez zastosowanie włókna mikrostrukturalnego o jeszcze mniejszej lub zerowej czułości polarymetrycznej na temperaturę. Potwierdza to możliwość stosowania takich siatek jako nieczułych na temperaturę wzorców długości fali lub elementów czujnikowych umożliwiających pomiar innych parametrów fizycznych bez potrzeby kompensacji efektów temperaturowych. Czułość siatki na ciśnienie hydrostatyczne jest bardzo duża i wynosi odpowiednio 6,14 i 3,30 nm/MPa dla pierwszego i drugiego rezonansu. Dzięki temu stosunek czułości na ciśnienie hydrostatyczne do czułości na temperaturę jest bardzo wysoki i wynosi odpowiednio 3500 K/MPa dla pierwszego rezonansu i 2400 K/MPa dla drugiego rezonansu. Dodatkowo, może być dalej zwiększony poprzez zastosowanie światłowodu o podwyższonej polarymetrycznej czułości na ciśnienie hydrostatyczne i obniżonej czułości na temperaturę. Zastosowanie do pomiarów ciśnienia hydrostatycznego elementu o tak małej czułości na temperaturę i tak dużej czułości na ciśnienie eliminuje konieczność kłopotliwej kompensacji temperaturowej w takim pomiarze. Ponadto, zakładając rozdzielczości pomiaru długości fali rzędu 10 pm, wytworzona siatka zapewnia bardzo dobrą rozdzielczość pomiaru ciśnienia rzędu Δρ = 1,6-3,0 kPa, w zależności od rzędu rezonansu wykorzystanego do pomiaru.The mesh sensitivity to temperature is record low and amounts to 1.77 and 1.38 pm / K for the first and second resonances, respectively. Moreover, it can be further reduced by using a microstructural fiber with even lower or no polarimetric sensitivity to temperature. This confirms the possibility of using such meshes as temperature insensitive wavelength standards or sensor elements allowing the measurement of other physical parameters without the need to compensate for temperature effects. The mesh sensitivity to hydrostatic pressure is very high and amounts to 6.14 and 3.30 nm / MPa for the first and second resonance, respectively. As a result, the ratio of hydrostatic pressure sensitivity to temperature sensitivity is very high, respectively 3500 K / MPa for the first resonance and 2400 K / MPa for the second resonance. Additionally, it can be further enhanced by using an optical fiber with increased polarimetric hydrostatic pressure sensitivity and reduced temperature sensitivity. The use of an element with such low sensitivity to temperature and such high sensitivity to pressure for hydrostatic pressure measurements eliminates the need for troublesome temperature compensation in such a measurement. Moreover, assuming a measurement resolution of the wavelength of 10 µm, the produced grating provides a very good resolution of the pressure measurement in the order of Δρ = 1.6-3.0 kPa, depending on the resonance order used for the measurement.
Czułość siatki na wydłużenie względne wynosi odpowiednio 1,35 i 1,12 nm/mstrain dla pierwszego i drugiego rezonansu. Stosunek czułości na wydłużenie do czułości na temperaturę jest wysoki i wynosi odpowiednio 760 K/mstrain dla pierwszego rezonansu i 810 K/mstrain dla drugiego rezonansu. Dodatkowo, może być dalej zwiększony poprzez zastosowanie światłowodu o podwyższonej polarymetrycznej czułości na rozciąganie i obniżonej czułości na temperaturę. Wytworzoną siatkę można stosować do pomiarów wydłużenia bez konieczności kompensacji temperaturowej. Zakładając rozdzielczości pomiaru długości fali rzędu 10 pm, wytworzona siatka zapewnia rozdzielczość pomiaru wydłużenia względnego rzędu 11-14 μstrain, w zależności od rzędu rezonansu wykorzystanego do pomiaru.The sensitivity of the grid to relative elongation is 1.35 and 1.12 nm / mstrain for the first and second resonances, respectively. The ratio of elongation sensitivity to temperature sensitivity is high, 760 K / mstrain for the first resonance and 810 K / mstrain for the second resonance, respectively. In addition, it can be further enhanced by the use of an optical fiber with increased polarimetric tensile sensitivity and reduced temperature sensitivity. The generated mesh can be used for elongation measurements without the need for temperature compensation. Assuming a wavelength measurement resolution of 10 µm, the produced mesh provides a resolution of 11-14 µstrain relative elongation measurement, depending on the resonance order used for the measurement.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL385819A PL217208B1 (en) | 2008-08-05 | 2008-08-05 | Method for measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring of physical quantities |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL385819A PL217208B1 (en) | 2008-08-05 | 2008-08-05 | Method for measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring of physical quantities |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL385819A1 PL385819A1 (en) | 2010-02-15 |
| PL217208B1 true PL217208B1 (en) | 2014-06-30 |
Family
ID=43012288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL385819A PL217208B1 (en) | 2008-08-05 | 2008-08-05 | Method for measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring of physical quantities |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL217208B1 (en) |
-
2008
- 2008-08-05 PL PL385819A patent/PL217208B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL385819A1 (en) | 2010-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6885784B2 (en) | Anisotropic distributed feedback fiber laser sensor | |
| US6630658B1 (en) | Fiber laser pressure sensor | |
| US6597821B1 (en) | Fiber laser sensor for measuring differential pressures and flow velocities | |
| JP6021285B2 (en) | Use of optical device and fiber Bragg grating | |
| KR100488221B1 (en) | Fiber Bragg grating sensor system | |
| US5844927A (en) | Optical fiber distributed feedback laser | |
| US6888125B2 (en) | Fiber optic sensing systems and method of use thereof | |
| US8797540B2 (en) | Slow-light fiber Bragg grating sensor | |
| JP5941555B2 (en) | Optical device using low-speed optical fiber Bragg grating sensor, method of configuring optical device, and method of using fiber Bragg grating | |
| CN101793570A (en) | Sensing method of optical-fiber Bragg grating laser device | |
| JP5894993B2 (en) | Slow light fiber Bragg grating sensor | |
| CN101871788A (en) | Distributed polarization crosstalk method and device for measuring polarization-preserving fiber and birefringent medium | |
| US6901187B2 (en) | Fiber laser sensor | |
| US7251023B2 (en) | High-resolution fiber laser sensor | |
| US20040197050A1 (en) | Optical distributed sensor with bragg grating sensing structure | |
| Woliński et al. | Polarimetric optical fiber sensors of a new generation for industrial applications | |
| Kreger et al. | Optical Frequency Domain Reflectometry for High Density Multiplexing of Multi-Axis Fiber Bragg Gratings | |
| Jiang et al. | Investigation of axial strain effects on microwave signals from a PM-EDF short cavity DBR laser for sensing applications | |
| PL217208B1 (en) | Method for measuring physical quantities and the photonic sensor for measuring of physical quantities | |
| US9837785B2 (en) | Polarization laser sensor | |
| Ecke et al. | Low-cost optical temperature and strain sensing networks using in-line fiber gratings | |
| Kaczmarek | Optical wavelength discriminator based on a Sagnac loop with a birefringent fiber | |
| Frank et al. | High resolution fiber laser sensor for hydrostatic pressure | |
| Shi et al. | Simultaneous measurement of strain and temperature using a high-birefringence fiber loop mirror and an erbium-doped fiber | |
| Xiao et al. | Polarimetric Fiber Laser Sensor with Enhanced Sensitivity by Utilizing a Hi-Bi EDF |