RU2319988C2 - Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты) - Google Patents
Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2319988C2 RU2319988C2 RU2005133274/28A RU2005133274A RU2319988C2 RU 2319988 C2 RU2319988 C2 RU 2319988C2 RU 2005133274/28 A RU2005133274/28 A RU 2005133274/28A RU 2005133274 A RU2005133274 A RU 2005133274A RU 2319988 C2 RU2319988 C2 RU 2319988C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- optical fiber
- laser
- sensors
- recording
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения пространственного распределения температуры/деформаций протяженных объектов, и может найти применение, например, в нефтяной отрасли, энергетике, автомобиле- и самолетостроении, мониторинге деформаций конструкций мостов, опор, зданий. Система состоит из оптически связанных источника излучения, которым служит лазер, оптического волокна (диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 12-20 мкм) с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток, отражающими свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства и анализатора спектра, которым служит фотоприемник. Датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы. Запись датчиков в толстом оптическом волокне производится излучением лазера с длиной волны 240-270 нм, мощностью более 0,5 Вт, или через находящуюся на световоде защитную полимерную оболочку излучением лазера с длиной волны 270-450 нм и мощностью более 1 Вт. Технический результат - создание оптической системы более надежной и прочной, более протяженной, более простой и дешевой, повышение однородности и стабильности записанной брэгговской решетки, увеличение эффективности взаимодействия с решеткой света, распространяющегося по волокну, повышение быстродействия и чувствительности решетки к внешним воздействиям. 4 н.п. ф-лы, 2ил.
Description
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения пространственного распределения температуры/деформаций протяженных объектов, и может найти применение в нефтегазовой отрасли (нефте- и газопроводы, хранилища, скважины и др.), горнодобывающей промышленности (элементы шахтных конвейеров и др.), энергетике (конвейеры и элементы оборудования ТЭЦ, ГЭС, АЭС), автомобиле- и самолетостроении (испытания конструктивных элементов), мониторинг деформаций конструкций мостов, опор, зданий и других крупных промышленных и гражданских объектов.
Известны оптоволоконные системы для измерения распределения температуры (деформаций), в которых в оптическом волокне имеется необходимое количество датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (БР), в качестве источника излучения используется широкополосный лазерный диод (или набор диодов), в качестве детектора - оптический анализатор спектра (или спектрометр на основе дифракционной решетки) A.Othonos, K.Kalli "Fiber Bragg Gratings; Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing", Artech House Publishers, 1999, c.301-389 /1/. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001, с.149-179 /2/.
Принцип действия основан на том, что датчик на основе БР, записанный в оптоволокне, отражает световой сигнал на резонансной (Брэгговской) длине волны, зависящей от температуры (деформации) датчика; сигнал по оптоволокну через волоконный ответвитель поступает в спектральный прибор (детектор), который по положению спектрального пика позволяет определить температуру датчика.
К недостаткам данной системы можно отнести сложность и высокую стоимость спектрального прибора типа оптического анализатора спектра или дифракционного спектрометра. К тому же стандартные методы записи оптоволоконных датчиков ограничивают прочность датчиков и системы в целом из-за использования тонкого оптического волокна (обычно стандартного одномодового волокна с диаметром стеклянной оболочки 100-150 мкм и диаметром сердцевины 5-10 мкм) и необходимости снятия полимерной оболочки при записи БР.
Наиболее близкой к предлагаемой является оптическая система, использованная в известном способе спектрального мультиплексирования датчиков, защищенном патентом US 5426297, June 20, 1995. Multiplexed Bragg grating sensors /3/. Способ заключается в том, что в одном оптоволокне записывается некоторое количество датчиков на БР, которые отражают световые сигналы, каждый на своей оптической частоте (длине волны); сигналы по оптоволокну через волоконный ответвитель поступают в оптический анализатор спектра, который после компьютерной обработки позволяет определить температуру каждого датчика.
Этот способ и система имеет те же недостатки и предусматривает также использование тонкого (стандартного одномодового) оптического волокна.
Задачей настоящего изобретения является создание оптической системы более надежной и прочной, включая как сами датчики, так и несущее оптическое волокно, что позволяет также сделать систему более протяженной, а в сочетании с новыми решениями по мультиплексированию и детектированию сигналов датчиков сделать систему более простой и дешевой, и одновременно имеющей улучшенные технические характеристики. Кроме того, кроме прочности, увеличение сердцевины приводит к улучшению других характеристик, таких как однородность и стабильность записанной брэгговской решетки. Увеличение поперечного размера решетки увеличивает эффективность взаимодействия с решеткой света, распространяющегося по волокну, а также быстродействие и чувствительность решетки к внешним воздействиям (например, температурным), которое обычно передается на сердцевину через оболочку (при том же размере оболочки, расстояние от внешней границы волокна до границы сердцевины меньше), а также большей чувствительности к изгибным и пр. деформациям. Задействованный интервал диаметра сердцевины позволяет при определенных условиях (выбор показателя преломления сердцевины и т.п.) еще работать в одномодовом режиме или близком к нему (где отсутствуют проблемы многомодовости и т.п.), а при этом появляются дополнительные плюсы в сравнении с обычным одномодовым волокном.
Поставленная задача решена за счет того, что в известной оптоволоконной мультисенсорной системе, состоящей из оптически связанных источника излучения, оптического волокна с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных БР, отражающих свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства (типа ответвителя или циркулятора) и анализатора спектра, источником излучения служит лазер, перестраиваемый по длине волны, датчики выполнены в оптическом волокне диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 3-20 мкм, датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы, анализатором спектра служит фотоприемник, сопряженный с перестраиваемым элементом лазера.
Использование перестраиваемого лазера (например, полупроводникового или эрбиевого) в качестве анализатора спектра позволяет совместить источник излучения и анализатор спектра в одном элементе системы и, таким образом, упростить и удешевить систему, а также повысить надежность ее работы.
Перестраиваемым элементом лазера может быть перестраиваемая брэгговская решетка или любой другой селектор частоты.
Предлагаемое чередование датчиков, в особенности групп датчиков, различающихся коэффициентами отражения, с датчиками с разной шириной (или специальной формой спектра) позволяет отслеживать группы и каждый датчик внутри группы и таким образом позволяет расширить отслеживаемый диапазон изменения температуры (деформаций) каждого датчика или увеличить количество датчиков в системе при фиксированном диапазоне.
Известные способы изготовления датчиков состоят в записи волоконных БР в оптоволокне диаметром менее 150 мкм со снятием защитной полимерной оболочки и последующим покрытием волоконного световода полимерной пленкой /1/, /2/.
Предлагаемый способ позволяет записывать БР в оптоволокне диаметром 150-600 мкм с диаметром сердцевины 3-20 мкм, в т.ч. через полимерную защитную оболочку.
Это достигается использованием лазера с длиной волны 270-450 нм повышенной мощности (более 1 Вт), а со снятием и перепокрытием полимерной оболочки - лазером 240-270 нм мощностью более 0,5 Вт.
Сущность изобретения состоит в том, что применение для записи датчиков мощного УФ лазера и установленные режимы позволяют записывать датчики в толстом волокне (в том числе, без снятия защитной полимерной оболочки), что делает возможным значительно увеличить прочностные характеристики датчиков и системы в целом.
Описание системы поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема, на фиг.2 - характерные спектры отражения света от БР датчиков.
Система состоит из источника излучения - лазера 1 с перестраиваемым элементом 2, протяженного оптического волокна 3, датчиков на основе брэгговских решеток 4 (БР датчики), записанных в оптоволокне (пронумерованы от 1 до N), волоконного ответвителя 5, фотоприемника 6, сопряженного с перестраиваемым элементом 2 лазера 1 через электронный модуль 7 (при необходимости сопряженный с персональным компьютером).
На фиг.2: R - коэффициент отражения в зависимости от длины волны света λ для БР датчиков (пронумерованы 1...N на фиг.1): λ1, λ2, ..., λN - соответствующие брэгговские длины волн при комнатной температуре То, ΔT~(Т-То) - температурный сдвиг спектра, группы 1...К отличаются шириной (формой) спектра (Δ1...ΔK соответственно), датчики внутри групп 1...М отличаются по амплитуде (R1...RM соответственно).
Описание создания и работы оптоволоконной мультисенсорной системы.
В оптоволокне диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 3-20 мкм с помощью УФ лазера мощностью >1 Вт, работающего на длинах волн 270-450 нм через полимерную оболочку записывают БР датчики в точках измерения (1...N), либо лазером 240-270 нм мощностью более 0,5 Вт со снятием и перепокрытием защитной полимерной оболочки. Датчик отражает свет на брэгговской длине волны, которая задается в процессе его записи.
Таким образом, каждый датчик имеет свою резонансную длину волны отражения λ1, λ2, ..., λN (см. фиг.2). При изменении температуры одного из датчиков его спектр сдвигается на величину ΔT, пропорциональную изменению температуры Т-То (при λ~1.5 мкм изменению на 1°С соответствует сдвиг спектрального пика на величину ~0.01 нм). Для абсолютной калибровки сдвига один из датчиков может быть термостабилизирован и служить репером. Если используемая спектральная полоса (определяется источником излучения) составляет ~100 нм, то в ней можно записать ~100 датчиков с интервалом Δi,i+1~1 нм. В этом случае отслеживаемые изменения температуры каждого датчика составят Т-То~100°С без "перепутывания" датчиков.
Для увеличения отслеживаемого изменения температуры и/или увеличения количества датчиков с заданным диапазоном отслеживания датчики разбиваем на последовательные группы (1...К), отличающиеся шириной спектра отражения (Δ1,...ΔK соответственно), при этом группы могут последовательно повторяться. Внутри каждой группы (состоящей из 1, 2, ...М датчиков) спектральные отклики имеют разную амплитуду коэффициента отражения (R1...RM соответственно). Такое "кодирование" (или "маркировка") датчиков по амплитуде и ширине (или форме) спектра отражения позволяет различать группы и каждый датчик внутри группы. При этом отслеживаемый диапазон изменения температуры каждого из датчиков увеличится в М×К раз без их "перепутывания" с одним (общим) спектральным декодером. Например, при использовании спектрального интервала в ~100 нм и спектральном разделении датчиков на Δi,i+1~1 нм можно увеличить количество датчиков до МхКх100 с диапазоном измерений ~100°С и точностью ~1°С (при ширине спектра отражения БР ~0.1 нм) для каждого датчика, или при заданном количестве датчиков (N=100) увеличить диапазон измерений до М×К×100°С для каждого датчика, или одновременно увеличить произведение количества датчиков на диапазон измерений каждого датчика в М×К раз.
Созданная вышеуказанным способом система работает следующим образом.
При включении лазера 1 его излучение распространяется по оптоволокну 3 до БР датчиков 4, закрепленных на исследуемом объекте. БР является узкополосным селективным отражателем, положение пика которого определяется температурой (и/или деформаций), т.е. может служить датчиком температуры (или деформаций).
Длина волны лазера 1 сканируется с помощью перестраиваемого элемента 2. Световые сигналы последовательно отражаются от датчиков, пронумерованных от 1 до N (каждый со своей длиной волны, см. фиг.2). Отраженные сигналы по оптоволокну 3 через ответвитель 5 поступают на фотоприемник 6 и далее на электронный модуль 7, который сопряжен с перестраиваемым элементом 2, дающим информацию о длине волны. Таким образом определяется зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны (фиг.2), которая позволяет определить температуру каждого датчика с высокой точностью по сдвигу соответствующего спектрального пика, поскольку его положение зависит от температуры датчика (или деформации объекта, к которому прикреплен датчик).
Источники информации
1. A.Othonos, K.Kalli "Fiber Bragg Gratings; Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing", Artech House Publishers, 1999, с.301-389.
2. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001, с.149-179.
3. Патент US 5426297, June 20, 1995. Multiplexed Bragg grating sensors.
Claims (4)
1. Оптоволоконная мультисенсорная система, состоящая из оптически связанных источника излучения, оптического волокна с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток, отражающих свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства и анализатора спектра, отличающаяся тем, что источником излучения служит лазер, перестраиваемый по длине волны, датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы, анализатором спектра служит фотоприемник, сопряженный с перестраиваемым элементом лазера.
2. Датчик температуры/деформации на основе волоконной брэгговской решетки, предназначенный для использования в оптоволоконной мультисенсорной системе, отличающийся тем, что диаметр сердцевины оптического волокна, в которой записана брэгговская решетка, составляет 12-20 мкм.
3. Способ записи датчика по п.2, отличающийся тем, что запись осуществляют излучением лазера с длиной волны 240-270 нм, мощностью более 0,5 Вт.
4. Способ записи датчика температуры/деформации на основе волоконной брэгговской решетки, отличающийся тем, что запись осуществляют в оптическом волокне с диаметром сердцевины 12-20 мкм, покрытом полимерной защитной оболочкой, излучением лазера с длиной волны 270-330 нм, мощностью более 1 Вт без снятия защитной полимерной оболочки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005133274/28A RU2319988C2 (ru) | 2005-10-31 | 2005-10-31 | Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005133274/28A RU2319988C2 (ru) | 2005-10-31 | 2005-10-31 | Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005133274A RU2005133274A (ru) | 2007-05-10 |
RU2319988C2 true RU2319988C2 (ru) | 2008-03-20 |
Family
ID=38107564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005133274/28A RU2319988C2 (ru) | 2005-10-31 | 2005-10-31 | Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2319988C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2478247C1 (ru) * | 2011-12-27 | 2013-03-27 | Борис Иосифович Механошин | Система дистанционного контроля воздушной линии электропередачи, снабженной оптоволоконным кабелем |
RU2511066C2 (ru) * | 2009-10-23 | 2014-04-10 | Сенсортран, Инк. | Система на основе вынужденного рассеяния мандельштама-бриллюэна с множеством вбр |
RU2533178C1 (ru) * | 2013-09-30 | 2014-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ОПТЭН" | Система контроля механических нагрузок на протяженные элементы воздушной линии электропередачи |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB0919902D0 (en) * | 2009-11-13 | 2009-12-30 | Qinetiq Ltd | Improvements in fibre optic cables for distributed sensing |
-
2005
- 2005-10-31 RU RU2005133274/28A patent/RU2319988C2/ru active IP Right Revival
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
http://gratings.fo.gpi.ru, 10.2004. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2511066C2 (ru) * | 2009-10-23 | 2014-04-10 | Сенсортран, Инк. | Система на основе вынужденного рассеяния мандельштама-бриллюэна с множеством вбр |
RU2478247C1 (ru) * | 2011-12-27 | 2013-03-27 | Борис Иосифович Механошин | Система дистанционного контроля воздушной линии электропередачи, снабженной оптоволоконным кабелем |
RU2533178C1 (ru) * | 2013-09-30 | 2014-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ОПТЭН" | Система контроля механических нагрузок на протяженные элементы воздушной линии электропередачи |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005133274A (ru) | 2007-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8553211B2 (en) | Stimulated Brillouin system with multiple FBG's | |
Gholamzadeh et al. | Fiber optic sensors | |
Udd | Fiber optic smart structures | |
JP3002268B2 (ja) | 物理量測定装置 | |
US7126680B2 (en) | Method for measuring and calibrating measurements using optical fiber distributed sensor | |
EP0377549B1 (en) | Remote measurement of physical variables with fiber optic systems | |
US7129470B2 (en) | Optical sensor using a long period grating suitable for dynamic interrogation | |
Hongo et al. | Applications of fiber Bragg grating sensors and high‐speed interrogation techniques | |
Wanser et al. | Novel fiber devices and sensors based on multimode fiber Bragg gratings | |
US11346689B2 (en) | Optical measuring system with an interrogator and a polymer-based single-mode fibre-optic sensor system | |
RU2319988C2 (ru) | Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты) | |
Rogers | Distributed optical fiber sensing | |
Udd et al. | Fiber optic sensors for infrastructure applications | |
Kersey et al. | Development of fiber sensors for structural monitoring | |
RU2413259C1 (ru) | Способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде | |
Webb | Optical-fiber sensors: an overview | |
Kersey | Monitoring structural performance with optical TDR techniques | |
RU2783171C1 (ru) | Способ и устройство для опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток через торец волокна с использованием кольцевой спекл-картины | |
Huff et al. | Fiber optic sensing technology: Emerging markets and trends | |
Boymurotovich et al. | Fiber Optical Sensors for Monitoring the State of Objects and The Environment | |
US20240210219A1 (en) | Addressing device, optical fiber associated with an addressing device, and system and method for addressing optical fibers | |
WO1998018030A1 (en) | Optical fibre with a grating on its end face | |
Chang et al. | Fiber optic sensors for transportation infrastructural health monitoring | |
Room | Conference 6371: Photonic Sensing Technologies | |
Kulchin et al. | Differential multiplexing of fiber Bragg gratings by means of optical time domain refractometry |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081101 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20100920 |
|
RH4A | Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation |
Effective date: 20191029 |