RU122174U1 - DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS Download PDF

Info

Publication number
RU122174U1
RU122174U1 RU2012124693/28U RU2012124693U RU122174U1 RU 122174 U1 RU122174 U1 RU 122174U1 RU 2012124693/28 U RU2012124693/28 U RU 2012124693/28U RU 2012124693 U RU2012124693 U RU 2012124693U RU 122174 U1 RU122174 U1 RU 122174U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical sensor
parameter
physical field
physical
signals
Prior art date
Application number
RU2012124693/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Евгеньевич Денисенко
Владимир Геннадьевич Куприянов
Олег Геннадьевич Морозов
Геннадий Александрович Морозов
Тагир Султанович Садеев
Арсен Марсович Салихов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2012124693/28U priority Critical patent/RU122174U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU122174U1 publication Critical patent/RU122174U1/en

Links

Landscapes

  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

1. Устройство для измерения параметров физических полей, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля, отличающееся тем, что в него введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора, при этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор - к его второму входу. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе тонкопленочного фильтра. 1. A device for measuring the parameters of physical fields, containing a series-connected source of laser radiation, the first fiber optic cable, an optical sensor, a second fiber optic cable and a photodetector, as well as a controller for determining the parameter of the physical field, characterized in that two selective filter and two amplitude detectors, wherein the laser radiation source is made four-frequency, and the output of the photodetector through the first selective filter and the first amplitude detector is connected to the first input of the controller for determining the parameter of the physical field and in parallel through the second selective filter and the second amplitude detector - to its second input. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a fiber Bragg grating. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a Fabry-Perot interferometer. ! 4. Device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a thin film filter.

Description

Техническое решение относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении (интерферометры Фабри-Перо, решетки Брэгга, датчики на тонкопленочных фильтрах и т.д.), у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной, как правило, полосовой резонансной характеристики, в зависимости от параметров приложенных физических полей.The technical solution relates to the technique of optical measurements, in particular to devices for measuring the parameters of physical fields (temperature, pressure, tension, etc.) using optical sensors, including sensors in integrated and fiber-optic design (Fabry-Perot interferometers, gratings Bragg, sensors on thin-film filters, etc.), in which there is a dependence of the frequency shift of their spectral, as a rule, band-resonance characteristic, depending on the parameters of the applied physical fields.

Известно устройство для измерения параметров физических полей (см. электронный ресурс www.forc-photonics.ru, «Волоконно-оптический зондовый термометр», файл termometr_final.pdf, ООО ИП «НЦВО-Фотоника», 14.10.2008), которое содержит последовательно соединенные широкополосный лазерный излучатель, оптический разветвитель-циркулятор, волоконно-оптический кабель, оптический датчик, блок спектрального анализа принятого излучения и фотоприемный блок, соединный с входом контроллера определения параметра физического поля, в котором производится математическая обработка спектрального смещения, по которому с учетом калибровки определяют параметр физического поля, в конкретном случае температуру. Известны аналогичные устройства для измерения параметров и других физических полей.A device for measuring the parameters of physical fields is known (see electronic resource www.forc-photonics.ru, “Fiber Optic Probe Thermometer”, file termometr_final.pdf, LLC IP NTsVO-Photonika, October 14, 2008), which contains series-connected a broadband laser emitter, an optical splitter-circulator, an optical fiber cable, an optical sensor, a unit for spectral analysis of the received radiation, and a photodetector unit connected to the input of the controller for determining the parameter of the physical field in which the mathematical image is Botko spectral shift for which calibration is determined considering the physical parameter field, in case the temperature. Known similar devices for measuring parameters and other physical fields.

Устройство работает следующим образом. Генерируют широкополосное излучение в лазерном излучателе, передают его к оптическому датчику по волоконно-оптическому кабелю, принимают излучение, преобразованное в оптическом датчике в блоке спектрального анализа принятого излучения и фотоприемном блоке, и определяют параметры физического поля, прецизиоппо регистрируя спектральное смещение резонансной длины волны оптического датчика.The device operates as follows. Generate broadband radiation in a laser emitter, transmit it to the optical sensor via a fiber optic cable, receive radiation converted in the optical sensor in the spectral analysis unit of the received radiation and the photodetector unit, and determine the parameters of the physical field by accurately recording the spectral shift of the resonant wavelength of the optical sensor .

Недостатком указанного устройства является необходимость использования сложных дорогостоящих блока спектрального анализа принятого излучения и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения (как правило, это оптические анализаторы спектра). Оптоэлектронная спектральная обработка сигналов, также представляется сложной, и требует наличия либо перестраиваемых лазерных излучателей, либо сложных систем спектральной фильтрациии, либо нескольких фотоприемников, либо, как вариант, системы матричных ПЗС-приемников. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.The disadvantage of this device is the need to use complex expensive unit spectral analysis of received radiation and a photodetector unit for recording spectral bias (as a rule, these are optical spectrum analyzers). Optoelectronic spectral signal processing also seems to be complex and requires either tunable laser emitters, or complex spectral filtering systems, or several photodetectors, or, as an option, a system of CCD array receivers. All this leads to the appearance of additional sources of errors in the measurement of the parameters of physical fields and a decrease in their accuracy in general.

Прототипом технического решения является устройство для измерения физических полей (см. Патент США №7463832 В2 «Способ и система компенсации тепловых смещений для оптических сетей», 398/196 МПК8 H04J 13/02, 09.08.2005), которое содержит последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, а также блок сравнения амплитуд каждого из сигналов сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем пары и пары, принятой после прохождения оптического датчика, соединенный с контроллером определения параметра физического поля, в данном случае температуры, при этом выходы фотоприемников соединены с входами блока сравнения амплитуд.The prototype of the technical solution is a device for measuring physical fields (see US Patent No. 7463832 B2 “Method and system for compensating thermal displacements for optical networks”, 398/196 MPK8 H04J 13/02, 08/09/2005), which contains a double-frequency laser emitter connected in series , an optical splitter, a first optical fiber cable, an optical sensor, a second optical fiber cable and a first photodetector, a second photodetector connected via a third optical fiber cable to a second output of the optical splitter as well as a unit for comparing the amplitudes of each of the signals generated by a two-frequency laser emitter of a pair and a pair received after passing through the optical sensor, connected to a controller for determining the parameter of the physical field, in this case the temperature, while the outputs of the photodetectors are connected to the inputs of the amplitude comparison unit.

Прототип работает следующим образом. В двухчастотном лазерном излучателе генерируют пары сигналов заранее установленной близкой амплитуды со средней частотой, соответствующей определенной частоте полосы пропускания оптического датчика при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания, передают сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику по первому волоконно-оптическому кабелю, принимают на первом фотоприемнике пропущенную через оптический датчик пару сигналов, передаваемую второму волоконно-оптическому кабелю, и определяют параметр физического поля, сравнивая разности амплитуд между сигналами пары, принятой после прохождения через оптический датчик, или сравнивая их амплитуды с амплитудами сигналов в сгенерированной паре, переданной к второму фотоприемнику по третьему волоконно-оптическому кабелю.The prototype works as follows. In a two-frequency laser emitter, pairs of signals of a predetermined close amplitude are generated with an average frequency corresponding to a certain frequency bandwidth of the optical sensor at a given value of the physical field parameter, and a difference frequency narrow enough for both signals to fall into the specified bandwidth, transmit the generated pair signals to the optical sensor via the first fiber-optic cable, take a pair of si passed through the optical sensor on the first photodetector the signals transmitted to the second fiber-optic cable, and the physical field parameter is determined by comparing the differences in amplitudes between the signals of the pair received after passing through the optical sensor, or comparing their amplitudes with the amplitudes of the signals in the generated pair transmitted to the second photodetector via the third fiber-optic cable .

Недостатком прототипа устройства является необходимость использования сложной оптической системы для раздельного амплитудно-спектрального приема отдельных компонент пар сигналов, требующей, как правило, наличия узкополосных интерференционных фильтров, в свою очередь, обладающих температурной зависимостью спектральных характеристик. Оптоэлектронная раздельная обработка компонент, также представляется сложной и представляет собой обработку абсолютных амплитудных значений принятых сигналов, подверженную воздействию шумов и помех различной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.The disadvantage of the prototype device is the need to use a complex optical system for separate amplitude-spectral reception of individual components of signal pairs, requiring, as a rule, the presence of narrow-band interference filters, in turn, having a temperature dependence of spectral characteristics. Separate optoelectronic processing of the components is also complex and represents the processing of the absolute amplitude values of the received signals, subject to the effects of noise and interference of various nature. All this leads to the appearance of additional sources of errors in the measurement of the parameters of physical fields and a decrease in their accuracy in general.

Решаемая техническая задача заключается в повышении точности измерений, упрощении и удешевлении устройств для измерения параметров физических полей.The technical problem to be solved is to increase the accuracy of measurements, simplify and reduce the cost of devices for measuring the parameters of physical fields.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения параметров физических полей, содержащем последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический датчик и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора, при этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор к его второму входу.The technical problem to be solved in a device for measuring the parameters of physical fields, comprising a laser radiation source, a first fiber-optic cable, an optical sensor, a second fiber-optic sensor and a photodetector, and also a controller for determining a physical field parameter is achieved by introducing into it two selective filters and two amplitude detectors, the laser radiation source being made four-frequency, and the photodetector output through the first selective filter and the first the second amplitude detector is connected to the first input of the controller determining the parameter of the physical field and in parallel through the second selective filter and the second amplitude detector to its second input.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга.The device can be performed using an optical sensor based on a Bragg fiber grating.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо.The device can be performed using an optical sensor based on a Fabry-Perot interferometer.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе тонкопленочного фильтра.The device can be performed using an optical sensor based on a thin-film filter.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.Figure 1 shows the structural diagram of the device.

На фиг.2 изображена зависимости амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик, и их разности от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика для случая подачи на него четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга.Figure 2 shows the dependences of the amplitudes of the beat envelope of the signals of the first and second pairs transmitted through the optical sensor and their difference from the generalized detuning of the passband of the optical sensor for the case of four signals of the same amplitude with an average frequency corresponding to the center frequency of its passband the specified value of the physical field parameter. The first pair of signals is formed from the first and second signals, the second from the third and fourth. In this case, the difference frequencies of the pairs Ω1 and Ω2 are not the same, and the difference between the average frequencies of the first and second pairs is equal to the half-width of the passband of the optical sensor. Dependencies are given under the assumption that the optical sensor has a triangular spectral characteristic, for example, a triangular Bragg grating.

Устройство для измерения параметров физических полей (фиг.1, 2) содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения 1, первый волоконно-оптический кабель 2, оптический датчик 3, второй волоконно-оптический кабель 4 и фотоприемник 5, а также контроллер определения параметра физического поля 6 достигается тем, что него введены два избирательных фильтра 7-8 и два амплитудных 9-10, при этом источник лазерного излучения 1 выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника 5 через первый избирательный фильтр 7 и первый амплитудный детектор 9 подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля 6 и параллельно через второй избирательный фильтр 8 и второй амплитудный детектор 10 к его второму входу.A device for measuring the parameters of physical fields (1, 2) contains a series-connected laser source 1, a first fiber optic cable 2, an optical sensor 3, a second fiber optic cable 4 and a photodetector 5, as well as a controller for determining the parameter of the physical field 6 is achieved by the fact that two selective filters 7-8 and two amplitude 9-10 are introduced, while the laser radiation source 1 is made four-frequency, and the output of the photodetector 5 through the first selective filter 7 and the first amplitude detector 9 is connected to the first input of the controller parameter determining physical field 6 and parallel through a second selective filter 8 and the second amplitude detector 10 to its second input.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе волоконной решетки Брэгга.The device can be performed using an optical sensor 3 based on a Bragg fiber grating.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе интерферометра Фабри-Перо.The device can be performed using an optical sensor 3 based on a Fabry-Perot interferometer.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе тонкопленочного фильтра.The device can be performed using an optical sensor 3 based on a thin-film filter.

На фиг.2 изображена зависимости амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик 3, и их разности от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 для случая подачи на него от источника лазерного излучения 1 четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга.Figure 2 shows the dependences of the amplitudes of the beat envelope of the signals of the first and second pairs transmitted through the optical sensor 3, and their difference from the generalized detuning of the passband of the optical sensor 3 for the case when it receives four signals of the same amplitude with an average frequency from the laser source 1, the corresponding center frequency of its bandwidth for a given value of the parameter of the physical field. The first pair of signals is formed from the first and second signals, the second from the third and fourth. In this case, the difference frequencies of the pairs Ω1 and Ω2 are not identical, and the difference between the average frequencies of the first and second pairs is equal to the half-width of the passband of the optical sensor 3. The dependences are given under the assumption that the optical sensor has a triangular spectral characteristic, for example, a triangular Bragg grating.

Рассмотрим работу устройства для измерения параметров физических полей.Consider the operation of the device for measuring the parameters of physical fields.

Для измерения параметров физических полей с помощью четырехчастотного источника лазерного излучения 1 одновременно генерируют четыре сигнала одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте полосы пропускания оптического датчика 3 при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3.To measure the parameters of physical fields using a four-frequency source of laser radiation 1 simultaneously generate four signals of the same amplitude with an average frequency corresponding to the center frequency of the passband of the optical sensor 3 at a given value of the parameter of the physical field. The first pair of signals is formed from the first and second signals, the second from the third and fourth. In this case, the difference frequencies of the pairs Ω1 and Ω2 are not the same, and the difference between the average frequencies of the first and second pairs is equal to the half-width of the passband of the optical sensor 3.

Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику 3 по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель 2.Then, the generated signal pairs are transmitted to the optical sensor 3 via the first optical medium, for which the first fiber-optic cable 2 is selected.

В сгенерированных парах сигналов, проходящих через оптический датчик 3, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.In the generated pairs of signals passing through the optical sensor 3, the amplitudes of the individual components change depending on the direction and magnitude of the frequency shift of its passband, caused by the applied physical field and uniquely determined by the parameter of this field.

Далее с помощью фотоприемника 5 принимают прошедшие через оптический датчик 3 пары сигналов, передаваемые от оптического датчика 3 к фотоприемнику 5 по второй оптической среде, в качестве которой выбран второй волоконно-оптический кабель 4.Next, using the photodetector 5, pairs of signals transmitted through the optical sensor 3 are received, transmitted from the optical sensor 3 to the photodetector 5 via a second optical medium, for which a second fiber optic cable 4 is selected.

На выходе фотоприемника 5 образуются сигналы, соответствующие биениям сигналов первой и второй пар, которые выделяются соответственно первым 7, настроенным на частоту Ω1, и вторым 8, настроенным на частоту Ω2, избирательными фильтрами. Далее в первом 9 и втором 10 амплитудных детекторах соответственно определяется амплитуда огибающих первой UΩ1 и второй UΩ2 пар.At the output of the photodetector 5, signals are generated corresponding to the beats of the signals of the first and second pairs, which are highlighted by the first 7, tuned to the frequency Ω1, and the second 8, tuned to the frequency Ω2, by selective filters. Then, in the first 9 and second 10 amplitude detectors, respectively, the amplitude of the envelopes of the first U Ω1 and second U Ω2 pairs is determined.

Измерение разности амплитуд огибающих биений между сигналами первой и второй пары UΩ1-UΩ2, прошедших через оптический датчик 3, производят в контроллере определения параметра физического поля 6.The difference in the amplitudes of the beat envelopes between the signals of the first and second pairs U Ω1 -U Ω2 , passed through the optical sensor 3, is measured in the controller for determining the parameter of the physical field 6.

1 Io полученным значениям и заложенным в контроллере определения параметра физического поля 6 зависимости разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар UΩ1-UΩ2 прошедших через оптический датчик 3, от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 (фиг.2) и зависимости направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля однозначно определяют измеряемый параметр физического поля.1 Io the obtained values and embedded in the controller determine the parameter of the physical field 6, the dependence of the difference between the amplitudes of the envelopes of the beat of the signals of the first and second pairs U Ω1 -U Ω2 passed through the optical sensor 3, from the generalized detuning of the passband of the optical sensor 3 (figure 2) and the dependence the direction and magnitude of the frequency shift of the passband of the optical sensor 3 from the parameters of the physical field uniquely determine the measured parameter of the physical field.

На фиг.2 изображена зависимость разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар UΩ1-UΩ2, прошедших через оптический датчик 3 от обобщенной расстройки его полосы пропускания для случая подачи на него от источника лазерного излучения 1 четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и третьей пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3. В этом случае обеспечиваются оптимальные по чувствительности и крутизне измерительного преобразования параметры устройства.Figure 2 shows the dependence of the difference between the amplitudes of the beat envelopes of the signals of the first and second pairs U Ω1 -U Ω2 transmitted through the optical sensor 3 from the generalized detuning of its passband for the case when four signals of the same amplitude with an average frequency are fed to it from the laser radiation source 1 corresponding to the center frequency of its bandwidth for a given value of the parameter of the physical field. The first pair of signals is formed from the first and second signals, the second from the third and fourth. In this case, the difference frequencies of the pairs Ω1 and Ω2 are not the same, and the difference between the average frequencies of the first and third pairs is equal to the half-width of the passband of the optical sensor 3. In this case, the device parameters that are optimal in sensitivity and steepness of the measurement conversion are provided.

При заданном (калибровочном) параметре физического поля средняя частота сгенерированных четырех сигналов будет соответствовать расстройке «0», средняя частота первой пары будет расположена с расстройкой «-1», средняя частота второй пары с расстройкой «+1». Их амплитуды будут равны, а разностные частоты пар будут не одинаковы и равны для первой пары Ω1, а второй - Ω2 (фиг.2). При частотном смещении полосы пропускания оптического датчика 3 в зависимости от изменений параметра физического поля положение компонент сгенерированной пары сигналов относительно полосы пропускания будет меняться, будут меняться амплитуды огибающих биений пар и будут меняться разности между амплитудами огибающих биений первой и второй пар, прошедших через оптический датчик 3 в соответствии с представленной зависимостью UΩ1-UΩ2 (фиг.2).For a given (calibration) parameter of the physical field, the average frequency of the generated four signals will correspond to the detuning “0”, the average frequency of the first pair will be located with the detuning “-1”, the average frequency of the second pair will be mismatching “+1”. Their amplitudes will be equal, and the difference frequencies of the pairs will not be the same and equal for the first pair Ω1, and the second - Ω2 (figure 2). With the frequency shift of the passband of the optical sensor 3, depending on the changes in the physical field parameter, the position of the components of the generated signal pair relative to the passband will change, the amplitudes of the envelopes of the beats of the pairs will change, and the differences between the amplitudes of the envelopes of the beats of the first and second pairs passing through the optical sensor 3 in accordance with the presented dependence U Ω1 -U Ω2 ( figure 2).

При известной зависимости величины расстройки полосы пропускания оптического датчика от значения параметра приложенного физического поля (например, для волоконно-оптической решетки Брэгга - типичные значения расстройки в зависимости от температуры ~0.01 нм/К и от относительного удлинения световода ~103ΔL/L (нм) (С.А.Васильев, О.И.Медведков, И.Г.Королев, Е.М.Дианов, Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения, Фотон-Экспресс-Наука, 6, стр.163-183, 2004)) определяют значение параметра приложенного физического поля.With the known dependence of the magnitude of the detuning of the passband of the optical sensor on the value of the parameter of the applied physical field (for example, for the Bragg fiber optic array, typical values of the detuning depending on the temperature are ~ 0.01 nm / K and on the relative fiber elongation ~ 10 3 ΔL / L (nm ) (S.A. Vasiliev, O.I. Medvedkov, I.G. Korolev, E.M. Dianov, Photoinduced fiber gratings of refractive index and their applications, Photon Express-Nauka, 6, pp. 163-183, 2004 )) determine the value of the parameter of the applied physical field.

Таким образом, по полученной разности между амплитудами огибающих биений первой и второй пар UΩ1-UΩ2, прошедших через оптический датчик 3 в соответствии с представленной зависимостью определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика 3 и далее по зависимости обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 от параметра приложенного физического поля в контроллере определения параметра физического поля 10 однозначно определяют параметр измеряемого физического поля.Thus, from the obtained difference between the amplitudes of the envelopes of the beats of the first and second pairs U Ω1 -U Ω2 passing through the optical sensor 3, in accordance with the presented dependence, the generalized detuning of the passband of the optical sensor 3 is determined and then the dependence of the generalized detuning of the passband of the optical sensor 3 on parameter of the applied physical field in the controller determining the parameter of the physical field 10 uniquely determine the parameter of the measured physical field.

Устройство может быть реализовано с использованием различных типов оптических датчиков 3, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и характера приложенного физического поля. Это могут быть волоконная решетка Брэгга или интерферометр Фабри-Перо или тонкопленочный фильтр. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга. При использовании спектральных характеристик оптических датчиков с нелинейной формой вид результирующей характеристики UΩ1-UΩ2 также будет иметь нелинейные участки, однако на однозначности определения физического параметра это не скажется.The device can be implemented using various types of optical sensors 3, the specific form of which is determined depending on the tasks to be solved and the nature of the applied physical field. It can be a Bragg fiber grating or a Fabry-Perot interferometer or a thin-film filter. Dependencies are given under the assumption that the optical sensor has a triangular spectral characteristic, for example, a triangular Bragg grating. When using the spectral characteristics of optical sensors with a non-linear shape, the form of the resulting characteristic U Ω1 -U Ω2 will also have non-linear sections, but this will not affect the unambiguity of determining the physical parameter.

Устройство для измерения параметров физических полей может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1300 нм (возможны и другие длины волн):A device for measuring the parameters of physical fields can be implemented on the following elements, designed to operate at a wavelength of 1300 nm (other wavelengths are possible):

- источник лазерного излучения 1 - два двухчастотных лазерных диода IDL10S-1300 НИИ «Полюс» или лазерных диода ДМПО131-22 ООО НПФ «Дилаз», одночастотный лазерный диод и модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера 500-х-13 компании Laser 2000;- laser radiation source 1 - two two-frequency laser diodes IDL10S-1300 Research Institute "Polyus" or laser diodes DMPO131-22 LLC NPF "Dilaz", a single-frequency laser diode and modulators based on a Mach-Zehnder 500-x-13 interferometer Laser 2000;

- волоконно-оптические кабели 2, 4 - эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;- fiber-optic cables 2, 4 - reference cords or cables TELECOM-TEST of LLC Production and Trade Company SOKOL LLC;

- оптический датчик 3 - волоконная решетка Брэгга, интерферометр Фабри-Перо, тонкопленочные фильтры ООО ИП «НЦВО-Фотоника»;- optical sensor 3 - Bragg fiber grating, Fabry-Perot interferometer, thin-film filters of IP NTsVO-Photonika LLC;

- фотоприемник 5 - высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;- photodetector 5 - high-speed fiber-optic InGaAs / InP microwave broadband PIN photodetectors (receiving modules) of NPF DiLaz, for example, DFDMSh-40-16;

- контроллер 10 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;- controller 10 - microprocessor controller based on chips from Atmel, Microchip, etc .;

- избирательные фильтры 6-7 - фирмы Agilent;- selective filters 6-7 - Agilent;

- амплитудные детекторы 8-9 - сдвоенный амплитудный детектор AD8302-a (Analog Devices).- amplitude detectors 8-9 - dual amplitude detector AD8302-a (Analog Devices).

Для построения датчика параметров физических полей все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.To build a sensor of parameters of physical fields, all of these blocks of generation, reception and processing of signals can be performed on a single chip or in integral design.

По сравнению с существующими устройствами для измерения параметров физических полей с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении, у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной характеристики в зависимости от параметров приложенных физических полей, предложенное устройство с четырехчастотным зондированием оптического датчика и измерением параметра физического поля по разности между амплитудами огибающих биений пар сигналов, прошедших через оптический датчик не требует:Compared with existing devices for measuring the parameters of physical fields using optical sensors, including sensors in integrated and fiber-optic versions, in which there is a dependence of the frequency shift of their spectral characteristics depending on the parameters of the applied physical fields, the proposed device with four-frequency sounding of the optical sensor and measuring the parameter of the physical field according to the difference between the amplitudes of the envelopes of the beats of the pairs of signals transmitted through the optical sensors k does not require:

во-первых, применения сложных дорогостоящих оптических систем определения спектрального смещения или выделения отдельных спектральных компонент для их дальнейшего сравнения, что значительно снижает стоимость устройств;firstly, the use of complex expensive optical systems for determining the spectral bias or the allocation of individual spectral components for their further comparison, which significantly reduces the cost of the devices;

во-вторых, применения для анализа оптических сигналов избирательных элементов, которые обладают собственной зависимостью от изменений измеряемых физических полей.secondly, applications for the analysis of optical signals of selective elements, which have their own dependence on changes in the measured physical fields.

Испытания опытного устройства измерения параметров физических полей были проведены на оптических датчиках, выполненных на волоконных решетках Брэгга, изготовленных в ООО «Инверсия-Файбер» (Новосибирск), откалиброваны на оптических анализаторах спектра EXFO в лаборатории КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева (Казань), и показали, что использование устройства четырехчастотного зондирования оптического датчика с измерением параметра по разности амплитуд огибающих биений пар сигналов, позволило достичь погрешности измерения температуры 0,01°С в диапазоне ±60°С. При этом погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения температуры.Tests of the experimental device for measuring the parameters of physical fields were carried out on optical sensors made on Bragg fiber gratings manufactured at Inversion-Fiber LLC (Novosibirsk), calibrated on optical spectrum analyzers EXFO in the laboratory of KNITU-KAI named after A.N. Tupolev (Kazan), and showed that the use of a four-frequency sensing device of an optical sensor with a parameter measurement by the difference in the amplitudes of the envelopes of the beats of the signal pairs made it possible to achieve a temperature measurement error of 0.01 ° C in the range of ± 60 ° C. In this case, the measurement error was determined mainly by the error of the ADC of the temperature determination controller.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - упрощении, повышении точности и удешевлении устройств измерения параметров физических полей.All this allows us to talk about achieving a solution to the technical problem - simplification, increasing accuracy and cheaper devices for measuring the parameters of physical fields.

Claims (4)

1. Устройство для измерения параметров физических полей, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля, отличающееся тем, что в него введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора, при этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор - к его второму входу.1. A device for measuring the parameters of physical fields, containing a series-connected laser source, a first fiber optic cable, an optical sensor, a second fiber optic cable and a photodetector, as well as a controller for determining a parameter of the physical field, characterized in that two selective filter and two amplitude detectors, while the laser source is made four-frequency, and the output of the photodetector through the first selective filter and the first amplitude detector under It is connected to the first input of the controller determining the parameter of the physical field and in parallel through the second selective filter and the second amplitude detector to its second input. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга.2. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a Bragg fiber grating. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо.3. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a Fabry-Perot interferometer. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе тонкопленочного фильтра.
Figure 00000001
4. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a thin-film filter.
Figure 00000001
RU2012124693/28U 2012-06-14 2012-06-14 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS RU122174U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012124693/28U RU122174U1 (en) 2012-06-14 2012-06-14 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012124693/28U RU122174U1 (en) 2012-06-14 2012-06-14 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU122174U1 true RU122174U1 (en) 2012-11-20

Family

ID=47323615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012124693/28U RU122174U1 (en) 2012-06-14 2012-06-14 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU122174U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU102256U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
CA2288746C (en) Distributed sensing system
CN104864911B (en) High-speed demodulating apparatus and method based on Fabry-perot optical fiber chamber and the double parameter combined measurements of fiber grating
CN102920464B (en) Instrument for measuring haemoglobin concentration and blood oxygen saturation and measuring method
US9170130B2 (en) Fiber-optic sensor device having a second fiber bragg grating unit to reflect light passing through a fiber optic sensor
US10731969B2 (en) In-line fiber sensing, noise cancellation and strain detection
US20060131488A1 (en) Optical wavelength interrogator
CN103278185B (en) Cavity ring-down fiber grating sensing demodulating device based on calibrated fiber grating
CN109342022B (en) Tunable laser wavelength dynamic calibration device and method
RU2512616C2 (en) Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method
RU2608394C1 (en) Device for measuring parameters of physical fields
CN111854812A (en) Sensing demodulation system and sensing demodulation method based on photon lantern optical fiber
CN106017533A (en) Rapid tuning real-time calibration fiber grating demodulation device and work method
CN111811554A (en) Optical cavity ring-down-based large-range high-precision fiber grating sensing method and device
CN103644991B (en) Based on the method for measuring stress of the double optical fiber grating of Distributed Feedback Laser demodulation
CN101769762B (en) Sensing demodulating system for optical chirped-grating
CN108204827A (en) A kind of phase-shifted fiber grating demodulating system
CN103389172B (en) Based on the temperature sensing method of long-period gratings demodulation ordinary optic fibre grating
RU161644U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
RU92180U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
RU2377497C1 (en) Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids
RU2495380C2 (en) Measuring method of parameters of physical fields
RU2721739C1 (en) Fiber-optic instantaneous frequency measuring system of multiple microwave signals
RU122174U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
US20220247498A1 (en) Multi-point self-calibration for broadband optical sensor interrogator

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20180615