RU2626078C1 - Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна - Google Patents
Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626078C1 RU2626078C1 RU2016142317A RU2016142317A RU2626078C1 RU 2626078 C1 RU2626078 C1 RU 2626078C1 RU 2016142317 A RU2016142317 A RU 2016142317A RU 2016142317 A RU2016142317 A RU 2016142317A RU 2626078 C1 RU2626078 C1 RU 2626078C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- optical fiber
- length
- sections
- distribution
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния конструкций. Способ включает организацию рефлектометрической оптической схемы. Генерируют последовательность импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения. Вводят указанное излучение посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно. Перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения. Строят рефлектограмму. О величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения. Используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов. Организуют опорный канал, в качестве которого используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения. Помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно измеряют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения. Технический результат - упрощение технологии измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния ответственных конструкций (трубопроводов, мостов, эстакад, плотин и т.д.), в частности для предупреждения аварийных ситуаций, связанных с движением грунта и опор сооружений.
Известны и широко применяются для контроля конструкций и сооружений тензорезистивные датчики деформаций (Макаров Р.А., Ренский Л.Б. и др. Тензометрия в машиностроении. Москва, Машиностроение, 1975, с. 15-16). Однако они осуществляют точечные измерения, и для получения распределения деформаций по объекту требуется осуществить монтаж и обеспечить считывание информации с множества отдельных датчиков. Для протяженных объектов, например магистральных трубопроводов значительной протяженности, указанное известное техническое решение оказывается практически не пригодным.
Известны также технические решения, основанные на использовании брэгговских волоконно-оптических решеток (например, патент RU 2522679, 2014) для измерения деформаций. Имея некоторые преимущества перед электрическими датчиками, в частности электрическую пассивность, проблему контроля состояния протяженных объектов они также не решают.
Известно техническое решение на основе волоконной оптики (Способ определения деформаций), раскрытое в источнике информации (SU 1534304, 1988), в котором распределение механических деформаций удлинения оптического волокна предполагалось измерять по частотному сдвигу мандельштам-бриллюэновского рассеяния (МБР) света. Позднее такого рода устройства стали называть бриллюэновскими рефлектометрами. Имеется множество вариантов реализации указанного способа. В качестве примера можно назвать техническое решение, описанное в источнике информации (патент RU 02444001, 2012).
Бриллюэновские рефлектометры позволяют измерять распределение деформаций на длинах в десятки километров с пространственным разрешением порядка 1 м.
Однако подобные устройства оказались сложными в реализации и крайне дорогостоящими, поскольку требуют либо применения особо стабильных перестраиваемых лазеров с узкой шириной спектра, либо использования СВЧ техники, типично работающей на частотах 10-11 ГГц, а также соответствующих оптических модуляторов и поляризационных скрэмблеров. Кроме того, пространственное разрешение ограничивается шириной спектра МБР, который для С-диапазона длин волн (1530-1565 нм) составляет 20-30 МГц.
Одной из проблем применения бриллюэновских рефлектометров является зависимость частотного сдвига МБР не только от деформации волокна, но и его температуры, что не позволяет однозначно судить о величине измеряемой деформации.
Задачей предлагаемого технического решения является получение технического результата, выражающегося в упрощении технологии измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна с дополнительной возможностью разделения деформационного и температурного воздействий при необходимости.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна, заключающемся в организации рефлектометрической оптической схемы, генерировании последовательности импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения, вводе указанного излучения посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении излучения и построении рефлектограммы, перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения, причем о величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения.
Способствует достижению технического результата то, что используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов,
а также то, что организуют опорный канал, причем в качестве опорного канала используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения.
Помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно измеряют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.
Таким образом, предлагается простой в реализации способ измерения распределения продольных механических деформаций по длине оптического волокна.
Предлагаемый способ основан на установленном авторами экспериментальном эффекте уменьшения интенсивности комбинационного (рамановского) рассеяния излучения при деформации удлинения оптического волокна. Так, при удлинении участка одномодового волокна Fujikura Future-Guide-LWP на 1 процент интенсивность рассеянного этим участком излучения падает приблизительно на 1,6 процента. При этом интенсивность рассеяния излучения последующими участками за деформированным участком волокна не изменяется.
Фиг. 1 и Фиг. 2 иллюстрируют используемый в настоящем изобретении эффект.
На Фиг. 1 приведен участок рефлектограммы с 160 по 248 м для недеформированного волокна. Пространственное разрешение рефлектометра составляло 1 м, длина волны зондирующего излучения 1550 нм. Регистрировалась стоксова компонента рамановского рассеяния излучения.
На Фиг. 2 приведена аналогичная рефлектограмма, полученная в результате деформации участка волокна длиной 3 м с 234 по 237 м. Величина относительной деформации при этом составляла 0,01. Видно локализованное на тех же координатах уменьшение интенсивности рассеянного излучения. Оценка шумов рефлектограммы показывает возможность регистрации относительных деформаций на уровне 10-4.
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием рефлектометров любого известного типа, как с временным (OTDR), так и частотным (FDR) способом разделения каналов дальности. В частности, устройством, обеспечивающим реализацию способа, может служить описанное в известном патенте устройство (RU 2583060, 10.05.2016). Для реализации способа пригодны известные устройства на основе рамановских рефлектометров, используемые для распределенного измерения температуры.
Практическое применение способа позволяет в ряде случаев заменить дорогостоящие бриллюэновское рефлектометры и анализаторы.
Для повышения метрологических характеристик целесообразно обеспечить, чтобы оптическое волокно (чувствительный волоконный световод) имело участки длиной не менее пространственного разрешения, заведомо не испытывающие механической деформации растяжения, с известными координатами по длине указанного волокна, например, свернутые в бухту. Такие участки могут служить реперами для уточнения величины деформации на остальных (чувствительных) участках оптического волокна.
Использование конфигурации рамановского рефлектометра (например, RU 2583060) позволяет, помимо измерения деформаций, строить независимо температурное распределение по длине оптического волокна.
Способ реализуют следующим образом:
- организуют рефлектометрическую оптическую схему посредством направленного ответвителя/делителя или циркулятора;
- обычно используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов;
- генерируют последовательность импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения;
- вводят указанное излучение посредством рефлектометрической схемы в оптическое (чувствительное) волокно;
- осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения;
- производят фотоприем рассеянного назад излучения;
- строят рефлектограмму, т.е. зависимость интенсивности рассеянного в обратном направлении излучения от длины оптического волокна;
- может быть организован опорный канал, причем в качестве опорного канала обычно используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния света;
- определяют величину продольной деформации участков оптического волокна по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения;
- помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно вычисляют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.
Использование изобретения позволяет простыми техническими средствами осуществлять решение задачи мониторинга протяженных объектов. Отличительной особенностью способа является отсутствие принципиальных ограничений на пространственное разрешение по длине оптического волокна.
Использование предлагаемого способа особенно целесообразно для обнаружения локальных аномалий, которые обычно и возникают в предаварийных ситуациях. Для их обнаружения следует производить сравнение текущей рефлектограммы с эталонной с целью выявления вновь возникших локальных деформаций.
Claims (5)
1. Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна, заключающийся в организации рефлектометрической оптической схемы, генерировании последовательности импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения, вводе указанного излучения посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении излучения и построении рефлектограммы, отличающийся тем, что перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения, причем о величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что организуют опорный канал.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве опорного канала используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно вычисляют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016142317A RU2626078C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016142317A RU2626078C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2626078C1 true RU2626078C1 (ru) | 2017-07-21 |
Family
ID=59495679
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016142317A RU2626078C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626078C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2800632C1 (ru) * | 2022-12-30 | 2023-07-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Киплайн" | Система и способ коррекции искажений сигнала оптического излучения |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012084040A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | Omnisens Sa | A brillouin optoelectronic measurement method and apparatus |
| RU2527308C1 (ru) * | 2012-12-27 | 2014-08-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Волоконно-оптический измеритель температуры |
| WO2015170114A1 (en) * | 2014-05-08 | 2015-11-12 | Optasense Holdings Limited | Fibre optic distributed sensing |
| US20160202142A1 (en) * | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Nec Laboratories America, Inc. | Distributed multi-channel coherent optical fiber sensing system |
-
2016
- 2016-10-27 RU RU2016142317A patent/RU2626078C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012084040A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | Omnisens Sa | A brillouin optoelectronic measurement method and apparatus |
| RU2527308C1 (ru) * | 2012-12-27 | 2014-08-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Волоконно-оптический измеритель температуры |
| WO2015170114A1 (en) * | 2014-05-08 | 2015-11-12 | Optasense Holdings Limited | Fibre optic distributed sensing |
| US20160202142A1 (en) * | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Nec Laboratories America, Inc. | Distributed multi-channel coherent optical fiber sensing system |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2800632C1 (ru) * | 2022-12-30 | 2023-07-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Киплайн" | Система и способ коррекции искажений сигнала оптического излучения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6824784B2 (ja) | 温度・歪センシング装置及び温度・歪センシング方法 | |
| US9983069B2 (en) | Measuring apparatus and measuring method | |
| JP5070874B2 (ja) | 測定装置、異常検知装置及び異常検知方法 | |
| US10234337B2 (en) | Measurement apparatus and measurement method | |
| Zhang et al. | Analysis and reduction of large errors in Rayleigh-based distributed sensor | |
| US20080018903A1 (en) | Distributed Brillouin sensor system based on DFB lasers using offset locking | |
| JP2007101508A (ja) | 温度測定方法及び温度測定装置 | |
| KR20110075680A (ko) | 브릴루앙 동적 격자의 시간 영역 분석을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법 | |
| Sollerv et al. | Measurement of localized heating in fiber optic components with millimeter spatial resolution | |
| Lu et al. | Influence of non-perfect extinction ratio of electro-optic modulator on signal-to-noise ratio of BOTDR | |
| CN114543973B (zh) | 一种分布式超高频振动信号测量方法及光纤传感器 | |
| Li et al. | Temperature and strain discrimination in BOTDA fiber sensor by utilizing dispersion compensating fiber | |
| US9500560B2 (en) | Brillouin optoelectronic measurement method | |
| RU2532562C1 (ru) | Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий | |
| Imahama et al. | Restorability of Rayleigh backscatter traces measured by coherent OTDR with precisely frequency-controlled light source | |
| Clément et al. | B-OTDR solution for independent temperature and strain measurement in a single acquisition | |
| RU2626078C1 (ru) | Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна | |
| Kwon et al. | Analysis of nonlinear fitting methods for distributed measurement of temperature and strain over 36 km optical fiber based on spontaneous Brillouin backscattering | |
| Zhang et al. | A hybrid distributed optical fibre sensor for acoustic and temperature fields reconstruction | |
| Chunxi et al. | Long-distance intrusion sensor based on phase sensitivity optical time domain reflectometry | |
| JP2009098020A (ja) | 分布型光ファイバ温度センサ | |
| JP7543988B2 (ja) | 光ファイバ歪み及び温度測定装置並びに光ファイバ歪み及び温度測定方法 | |
| Zhang et al. | Modulated pulses based high spatial resolution distributed fiber system for multi-parameter sensing | |
| Gerosa et al. | Embedded-core optical fiber for distributed pressure measurement using an autocorrelation OFDR technique | |
| Yang et al. | Distributed fiber vibration sensing based on phase extraction from phase-sensitive OTDR with phase noise compensation |