RU192790U1 - Волоконно-оптический датчик перемещений - Google Patents
Волоконно-оптический датчик перемещений Download PDFInfo
- Publication number
- RU192790U1 RU192790U1 RU2019119369U RU2019119369U RU192790U1 RU 192790 U1 RU192790 U1 RU 192790U1 RU 2019119369 U RU2019119369 U RU 2019119369U RU 2019119369 U RU2019119369 U RU 2019119369U RU 192790 U1 RU192790 U1 RU 192790U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- radiation
- segment
- multimode
- displacements
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/0229—Optical fibres with cladding with or without a coating characterised by nanostructures, i.e. structures of size less than 100 nm, e.g. quantum dots
Abstract
Заявленное устройство относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам перемещений, деформаций, и может быть использовано, например, в системах мониторинга несущих конструкций строительных сооружений. В данном устройстве для измерения перемещений, деформаций используется тот факт, что интерференция когерентного излучения в сегменте многомодового ступенчатого волоконного световода, возбуждаемого излучением одномодового волоконного световода, при определенных размерах сегмента приводит к достаточно простой структуре «спекл» - картины, которая имеет вид тонкого кольца в плоскости выходного торца световода, при этом смещение (деформация) световода приводит к смещению (деформации) указанного кольца, определяемых по изменению интенсивностей световых потоков, поступающих в неподвижный волоконно-оптический жгут с приемными световодами. Использование сегмента многомодового волоконного световода с квантовыми точками в сердцевине, обладающими свойством фотолюминесценции, позволяет определить путем анализа характеристик излучения люминесценции степень влияния внешних дестабилизирующих факторов и внести соответствующие поправки при определении смещений (деформаций).Волоконно-оптический датчик перемещений содержит источник когерентного излучения - лазер, оптический модулятор, передающий одномодовый оптический кабель, оптоволоконный преобразователь перемещения с чувствительным элементом на основе многомодового ступенчатого световода с квантовыми точками, волоконно-оптический жгут с приемными световодами, спектрально селективные фотоприемники. Технический результат: повышение точности измерений с одновременным упрощением конструкции ВОД перемещений и алгоритма обработки сигналов.
Description
Полезная модель (ПМ) относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам (ВОД) перемещений (ВОДП), и может быть использована, например, в системах мониторинга состояния несущих конструкций строительных сооружений. Важно подчеркнуть, что на основе ВОДП возможно создание целого ряда ВОД других физических величин [1] (угла наклона, вибраций, ускорений, температуры и др.), что обусловливает особый интерес к этому типу ВОД.
Цель полезной модели - повышение точности измерений и упрощение конструкции ВОД перемещений, которая достигается за счет использования в качестве чувствительного элемента (ЧЭ) ВОДП многомодового ступенчатого волоконного световода с квантовыми точками (МСКТ) и реализации в МСКТ особого режима многомодовой интерференции света за счет возбуждения его излучением одномодового волоконного световода.
Известен ВОД перемещений [2,3], основанный на измерении деформаций сегмента многомодового волоконного световода, вызванных контролируемыми перемещениями, содержащий источник когерентного света - лазер, излучение которого поступает на вход указанного сегмента многомодового волоконного осветительного световода и с его выхода излучение поступает через небольшой зазор в неподвижный волоконно-оптический жгут с приемными световодами, выходы которых подключены к матрице фотоприемников, выходные сигналы которых позволяют определить распределение интенсивности лазерного излучения в плоскости торца жгута приемных световодов. Принцип действия указанного ВОД перемещений основан на явлении интерференции когерентного излучения в многомодовом осветительном световоде, которое обеспечивает высокую чувствительность пространственного распределения интенсивности излучения в плоскости торца жгута (так называемой «спекл» - картины) к поперечным смещениям и деформациям осветительного световода. Основным недостатком известного ВОД является недостаточная точность измерений из-за высокой чувствительности интерференционных эффектов не только к измеряемым смещениям (деформациям), но также и к возмущающим факторам, таким как случайные изменения температуры, влияние электрических и магнитных полей-помех и др., оказывающим негативное (дестабилизирующее) действие вследствие термоэлектро- и магнитооптических свойств световодов. К недостаткам следует отнести также сложность конструкции ВОД из-за необходимости использования большого количества приемных световодов в жгуте и сложность алгоритма обработки сигналов.
Задачей настоящей ПМ является создание простого по конструкции ВОД перемещений, обладающего высокой чувствительностью и точностью измерения в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
Технический результат - повышение точности измерений и упрощение конструкции ВОД перемещений достигается тем, что в отличие от известного устройства, в предлагаемом ВОДП, представленном на Фиг. 1, 2, 3:
1) в качестве чувствительного элемента ВОД используется сегмент специального многомодового ступенчатого волоконного световода с сердцевиной, содержащей квантовые точки (КТ);
2) оптическое возбуждение сегмента МСКТ осуществляется когерентным (лазерным) излучением моды (LP01) одномодового волоконного световода (ОВС), соединенного (состыкованного) с входным торцом МСКТ;
3) длина волны импульсного лазерного излучения (λс), направляемого в МСКТ, находится в области возбуждения фотолюминесценции квантовых точек, что приводит к распространению в МСКТ наряду с лазерным излучением также излучения люминесценции КТ с длиной волны (λL), при этом длительность фронтов лазерных импульсов выбирается существенно меньшей длительности послесвечения люминесценции КТ (τL);
4) размеры МСКТ (радиус сердцевины (R) и длина сегмента (L)) выбираются в соответствии с соотношением: где n - показатель преломления сердцевины МСКТ; N= 0, 1, 2, …, которое в условиях многомодовой интерференции в МСКТ обеспечивает формирование в плоскости его выходного торца специального профиля распределения интенсивности когерентного излучения в виде тонкого кольца с радиусом, равным радиусу сердцевины МСКТ и с шириной: (Фиг. 2.).
Фиг. 1. Структурная схема ВОДП: 1 - источник когерентного света, лазер; 2 - оптический модулятор; 3 - передающий волоконно-оптический кабель, одномодовый, одножильный; 4 - оптоволоконный преобразователь перемещений; 5 - волоконно-оптический кабель приемный, многожильный; 6,7 - фотоприемники, спектрально селективные; 8 - блок обработки сигналов и индикации результатов измерений.
Фиг. 2. Схема оптоволоконного преобразователя перемещений с чувствительным элементом на основе МСКТ, (s - s) - профиль торцевого свечения МСКТ (область концентрации лазерного излучения заштрихована).
Фиг. 3. Схема деформации МСКТ и смещения свободного торца относительно приемных световодов ВСП1-3, в условиях наклона оптоволоконного преобразователя относительно местной вертикали.
В результате, достигается существенное упрощение структуры «спекл» - картины, которая обычно представляет собой множество «случайно» расположенных светящихся пятен неправильной формы. В данном случае для определения пространственного положения «спекл» - картины, имеющей вид тонкого кольца, требуется значительно меньшее количество приемных световодов в волоконном жгуте так, для измерения смещений МСКТ в произвольном направлении достаточно использовать волоконно-оптический жгут с двумя приемными световодами ВСП1,2, центры которых находятся на перпендикулярных радиусах вблизи линии границы сердцевина - оптическая оболочка несмещенного (недеформированного) МСКТ (Фиг. 2). При этом использование дополнительного (третьего) приемного световода ВСП3, расположенного в центре, принимающего излучение люминесценции, позволяет исключить (за счет нормировки на интенсивность излучения люминесценции) влияние на результаты измерений нестабильности мощности лазерного излучения. Таким образом, в приемные волоконные световоды ВСП1,2,3 поступает как когерентное излучение, так и излучение люминесценции с соответствующими интенсивностями (Pc,i(t), PL,i(t)), которые могут быть измерены с помощью спектрально селективных фотоприемников (миниспектрометров) (4), регистрирующих когерентное лазерное излучение (λс) и излучение люминесценции (λL) в достаточно широком спектральном диапазоне, позволяющем определить положение максимума в спектре излучения люминесценции (λL,max). Отметим, что зазор (Н) между торцами волоконного жгута и МСКТ следует выбрать, по возможности, минимальным, который на практике не должен превышать несколько длин волн: Н≤5λс.
В основе функционирования предложенного ВОДП лежат следующие физические явления и эффекты: известно [4-6], что время послесвечения люминесценции квантовых точек τL зависит, в основном, от температуры τL=τL(T), при этом положение максимума спектра люминесценции (λmax) зависит наряду с температурой также от приложенного электрического поля - эффект Штарка. Параметр τL может быть измерен путем регистрации продолжительности затухания интенсивности люминесценции (т.е. сигнала PL(t)) сразу после выключения лазерного импульса, т.е. (при Pc(t)=0). Измеренные значения (τL, λmax) позволяют определить характеристики основных дестабилизирующих факторов (температуру Т, напряженность электрического поля ), действующих на ЧЭ и влияющих посредством термооптических и электрооптических эффектов на процессы распространения излучения в ЧЭ - осветительном световоде. Это позволяет внести соответствующие поправки в результаты измерения поперечных смещений выходного осветительного световода МСКТ (ΔХ, ΔУ), определяемых с помощью соответствующих функций преобразования (F,G):
где - средние значения интенсивностей лазерного излучения и люминесценции, полученные путем усреднения сигналов Pc,i(t) и PL,3(t) по большому количеству импульсов, например, k=10. Так как интенсивность фотолюминесценции пропорциональна интенсивности возбуждающего лазерного излучения, вводимого в МСКТ (PL~Pc), то благодаря использованию в выражениях (1) отношений сигналов (процедура нормировки интенсивностей) исключается влияние нестабильностей мощности лазерного источника на результаты измерений (ΔХ, ΔУ) (при этом предполагается, что в силу пространственной однородности распределения КТ в сердцевине МСКТ, распределение интенсивности излучения люминесценции вдоль сечения сердцевины МСКТ является равномерным, поэтому можно считать, что при смещениях и деформациях МСКТ ).
ВОДП работает следующим образом. Оптическое излучение от источника когерентного света - лазера (1) поступает в оптический модулятор (2), на выходе которого формируется модулированное по интенсивности (импульсное) лазерное излучение. С помощью передающего одномодового оптоволоконного кабеля (ОК) (3) лазерное излучение (с диной волны λс) направляется в оптоволоконный преобразователь перемещения (4), в котором осуществляется преобразование смещений (деформаций) сегмента осветительного многомодового световода с квантовыми точками (5), консольно закрепленного в корпусе преобразователя (4), в изменения интенсивностей излучения в приемных световодах (6,7) Обработка сигналов в соответствии с выражением (1) и индикация результатов измерений (ΔХ, ΔУ) осуществляются с помощью блока обработки и индикации данных (8).
Измерение многих физических (в особенности - кинематических) величин (ускорение; угол наклона; параметры вибраций, сейсмических колебаний; температуры и др.) может осуществляться на основе предложенных ВОД перемещений благодаря использованию преобразований вида: измеряемая величина → перемещение, которые могут быть реализованы, например, за счет действия сил инерции (измерение ускорения); собственного веса МСКТ (измерение угла наклона) и разницы коэффициентов теплового расширения МСКТ и окружающих тел, взаимодействующих с ним (измерение температуры). При этом важную роль наряду с оптическими свойствами МСКТ будут играть также его упруго-механические свойства. На Фиг. 3, приведена схема, иллюстрирующая метод измерения угла наклона с помощью ВОДП. В данном случае угловое отклонение корпуса ОВП от вертикали (αx,y) приводит к возникновению деформации изгиба консольного сегмента МСКТ под действием собственного веса что вызывает соответствующие смещения (ΔХ, ΔУ) выходного торца МСКТ относительно приемных световодов. При малых углах наклона где G - эффективный коэффициент «жесткости» (упругости) МСКТ, - вес МСКТ.
Литература
1) Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат. 1990. - 258 с.
2) Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: машиностроение, 1987. - 328 с.
3) Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов. «Корреляционный метод обработки спекловой картины сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием приборов с зарядовой связью». Квантовая электроника, 36, №4, с. 339-342 (2006).
4) A. Bueno, I. Suarez, R. Abarques, S. Sales, J.P. Martinez Pastor. «Temperature Sensor Based on Colloidal Quantum Dots - РММА». IEEE Sensors Jonrnal, v. 12, issue: 10, pp. 3069-3074 (2012).
5) J. Suriyaprakash, T.T. Qiao. «Exploiting the optical and luminescence characterictic of guantum dots for optical device fabriacation». Applied Nanoscience, v. 8, issue 4. pp. 609-616 (2018).
6) T. Nakabayashi, R. Ohshima and N. Ohta. «Electric Field Effects on Photoluminescence of CdSe Nanoparticles in a PMMA Film». Crystals 4(2)^ 152-167 (2014).
Claims (1)
- Волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий источник когерентного импульсного излучения, фотоприемники, отрезок деформируемого (подвижного) многомодового световода, входной и выходной световоды, предназначенные для оптического сопряжения излучателя и фотоприемников с отрезком многомодового световода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции датчика, в сердцевину отрезка многомодового ступенчатого световода введены квантовые точки, люминесцирующие при возбуждении когерентным излучением, поступающим в указанный многомодовый световод из одномодового волоконного световода, причем длина отрезка и диаметр сердцевины многомодового световода выбраны таким образом, что обеспечивают распределение интенсивности когерентного излучения на его выходном торце в виде тонкого кольца с радиусом, равным радиусу сердцевины, при этом как когерентное, так и излучение люминесценции с выходного торца многомодового световода поступают через небольшой зазор в волоконно-оптический жгут из приемных световодов, соединенных со спектрально-селективными фотоприемниками, сигналы которых позволяют определить также характеристики излучения фотолюминесценции, зависящие от внешних возмущающих факторов, и тем самым исключить влияние указанных факторов на результаты измерений.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019119369U RU192790U1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Волоконно-оптический датчик перемещений |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019119369U RU192790U1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Волоконно-оптический датчик перемещений |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU192790U1 true RU192790U1 (ru) | 2019-10-01 |
Family
ID=68162587
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019119369U RU192790U1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Волоконно-оптический датчик перемещений |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU192790U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210206689A1 (en) * | 2020-01-03 | 2021-07-08 | Leoni Kabel Gmbh | Fiber optic temperature measurement with quantum dot nanocomposite |
RU206917U1 (ru) * | 2020-09-09 | 2021-10-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" | Маятниковый инклинометр с функцией дистанционной калибровки |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10506502A (ja) * | 1994-09-29 | 1998-06-23 | ブリティッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー | 量子ドットを備えた光ファイバ |
CN102272644A (zh) * | 2009-01-26 | 2011-12-07 | 波音公司 | 量子点介导的光纤信息检索系统和使用方法 |
US20120220870A1 (en) * | 2011-02-28 | 2012-08-30 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Optical imaging probes, optical imaging systems, methods of optical imaging, and methods of using optical imaging probes |
WO2017172601A1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-10-05 | Saudi Arabian Oil Company | Systems and methods for constructing and testing composite photonic structures |
RU2641638C2 (ru) * | 2012-07-31 | 2018-01-18 | Зе Боинг Компани | Композитная конструкция со встроенной измерительной системой |
-
2019
- 2019-06-21 RU RU2019119369U patent/RU192790U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10506502A (ja) * | 1994-09-29 | 1998-06-23 | ブリティッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー | 量子ドットを備えた光ファイバ |
CN102272644A (zh) * | 2009-01-26 | 2011-12-07 | 波音公司 | 量子点介导的光纤信息检索系统和使用方法 |
US20120220870A1 (en) * | 2011-02-28 | 2012-08-30 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Optical imaging probes, optical imaging systems, methods of optical imaging, and methods of using optical imaging probes |
RU2641638C2 (ru) * | 2012-07-31 | 2018-01-18 | Зе Боинг Компани | Композитная конструкция со встроенной измерительной системой |
WO2017172601A1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-10-05 | Saudi Arabian Oil Company | Systems and methods for constructing and testing composite photonic structures |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210206689A1 (en) * | 2020-01-03 | 2021-07-08 | Leoni Kabel Gmbh | Fiber optic temperature measurement with quantum dot nanocomposite |
RU206917U1 (ru) * | 2020-09-09 | 2021-10-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" | Маятниковый инклинометр с функцией дистанционной калибровки |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Niklès | Fibre optic distributed scattering sensing system: Perspectives and challenges for high performance applications | |
CN103502771A (zh) | 使用少模感测光纤的分布式布里渊感测系统及方法 | |
RU192790U1 (ru) | Волоконно-оптический датчик перемещений | |
JP2017032979A (ja) | 高後方散乱導波路 | |
Weng et al. | A compact all-fiber displacement interferometer for measuring the foil velocity driven by laser | |
CN104111086A (zh) | 基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法 | |
Wei et al. | A new application of optical fiber surface plasmon resonance for micro-displacement measurement | |
Hayashi et al. | Simplified Brillouin optical correlation-domain reflectometry using polymer optical fiber | |
CN108983253A (zh) | 一种高精度激光微距测量方法 | |
CN104614093A (zh) | 一种弯曲不敏感的分布式布里渊光纤温度和应变传感器 | |
More et al. | Performance analysis of Strain sensor based on Fiber Bragg Grating | |
Varyshchuk et al. | Using a multimode polymer optical fiber as a high sensitivy strain sensor | |
Magalhães et al. | Curvature sensor based on a long-period grating in a fiber ring resonator interrogated by an OTDR | |
Yablon | Recent progress in optical fiber refractive index profiling | |
Imai et al. | Speckle-pattern contrast of semiconductor laser propagating in a multimode optical fiber | |
Lebang et al. | Detection of displacement using glass optical fiber sensor with various configuration | |
Yao et al. | Microbending fiber optic sensing | |
Konstantinov et al. | Metrological Applications of Optical Reflectometry: A Review | |
RU2248540C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик температуры и деформации | |
RU158854U1 (ru) | Волоконно-оптический сенсор распределения температуры | |
Yang et al. | High resolution curvature sensor based on enhanced backscattering in side polished optic fiber | |
Zou et al. | Dependence of Strain Coefficient on Temperature and Dependence of Temperature Coefficient on Strain for Distributed Strain and Temperature Discrimination | |
Galindez et al. | Influence of the refractive index of liquids in the speckle pattern of multimode fibers | |
Mulyanto | Analysis of curvature in fiber optic cable for macrobending-based slope sensor | |
Lecoy et al. | New fiber optic distributed temperature sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20191030 |