RU171551U1 - DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS - Google Patents

DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS Download PDF

Info

Publication number
RU171551U1
RU171551U1 RU2016120549U RU2016120549U RU171551U1 RU 171551 U1 RU171551 U1 RU 171551U1 RU 2016120549 U RU2016120549 U RU 2016120549U RU 2016120549 U RU2016120549 U RU 2016120549U RU 171551 U1 RU171551 U1 RU 171551U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
digital
input
output
bragg
adder
Prior art date
Application number
RU2016120549U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Соловьев
Полина Витальевна Заломнова
Original Assignee
Владимир Александрович Соловьев
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 Владимир Александрович Соловьев filed Critical Владимир Александрович Соловьев
Priority to RU2016120549U priority Critical patent/RU171551U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU171551U1 publication Critical patent/RU171551U1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использована в авиационной и космической технике, химической, нефтехимической и биомедицинской промышленности, транспорте, строительстве. Распределенная волоконно-оптическая система с датчиками Брэгга содержит источник излучения, циркулятор, оптическое волокно, датчики на брэгговских решетках, спектральный анализатор, построенный, например, на основе управляемых несбалансированных интерферометров Маха-Цендера, блок управления и обработки, включающий фотоприемник и микроконтроллер, фотоприемник через усилитель соединен с сигнальным входом синхронного детектора, опорный вход которого соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход синхронного детектора через последовательно соединенные низкочастотный фильтр и детектор полярности соединен с цифровыми входами микроконтроллера. При этом цифровой выход которого соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, а аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом сумматора, второй вход сумматора соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход сумматора через схему согласования подключен к управляющим электродам спектрального анализатора. Технический результат – уменьшение погрешности измерения физических параметров. 6 ил.The utility model relates to fiber-optic measuring equipment and can be used in aviation and space technology, chemical, petrochemical and biomedical industries, transport, construction. A distributed fiber-optic system with Bragg sensors contains a radiation source, a circulator, an optical fiber, sensors based on Bragg gratings, a spectral analyzer built, for example, based on controlled unbalanced Mach-Zehnder interferometers, a control and processing unit including a photodetector and microcontroller, a photodetector through the amplifier is connected to the signal input of a synchronous detector, the reference input of which is connected to a sinusoidal voltage generator, and the output of the synchronous detector is es series-connected low-pass filter and polarity detector connected to the digital inputs of the microcontroller. In this case, the digital output of which is connected to the digital input of the digital-to-analog converter, and the analog output of the digital-to-analog converter is connected to the first input of the adder, the second input of the adder is connected to a sinusoidal voltage generator, and the output of the adder is connected to the control electrodes of the spectral analyzer through a matching circuit. The technical result is a decrease in the measurement error of physical parameters. 6 ill.

Description

Заявляемая полезная модель относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использована в авиационной и космической технике, химической, нефтехимической и биомедицинской промышленности, транспорте, строительстве.The inventive utility model relates to fiber-optic measuring equipment and can be used in aviation and space technology, chemical, petrochemical and biomedical industries, transport, construction.

Одной из ключевых проблем, определяющих практическое применение датчиков Брэгга, является разработка методов и оборудования, позволяющих с высокой точностью измерять малые изменения положений максимума отражения датчиков.One of the key problems that determine the practical application of Bragg sensors is the development of methods and equipment that allow high-precision measurement of small changes in the positions of the maximum reflection of sensors.

В качестве одного из аналогов может быть рассмотрена распределенная волоконно-оптическая измерительная система обработки сигналов волоконно-оптических датчиков Брэгга при помощи спектрального анализатора на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо [1], [2] (см. фиг. 1 Приложения 1).As one of the analogues, a distributed fiber-optic measuring system for processing the signals of Bragg fiber-optic sensors using a spectral analyzer based on a tunable Fabry-Perot interferometer [1], [2] (see Fig. 1 of Appendix 1) can be considered.

Указанная распределенная волоконно-оптическая измерительная система обработки сигналов волоконно-оптических датчиков Брэгга содержит источник излучения 1, циркулятор 2, оптическое волокно и датчики Брэгга 3, спектральный анализатор на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо 4 и фотоприемник 5, установленный в блоке управления и обработки. Источник излучения 1 соединен с входным портом циркулятора 2, который направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 2 к датчикам Брэгга 3 по волоконно-оптическому кабелю. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт циркулятора 2 попадает на выходной порт циркулятора 2 и далее на вход перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо 4. В данном устройстве обработки отраженное от датчиков Брэгга излучение пропускается через фильтр Фабри-Перо, который пропускает только узкую полосу спектра в отраженном широкополосном сигнале. Положение максимума пропускания фильтра зависит от расстояния между зеркалами интерферометра. Закрепление одного из зеркал интерферометра на пьезокерамике (ПК) позволяет управлять спектральным пропусканием фильтра за счет изменения взаимного положения зеркал при подаче напряжения на ПК. Поскольку такой фильтр является управляемым, это позволяет получить спектр отраженного сигнала и, тем самым, произвести измерение положения максимума в его спектре в единицах электрического напряжения в блоке управления и обработки.The specified distributed fiber-optic measuring system for processing signals from fiber-optic Bragg sensors contains a radiation source 1, a circulator 2, an optical fiber and Bragg sensors 3, a spectral analyzer based on a tunable Fabry-Perot interferometer 4 and a photodetector 5 installed in the control and processing unit. The radiation source 1 is connected to the input port of the circulator 2, which directs light energy through the bidirectional port of the circulator 2 to the Bragg sensors 3 via a fiber optic cable. The radiation reflected from the Bragg sensors 3 via a fiber-optic cable and the bidirectional port of the circulator 2 goes to the output port of the circulator 2 and then to the input of the tunable Fabry-Perot interferometer 4. In this processing device, the radiation reflected from the Bragg sensors is passed through the Fabry-Perot filter which passes only a narrow band of the spectrum in the reflected broadband signal. The position of the maximum transmittance of the filter depends on the distance between the mirrors of the interferometer. Fixing one of the mirrors of the interferometer to piezoceramics (PC) allows you to control the spectral transmission of the filter by changing the relative position of the mirrors when applying voltage to the PC. Since such a filter is controllable, this allows one to obtain the spectrum of the reflected signal and, thereby, to measure the position of the maximum in its spectrum in units of electric voltage in the control and processing unit.

Недостатком данной системы измерения является необходимость механических перемещений одного из зеркал интерферометра, что не позволяет работать на высоких частотах, а также ее подверженность механическим вибрациям.The disadvantage of this measurement system is the need for mechanical movements of one of the mirrors of the interferometer, which does not allow working at high frequencies, as well as its susceptibility to mechanical vibrations.

Известна распределенная волоконно-оптическая измерительная система, в которой спектральный анализатор выполнен на основе брэгговского перестраиваемого фильтра [2], [3] (см. фиг. 2 Приложения 1).A distributed fiber-optic measuring system is known in which a spectral analyzer is made on the basis of a Bragg tunable filter [2], [3] (see Fig. 2 of Appendix 1).

В данной распределенной волоконно-оптической измерительной системе источник излучения 1 соединен с входным портом первого циркулятора 2, а его двунаправленный порт волоконно-оптическим кабелем соединен с датчиками Брэгга 3. Выходной порт первого циркулятора 2 соединен с входным портом второго циркулятора 4, а двунаправленный порт второго циркулятора 4 связан с перестраиваемым фильтром на решетке Брэгга 5. Выходной порт второго циркулятора 4 соединен с фотоприемником 6, а фотоприемник - со сканирующим устройством 7, установленным в блоке управления и обработки. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт первого циркулятора 2 попадает на выходной порт первого циркулятора 2 и далее, через входной порт второго циркулятора 4 и двунаправленный порт второго циркулятора 4, на брэгговский перестраиваемый фильтр 5. Отразившись от последнего, излучение через двунаправленный порт второго циркулятора 4 попадает на его выходной порт и далее на фотоприемник 6. Сканирующее устройство 7 изменяет период решетки Брэгга 5 и, как следствие, длину волны. Блок управления и обработки фиксирует, на какой длине волны с фотоприемника 6 будет максимальный сигнал.In this distributed fiber-optic measuring system, the radiation source 1 is connected to the input port of the first circulator 2, and its bidirectional port is connected by a fiber-optic cable to the Bragg sensors 3. The output port of the first circulator 2 is connected to the input port of the second circulator 4, and the bidirectional port of the second the circulator 4 is connected to a tunable filter on the Bragg grating 5. The output port of the second circulator 4 is connected to a photodetector 6, and the photodetector is connected to a scanning device 7 installed in the unit ION and handling. The radiation reflected from the Bragg sensors 3 through the fiber-optic cable and the bidirectional port of the first circulator 2 goes to the output port of the first circulator 2 and then, through the input port of the second circulator 4 and the bidirectional port of the second circulator 4, to the Bragg tunable filter 5. Reflected from last, the radiation through the bidirectional port of the second circulator 4 goes to its output port and then to the photodetector 6. The scanning device 7 changes the period of the Bragg grating 5 and, as a result, the wavelength. The control and processing unit fixes at what wavelength from the photodetector 6 there will be a maximum signal.

Недостатком данной системы измерения является ее низкая помехозащищенность.The disadvantage of this measurement system is its low noise immunity.

Известна распределенная волоконно-оптическая измерительная система, в которой спектральный анализатор выполнен на основе интерферометра Маха-Цендера с несбалансированными плечами [4] (см. фиг. 1 Приложения 2).A distributed fiber-optic measuring system is known in which a spectral analyzer is based on a Mach-Zehnder interferometer with unbalanced arms [4] (see Fig. 1 of Appendix 2).

Указанная измерительная система содержит источник излучения 1, соединенный с входным портом циркулятора 2, который направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 2 к датчику Брэгга 3 по волоконно-оптическому кабелю. Выходной порт циркулятора 2 соединен с входом волоконного интерферометра Маха-Цендера с несбалансированными плечами 4, а его выход соединен с фотоприемником 7 с усилителем. Выход с усилителя соединен с устройством сдвига фазы 5 и системой регистрации световых импульсов 6, установленной в блоке управления и обработки сигналов.The specified measuring system contains a radiation source 1 connected to the input port of the circulator 2, which directs light energy through the bidirectional port of the circulator 2 to the Bragg sensor 3 via a fiber optic cable. The output port of the circulator 2 is connected to the input of the Mach-Zehnder fiber interferometer with unbalanced arms 4, and its output is connected to the photodetector 7 with an amplifier. The output from the amplifier is connected to a phase-shifting device 5 and a system for registering light pulses 6 installed in the control and signal processing unit.

Система работает следующим образом Излучение, отраженное от датчика Брэгга 3, пропускается через неравноплечий интерферометр Маха-Цендера 4 с управляемой разностью хода

Figure 00000001
, где:The system operates as follows. Radiation reflected from the Bragg sensor 3 is passed through an uneven Mach-Zehnder 4 interferometer with a controlled path difference.
Figure 00000001
where:

π равно 3,14;π is 3.14;

n - показатель преломления;n is the refractive index;

λ - длина волны;λ is the wavelength;

d - разность длин плеч интерферометра.d is the difference in the lengths of the arms of the interferometer.

С изменением разности фаз интерферометра изменяется положение максимума пропускания, которое описывается зависимостью (1+cosϕ). При совпадении максимума спектра отраженного сигнала в результате внешнего воздействия на датчик Брэгга с максимумом пропускания интерферометра Маха-Цендера на фотоприемнике 7 будет наблюдаться скачок сигнала. Оптимизированный усилителем сигнал с фотоприемника 7 используется для определения длины волны, на которой произошел скачок сигнала, системой регистрации световых импульсов 6, установленной в блоке управления и обработки сигналов.With a change in the phase difference of the interferometer, the position of the maximum transmittance changes, which is described by the dependence (1 + cosϕ). When the maximum of the spectrum of the reflected signal coincides as a result of external action on the Bragg sensor with the maximum transmission of the Mach-Zehnder interferometer, a signal jump will be observed at the photodetector 7. The signal optimized by the amplifier from the photodetector 7 is used to determine the wavelength at which the signal jumped, by the system of registration of light pulses 6, installed in the control unit and signal processing.

Недостатками данной системы измерения являются пологая передаточная характеристика неравноплечего интерферометра Маха-Цендера в области ϕ=0 и низкая помехозащищенность системы при определении информационного скачка сигнала.The disadvantages of this measurement system are the shallow transfer characteristic of the unequal Mach-Zehnder interferometer in the region ϕ = 0 and the low noise immunity of the system when determining the information jump of the signal.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является «ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ)» [5], содержащая широкополосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки и перестраиваемый элемент (см. фиг. 2а, фиг. 2б Приложения 2).The closest analogue (prototype) of the claimed utility model is “FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM (OPTIONS)” [5], containing a broadband radiation source, an optical splitter for several channels, a circulator, an optical receiver, an optical fiber sensor, a control and processing unit and a tunable element (see Fig. 2a, Fig. 2b of Appendix 2).

Перестраиваемый элемент согласно первому варианту устройства выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. Перестраиваемый элемент согласно второму варианту содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр. Перестраиваемые элементы выполнены на основе электрооптического кристалла типа ниобата лития или танталата лития.The tunable element according to the first embodiment of the device is made on the basis of an electro-optical modulator constructed according to the scheme of an unbalanced Mach-Zehnder interferometer. The tunable element according to the second embodiment comprises a circulator and an electro-optical tunable filter. Tunable elements are made on the basis of an electro-optical crystal such as lithium niobate or lithium tantalate.

На фиг. 2а Приложения 2 представлена схема волоконно-оптической измерительной системы со спектрометром на основе несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. На фиг. 2б Приложения 2 представлена схема волоконно-оптической измерительной системы со спектрометром на основе электрооптического перестраиваемого фильтра на решетке Брэгга.In FIG. Appendix 2a shows a diagram of a fiber-optic measuring system with a spectrometer based on an unbalanced Mach-Zehnder interferometer. In FIG. 2b of Appendix 2 presents a diagram of a fiber-optic measuring system with a spectrometer based on an electro-optical tunable filter on a Bragg grating.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг. 2а Приложения 2) содержит широкополосный источник излучения 1, оптический разветвитель на несколько каналов 2, циркулятор 3, оптический приемник 5, оптоволоконный датчик 4, блок управления и обработки 6, перестраиваемый элемент 7, при этом выход широкополосного источника излучения 1 соединен с оптическим ответвителем 2, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора 3, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком 4, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом 7, который в свою очередь соединен с оптическим приемником 5, подключенным к блоку управления и обработки 6, а управляющие выходы с процессорного блока 6 соединены с перестраиваемым элементом 7, при этом перестраиваемый элемент 7 выполнен на основе электрооптического модулятора 8, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.The fiber-optic measuring system according to option 1 (Fig. 2a of Appendix 2) contains a broadband radiation source 1, an optical splitter for several channels 2, a circulator 3, an optical receiver 5, an optical fiber sensor 4, a control and processing unit 6, a tunable element 7, with the output of the broadband radiation source 1 is connected to an optical coupler 2, one of the outputs of which is connected to the first input of the circulator 3, the second output of which is connected to the fiber optic sensor 4, and the third output is connected to the tunable m element 7, which in turn is connected to an optical receiver 5 connected to the control and processing unit 6, and the control outputs from the processor unit 6 are connected to the tunable element 7, while the tunable element 7 is based on the electro-optical modulator 8, constructed according to the scheme unbalanced Mach-Zehnder interferometer.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг. 2б Приложения 2) отличается тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор 9 и электрооптический перестраиваемый фильтр 10, причем второй вход циркулятора 9 соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра 10.The fiber-optic measuring system according to option 2 (Fig. 2b of Appendix 2) is characterized in that the tunable element comprises a circulator 9 and an electro-optical tunable filter 10, the second input of the circulator 9 being connected to the input of the electro-optical tunable filter 10.

Устройство по варианту 1 и 2 работает следующим образом. Широкополосный источник излучения 1 соединен с ответвителем 2, который направляет световую энергию по разным каналам, каждый канал соединен с циркулятором 3, куда излучение попадает на первый вход и выходит на втором выходе, соединенном с одним или несколькими датчиками Фабри-Перо и/или решетками Брэгга 4. Излучение, отразившись от датчиков и изменив свой спектр, попадает на второй выход циркулятора 3, выходит на третьем выходе и попадает на перестраиваемый элемент 7, который представляет собой по варианту 1 несбалансированный интерферометр Маха-Цендера 8, изготовленный на электрооптическом кристалле типа ниобата лития, а по варианту 2 состоит из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра 10. При подаче с блока управления и обработки 6 на перестраиваемый элемент 7, например, линейно нарастающего напряжения, пропорционально изменяется разность фазы между плечами интерферометра 8 и, таким образом, производится сканирование спектра. Излучение, проходя по плечам электрооптического модулятора 8, интерферирует на его выходе и попадает на оптический приемник 5, электрический сигнал с которого принимается блоком управления и обработки сигнала 6.The device according to option 1 and 2 works as follows. A broadband radiation source 1 is connected to a coupler 2, which directs light energy through different channels, each channel is connected to a circulator 3, where the radiation enters the first input and exits at the second output connected to one or more Fabry-Perot sensors and / or Bragg gratings 4. The radiation, reflected from the sensors and changing its spectrum, goes to the second output of the circulator 3, goes to the third output and gets to the tunable element 7, which is option 1 unbalanced interferometer Mach-Zehnder 8, made on an electro-optical crystal such as lithium niobate, and according to option 2, consists of a circulator 9 and an electro-optical tunable filter 10. When a modulating voltage 7 is supplied from the control and processing unit 6 to a tunable element 7, for example, the phase difference increases proportionally between the arms of the interferometer 8 and, thus, the spectrum is scanned. The radiation passing along the shoulders of the electro-optical modulator 8 interferes at its output and enters the optical receiver 5, the electric signal from which is received by the control and signal processing unit 6.

По варианту 2 излучение с выхода циркулятора 3 попадает на перестраиваемый элемент 7, который состоит из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра на основе брэгговской решетки 10. Излучение, попадая на первый вход циркулятора 9, проходит на второй его вход и попадает на электрооптический перестраиваемый фильтр 10, отражаясь от которого, снова проходит через циркулятор 7 и выход на третьем выходе. При подаче от блока управления и обработки напряжения, например, пилообразной формы, происходит изменение спектра отражения фильтра 9 и, таким образом, производится сканирование спектра излучения, отраженного от датчиков 4.In option 2, the radiation from the output of the circulator 3 enters the tunable element 7, which consists of a circulator 9 and an electro-optical tunable filter based on the Bragg grating 10. The radiation, reaching the first input of the circulator 9, passes to its second input and enters the electro-optical tunable filter 10 , reflecting from which, again passes through the circulator 7 and the output at the third output. When a voltage is applied from the control and processing unit, for example, in a sawtooth shape, the reflection spectrum of the filter 9 changes, and thus, the spectrum of the radiation reflected from the sensors 4 is scanned.

Недостатком данной системы измерения является ее низкая помехозащищенность, не позволяющая с высокой точностью измерять малые изменения положений максимумов отражения брэгговских решеток при определении информационной длины волны.The disadvantage of this measurement system is its low noise immunity, which does not allow high accuracy to measure small changes in the positions of the reflection maxima of the Bragg gratings when determining the information wavelength.

Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение погрешности измерения физических параметров.The objective of the claimed utility model is to reduce the measurement error of physical parameters.

Технический результат, направленный на достижение поставленной задачи, достигается за счет повышения точности измерения длин волн, на которых находятся максимумы отражений датчиков Брэгга, и заключается в том, что в известной распределенной волоконно-оптической системе, содержащей источник излучения, циркуляторы, оптическое волокно, датчики на брэгговских решетках, спектральный анализатор на основе управляемых несбалансированных интерферометров, например Маха-Цендера, блок управления, включающий фотоприемник и микроконтроллер, фотоприемник через усилитель соединен с сигнальным входом синхронного детектора, опорный вход которого соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход синхронного детектора через последовательно соединенные низкочастотный фильтр и детектор полярности соединен с цифровыми входами микроконтроллера, цифровой выход которого соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, при этом аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом сумматора, второй вход сумматора соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход сумматора через схему согласования подключен к управляющим электродам спектрального анализатора.The technical result aimed at achieving the task is achieved by increasing the accuracy of measuring the wavelengths at which the reflection maxima of the Bragg sensors are located, and lies in the fact that in the known distributed fiber optic system containing a radiation source, circulators, optical fiber, sensors on Bragg gratings, a spectral analyzer based on controlled unbalanced interferometers, for example, Mach-Zehnder, a control unit including a photodetector and microcontroller, ph the receiver is connected through an amplifier to the signal input of a synchronous detector, the reference input of which is connected to a sinusoidal voltage generator, and the output of the synchronous detector is connected through a series-connected low-pass filter and a polarity detector to the digital inputs of the microcontroller, the digital output of which is connected to the digital input of the digital-to-analog converter, while the output of the digital-to-analog converter is connected to the first input of the adder, the second input of the adder is connected to the generator voltage, and the output of the adder through the matching circuit is connected to the control electrodes of the spectral analyzer.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемой распределенной волоконно-оптической измерительной системы с датчиками Брэгга.In FIG. 1 is a functional diagram of the inventive distributed fiber optic measuring system with Bragg sensors.

Распределенная волоконно-оптическая измерительная система содержит:Distributed fiber optic measuring system contains:

- широкополосный источник излучения 1;- broadband radiation source 1;

- циркулятор 2;- circulator 2;

- оптоволоконные датчики Брэгга 3;- fiber optic Bragg sensors 3;

- блок управления и обработки 4;- control and processing unit 4;

- спектральный анализатор 5;- spectrum analyzer 5;

- фотоприемник 6;- photodetector 6;

- усилитель 7;- amplifier 7;

- синхронный детектор 8;- synchronous detector 8;

- генератор синусоидального напряжения 9;- sinusoidal voltage generator 9;

- низкочастотный фильтр 10;- low-pass filter 10;

- детектор полярности 11;- polarity detector 11;

- микроконтроллер 12;- microcontroller 12;

- цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13;- digital-to-analog converter (DAC) 13;

- сумматор 14;- adder 14;

- схему согласования 15.- approval scheme 15.

Выход спектрального анализатора 5 последовательно соединен с фотоприемником 6, усилителем 7 и с сигнальным входом синхронного детектора 8, генератор синусоидального напряжения 9 соединен с опорным входом синхронного детектора 8, выход которого через низкочастотный фильтр 10 и детектор полярности 11 соединен с цифровыми входами микроконтроллера 12, цифровой выход микроконтроллера 12 соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя 13, аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с одним из входов сумматора 14, второй вход сумматора 14 соединен с генератором синусоидального напряжения 9, выход сумматора 14 через схему согласования 15 подключен к управляющим электродам спектрального анализатора 5, выполненного, например, по схеме несбалансированных интерферометров Маха-Цендера.The output of the spectral analyzer 5 is connected in series with the photodetector 6, amplifier 7, and with the signal input of the synchronous detector 8, the sinusoidal voltage generator 9 is connected to the reference input of the synchronous detector 8, the output of which is connected to the digital inputs of the microcontroller 12 through a low-pass filter 10 and the polarity detector 11, digital the output of the microcontroller 12 is connected to the digital input of the digital-to-analog converter 13, the analog output of the digital-to-analog converter is connected to one of the inputs of the adder 14, the second input of the adder 14 is connected to the sinusoidal voltage generator 9, the output of the adder 14 via a matching circuit 15 connected to the control electrodes of the spectral analyzer 5, made, for example, according to the scheme of unbalanced Mach-Zehnder interferometers.

Система работает следующим образом. Широкополосный источник излучения 1, соединенный с входным портом циркулятора 2, направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 2 к датчикам Брэгга 3 по волоконно-оптическому кабелю. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт циркулятора 2 попадает на выходной порт циркулятора 2 и поступает в блок управления и обработки 4 на вход спектрального анализатора 5, построенного на основе, например, несбалансированных интерферометров Маха-Цендера. На управляющие электроды несбалансированных интерферометров Маха-Цендера от генератора синусоидального напряжения 9 через сумматор 14 и схему согласования 15 подается напряжение, изменяющее разность хода плеч интерферометров по синусоидальному закону, как это показано на фиг. 2, где:The system operates as follows. A broadband radiation source 1, connected to the input port of the circulator 2, directs light energy through the bi-directional port of the circulator 2 to the Bragg sensors 3 via a fiber optic cable. The radiation reflected from the Bragg sensors 3 through the fiber-optic cable and the bidirectional port of the circulator 2 goes to the output port of the circulator 2 and enters the control and processing unit 4 to the input of the spectral analyzer 5, based on, for example, unbalanced Mach-Zehnder interferometers. The control electrodes of unbalanced Mach-Zehnder interferometers from the sinusoidal voltage generator 9 are supplied via the adder 14 and the matching circuit 15 with a voltage that changes the difference in the travel of the arms of the interferometers according to a sinusoidal law, as shown in FIG. 2, where:

Ф - интенсивность излучения;F - radiation intensity;

λ - длина волны.λ is the wavelength.

Это приводит к тому, что положение максимума пропускания по шкале длин волн интерферометров Маха-Цендера также меняется по синусоидальному закону. Одновременно с этим микроконтроллер 12 на своих цифровых выходах программным образом выставляет последовательно нарастающие кодовые комбинации, попадающие на цифровой вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13, в результате чего напряжение на выходе ЦАП 13 ступенчато-линейно увеличивается. Величина ступеньки определяется разрядностью ЦАП. Таким образом, на входах сумматора 14, а также на управляющих электродах спектрального анализатора 5 одновременно присутствуют синусоидальное и линейно нарастающее напряжение, что приводит к соответствующему изменению разности хода плеч интерферометров. В результате этого сигнал на фотоприемнике 6 будет иметь вид, как показано на фиг. 2. То есть на восходящем участке спектра отражения датчика Брэгга сигнал на входе в синхронный детектор 8 будет совпадать по фазе с напряжением с генератора 9, а на нисходящем участке спектра отражения датчиков Брэгга сигнал на входе в синхронный детектор 8 будет отличаться по фазе с напряжением с генератора 9 на 180 градусов. В точке максимума спектра отражения датчика Брэгга сигнал на входе в синхронный детектор 8 будет иметь значительно меньшую амплитуду и удвоенную частоту. На выходе синхронного детектора 8 после низкочастотного фильтра 10 будет положительное постоянное напряжение на восходящем участке спектра отражения датчика Брэгга, близкое к нулю точки максимума спектра, и отрицательное постоянное напряжение - на нисходящем участке спектра отражения датчика Брэгга. Детектор полярности 11 выставит логическую единицу на первый цифровой выход, если рабочая точка спектрометра находится на восходящем участке спектра отражения брэгговской решетки. Если рабочая точка спектрометра находится на нисходящем участке спектра отражения датчика Брэгга, детектор полярности 11 выставит логическую единицу на второй цифровой выход. На цифровом выходе детектора полярности 11 будет логический ноль, если длина волны спектрометра находится в точке максимума спектра отражения датчика Брэгга.This leads to the fact that the position of the maximum transmittance on the wavelength scale of Mach-Zehnder interferometers also varies according to a sinusoidal law. At the same time, the microcontroller 12 at its digital outputs programmatically sets up sequentially increasing code combinations falling on the digital input of the digital-to-analog converter (DAC) 13, as a result of which the voltage at the output of the DAC 13 increases stepwise-linearly. The magnitude of the step is determined by the bit depth of the DAC. Thus, at the inputs of the adder 14, as well as on the control electrodes of the spectral analyzer 5, there is simultaneously a sinusoidal and linearly increasing voltage, which leads to a corresponding change in the difference in the travel of the arms of the interferometers. As a result of this, the signal at the photodetector 6 will have the form as shown in FIG. 2. That is, in the upstream portion of the reflection spectrum of the Bragg sensor, the signal at the input to the synchronous detector 8 will be in phase with the voltage from the generator 9, and in the downstream portion of the reflection spectrum of the Bragg sensors, the signal at the entrance to the synchronous detector 8 will differ in phase with voltage generator 9 180 degrees. At the maximum point of the reflection spectrum of the Bragg sensor, the signal at the input to the synchronous detector 8 will have a significantly lower amplitude and doubled frequency. At the output of the synchronous detector 8, after the low-pass filter 10, there will be a positive constant voltage on the upstream portion of the reflection spectrum of the Bragg sensor, close to zero of the peak point of the spectrum, and a negative DC voltage on the downstream portion of the reflection spectrum of the Bragg sensor. The polarity detector 11 will set the logic unit to the first digital output if the operating point of the spectrometer is on the upstream portion of the reflection spectrum of the Bragg grating. If the operating point of the spectrometer is on the downstream portion of the reflection spectrum of the Bragg sensor, the polarity detector 11 will set the logic unit to the second digital output. At the digital output of the polarity detector 11, there will be a logical zero if the wavelength of the spectrometer is at the maximum point of the reflection spectrum of the Bragg sensor.

Эти цифровые сигналы будут приняты микроконтроллером 12, и по величине кода на входе ЦАП 13 в этот момент времени будет определена информационная длина волны отраженного излучения соответствующего датчика Брэгга.These digital signals will be received by the microcontroller 12, and the information wavelength of the reflected radiation of the corresponding Bragg sensor will be determined from the code at the input of the DAC 13 at this point in time.

Заявляемая полезная модель за счет высокой чувствительности синхронного детектора, а также его способности выделять сигнал на фоне чрезвычайного мощного шума позволит с высокой точностью измерять малые изменения положений максимума отражения датчика Брэгга.The inventive utility model due to the high sensitivity of the synchronous detector, as well as its ability to emit a signal against the background of extraordinary powerful noise, will make it possible to measure with small accuracy small changes in the positions of the maximum reflection of the Bragg sensor.

Широкополосным источником излучения может быть стандартный суперлюминесцентный светоизлучающий диод, работающий на центральной длине волны 1,55 мкм.The broadband radiation source may be a standard superluminescent light emitting diode operating at a central wavelength of 1.55 μm.

Все компоненты системы, в том числе циркулятор и оптический приемник, являются стандартными для телекоммуникационных применений; блок управления и обработки может быть выполнен с использованием стандартной аналоговой и микропроцессорной техники.All system components, including the circulator and optical receiver, are standard for telecommunication applications; control and processing unit can be performed using standard analog and microprocessor technology.

Приведенный в качестве возможной основы для спектрального анализатора управляемый несбалансированный электрооптический интерферометр Маха-Цендера может быть выполнен на электрооптическом кристалле типа ниобата лития или танталата лития стандартным методом получения интегрально-оптических схем.The controllable unbalanced Mach-Zehnder electro-optical interferometer, presented as a possible basis for a spectral analyzer, can be performed on an electro-optical crystal such as lithium niobate or lithium tantalate by the standard method for producing integrated-optical circuits.

Технический результат достигается повышением точности измерения длин волн, на которых находятся максимумы отражений датчиков Брэгга. Обеспечивается модуляция показателя преломления спектрального анализатора, а последующее синхронное детектирование позволяет выделить сигнал на фоне чрезвычайного мощного шума, что дает возможность создания компактного спектрометра, который не имеет распределенных в пространстве элементов и механически двигающихся частей, тем самым создается возможность повышения надежности системы, увеличения скорости измерения и упрощения устройства.The technical result is achieved by increasing the accuracy of measuring the wavelengths at which the reflection maxima of the Bragg sensors are located. The refractive index of the spectral analyzer is modulated, and subsequent synchronous detection makes it possible to isolate the signal against the background of extremely powerful noise, which makes it possible to create a compact spectrometer that does not have elements distributed in the space and mechanically moving parts, thereby increasing the reliability of the system and increasing the measurement speed and simplify the device.

Источники информацииInformation sources

1. Kersey A.D. Berkoff Т.A. Morey W.W. Multiplexed fiber Bragg grating strain sensor-system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, №16. - P. 1370-1372.1. Kersey A.D. Berkoff T.A. Morey W.W. Multiplexed fiber Bragg grating strain sensor-system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, No. 16. - P. 1370-1372.

2. Кульчин Ю.H. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. - М.: Физматлит, 2001. - 272 с.2. Kulchin Yu.H. Distributed fiber optic measuring systems. - M .: Fizmatlit, 2001 .-- 272 p.

3. Jackson D.A. Ribeiro А.В.L. Simple multiplexing scheme for a fiberoptic grating sensor network // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, №14. - P. 1192-1194.3. Jackson D.A. Ribeiro A.V. L. Simple multiplexing scheme for a fiberoptic grating sensor network // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, No. 14. - P. 1192-1194.

4. Kersey A.D. A review of recent developments in fiber optic sensor technology // Optical fiber technology. - 1996. - Vol. 2, №3. - P. 291-317.4. Kersey A.D. A review of recent developments in fiber optic sensor technology // Optical fiber technology. - 1996. - Vol. 2, No. 3. - P. 291-317.

5. Патент 2520963, Российская Федерация, МПК G01B 9/02, G01D 5/26. Волоконно-оптическая измерительная система (варианты) / Яцеев В.А.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Оптические измерительные системы». - №2012135565/28; заявл. 20.08.12; опубл. 27.02.14, бюл. №6. - 1 с.: ил.5. Patent 2520963, Russian Federation, IPC G01B 9/02, G01D 5/26. Fiber-optic measuring system (options) / Yaceev V.A .; Applicant and patent holder Optical Measuring Systems Limited Liability Company. - No. 2012135565/28; declared 08/20/12; publ. 02/27/14, bull. No. 6. - 1 p.: Ill.

Claims (1)

Распределенная волоконно-оптическая измерительная система с датчиками Брэгга, содержащая источник излучения, циркулятор, оптическое волокно, датчики на брэгговских решетках, спектральный анализатор, построенный, например, на основе управляемых несбалансированных интерферометров Маха-Цендера, блок управления и обработки, включающий фотоприемник и микроконтроллер, отличающаяся тем, что фотоприемник через усилитель соединен с сигнальным входом синхронного детектора, опорный вход которого соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход синхронного детектора через последовательно соединенные низкочастотный фильтр и детектор полярности соединен с цифровыми входами микроконтроллера, цифровой выход которого соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, при этом аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом сумматора, второй вход сумматора соединен с генератором синусоидального напряжения, а выход сумматора через схему согласования подключен к управляющим электродам спектрального анализатора.A distributed fiber-optic measuring system with Bragg sensors, containing a radiation source, a circulator, an optical fiber, sensors based on Bragg gratings, a spectral analyzer constructed, for example, based on controlled unbalanced Mach-Zehnder interferometers, a control and processing unit including a photodetector and microcontroller, characterized in that the photodetector is connected through an amplifier to the signal input of a synchronous detector, the reference input of which is connected to a sinusoidal voltage generator the output of the synchronous detector through a series-connected low-pass filter and a polarity detector is connected to the digital inputs of the microcontroller, the digital output of which is connected to the digital input of the digital-to-analog converter, while the analog output of the digital-to-analog converter is connected to the first input of the adder, the second input of the adder is connected to a sinusoidal voltage generator and the adder output through the matching circuit is connected to the control electrodes of the spectral analyzer.
RU2016120549U 2016-05-25 2016-05-25 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS RU171551U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016120549U RU171551U1 (en) 2016-05-25 2016-05-25 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016120549U RU171551U1 (en) 2016-05-25 2016-05-25 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU171551U1 true RU171551U1 (en) 2017-06-06

Family

ID=59032664

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016120549U RU171551U1 (en) 2016-05-25 2016-05-25 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU171551U1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672794C1 (en) * 2017-08-22 2018-11-19 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных и оптических систем" Physical effects distributed control method and device
RU2679474C1 (en) * 2017-12-26 2019-02-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Rebuildable fiber-optic two-mirror reflective interferometer
RU191082U1 (en) * 2018-12-17 2019-07-23 Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings
RU192705U1 (en) * 2018-12-17 2019-09-26 Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings
RU194138U1 (en) * 2019-08-16 2019-11-28 Государственное научно-производственное объединение "Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника" Radio-photon device for the formation of ultra-wideband microwave signals
RU2715347C1 (en) * 2019-08-01 2020-02-26 Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" Fiber-optic voltage meter
RU2720264C1 (en) * 2019-07-26 2020-04-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Tunable fiber reflective interferometer
RU2780667C1 (en) * 2021-11-30 2022-09-28 Федеральное государственное военное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации Adaptive device for measuring the parameters of projectile motion at the stage of internal ballistics

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2272991C2 (en) * 2004-03-24 2006-03-27 Валентин Михайлович Геликонов Device for measurements of interference
WO2008028138A2 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Micron Optics, Inc. Method and apparatus for high frequency optical sensor interrogation
RU2008137380A (en) * 2008-09-19 2010-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Оптические измерительные системы" (RU) FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM (OPTIONS)
RU2485454C2 (en) * 2011-06-24 2013-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инновационное предприятие "НЦВО-ФОТОНИКА" (ООО ИП "НЦВО-Фотоника") Distributed fibre-optic system of vibroacoustic signals registration

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2272991C2 (en) * 2004-03-24 2006-03-27 Валентин Михайлович Геликонов Device for measurements of interference
WO2008028138A2 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Micron Optics, Inc. Method and apparatus for high frequency optical sensor interrogation
RU2008137380A (en) * 2008-09-19 2010-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Оптические измерительные системы" (RU) FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM (OPTIONS)
RU2485454C2 (en) * 2011-06-24 2013-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инновационное предприятие "НЦВО-ФОТОНИКА" (ООО ИП "НЦВО-Фотоника") Distributed fibre-optic system of vibroacoustic signals registration

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672794C1 (en) * 2017-08-22 2018-11-19 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных и оптических систем" Physical effects distributed control method and device
RU2679474C1 (en) * 2017-12-26 2019-02-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Rebuildable fiber-optic two-mirror reflective interferometer
RU191082U1 (en) * 2018-12-17 2019-07-23 Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings
RU192705U1 (en) * 2018-12-17 2019-09-26 Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings
RU2720264C1 (en) * 2019-07-26 2020-04-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Tunable fiber reflective interferometer
RU2715347C1 (en) * 2019-08-01 2020-02-26 Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" Fiber-optic voltage meter
RU194138U1 (en) * 2019-08-16 2019-11-28 Государственное научно-производственное объединение "Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника" Radio-photon device for the formation of ultra-wideband microwave signals
RU2780667C1 (en) * 2021-11-30 2022-09-28 Федеральное государственное военное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации Adaptive device for measuring the parameters of projectile motion at the stage of internal ballistics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU171551U1 (en) DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS
US10895477B2 (en) Sine-cosine optical frequency encoder devices based on optical polarization properties
WO1998053277A1 (en) Distributed sensing system
US20040119981A1 (en) Active Q-point stabilization for linear interferometric sensors
JPH0231113A (en) Interferometer sensor and use of the same in interferometer device
Markvart et al. Smartphone-based interrogation of a chirped FBG strain sensor inscribed in a multimode fiber
RU102256U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
Gubaidullin et al. Application of Gaussian Function for Modeling Two-Frequency Radiation from Addressed FBG
US4974961A (en) Optical fibre measuring system
CN105806374A (en) Fiber bragg grating wavelength demodulation method
US11162821B2 (en) Fibre optic sensing device
GB2490497A (en) A stationary waveguide spectrum analyser
Misbakhov Combined raman DTS and address FBG sensor system for distributed and point temperature and strain compensation measurements
Misbakhov Combined brillouin OFDA and address FBG sensor system for distributed and point temperature measurements
Lipatnikov et al. Fiber-Оptic Vibration Sensor «VIB-A»
RU2527308C1 (en) Fibre-optic thermometer
RU2624837C1 (en) Fiber-optic interferometric device for detecting phase signals
RU191082U1 (en) Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings
AU2018377066B2 (en) A system for interrogating an interferometer, an interferometric system and a method for interrogating an interferometer
RU2520963C2 (en) Optic fibre measuring system (versions)
RU2825750C1 (en) Fiber-optic measurement system
Gaskov et al. Calibration and demodulation for signals in FBG-interrogator based on photonic integrated circuit
RU2824305C1 (en) Device for detecting small changes in the length of interference fiber-optic sensors
Lei et al. High-resolution micro-displacement measurement using a fiber MZI based on microwave photonics filter
WO2015112042A1 (en) Method for increasing sensitivity of fiber-optic gyroscope

Legal Events

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

Effective date: 20170518