RU2633020C1 - Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) - Google Patents
Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2633020C1 RU2633020C1 RU2016117224A RU2016117224A RU2633020C1 RU 2633020 C1 RU2633020 C1 RU 2633020C1 RU 2016117224 A RU2016117224 A RU 2016117224A RU 2016117224 A RU2016117224 A RU 2016117224A RU 2633020 C1 RU2633020 C1 RU 2633020C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- bragg
- diffraction grating
- width
- reflection
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 87
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
- G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
-
- 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
- G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
- G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
Abstract
Description
Изобретения относятся к измерительной технике, преимущественно к приборам, выполняющим измерения с помощью оптических средств, в частности к волоконно-оптическим датчикам (ВОД), основанным на принципе регистрации сдвига частоты оптического излучения, обусловленного эффектом Доплера в волоконном световоде (ВС) при его динамической деформации. Указанные датчики могут быть использованы в качестве датчиков акустического давления, датчиков акустической эмиссии, датчиков для систем вибрационного контроля и др.The invention relates to measuring equipment, mainly to instruments that perform measurements using optical means, in particular to fiber optic sensors (WFD), based on the principle of detecting the frequency shift of optical radiation due to the Doppler effect in a fiber waveguide during dynamic deformation . These sensors can be used as acoustic pressure sensors, acoustic emission sensors, sensors for vibration control systems, etc.
Из существующего уровня техники известно, что для регистрации доплеровского сдвига частоты в ВС используются схемы волоконно-оптических интерферометров, в том числе схемы интерферометров с гетеродинной конфигурацией как наиболее устойчивые к внешним воздействиям за счет того, что их выходной сигнал не зависит от начальной разности фаз интерферирующих лучей.It is known from the prior art that for recording the Doppler frequency shift in the VS, fiber-optic interferometer circuits are used, including interferometer circuits with a heterodyne configuration as the most resistant to external influences due to the fact that their output signal does not depend on the initial phase difference of the interfering rays.
Известен ВОД на основе оптической схемы двухплечевого интерферометра с гетеродинным детектированием доплеровских сдвигов оптической частоты (патент ЕР 1400792 А1, МПК G01H 9/00, публ. 24.03.2004 г.), включающий высококогерентный лазер, два оптических разветвителя, приемное плечо интерферометра, состоящее из чувствительного элемент (ЧЭ) в виде изогнутой части волоконного световода, и детекторное плечо, состоящее из акустооптического модулятора (сдвигателя оптической частоты на постоянную величину). Датчик регистрирует доплеровский сдвиг частоты (fd) в ЧЭ при его динамической деформации виброакустическим сигналом. Для выделения частоты биений сигналов приемного и гетеродинного плеч интерферометра в ВОД используется фотоприемник и электронный частотный детектор.Known VOD based on the optical scheme of a two-arm interferometer with heterodyne detection of Doppler shifts of the optical frequency (patent EP 1400792 A1, IPC G01H 9/00, published March 24, 2004), including a highly coherent laser, two optical splitters, the receiving arm of the interferometer, consisting of a sensitive element (SE) in the form of a curved part of the fiber, and a detector arm, consisting of an acousto-optical modulator (optical frequency shifter by a constant value). The sensor registers the Doppler frequency shift (f d ) in the CE during its dynamic deformation by a vibroacoustic signal. To select the beat frequency of the signals of the receiving and heterodyne arms of the interferometer in the water, a photodetector and an electronic frequency detector are used.
К недостаткам известного технического решения относятся:The disadvantages of the known technical solutions include:
нестабильность уровня (замирание) выходного сигнала из-за изменений состояния поляризации интерферирующих волн (поляризационный фединг) в световодах при воздействии на последние внешних факторов (температура, изгибы, гидростатическое давление и т.д.);instability of the level (fading) of the output signal due to changes in the state of polarization of interfering waves (polarizing fading) in the optical fibers when external factors are affected by the latter (temperature, bends, hydrostatic pressure, etc.);
повышенный уровень фазовых шумов, связанных с нестабильностью частоты излучения лазера, который проявляется при неравенстве длин плеч, образующих интерферометр, выравнивание которых с высокой степенью точности, представляет собой достаточно сложную технологическую задачу;the increased level of phase noise associated with the instability of the laser radiation frequency, which is manifested when the lengths of the arms forming the interferometer are unequal, the alignment of which with a high degree of accuracy is a rather complicated technological task;
необходимость использования в конструкции датчика сложного дорогостоящего акустооптического модулятора, в состав которого входят дискретные оптические и электронные элементы;the need to use a complex expensive acousto-optical modulator in the sensor design, which includes discrete optical and electronic elements;
повышенный уровень перекрестных шумов, возникающих за счет переотражений между элементами датчика, как следствие высокой когерентности источника излучения, например, на дискретных элементах акустооптического модулятора, а также в самих ВС за счет обратного (релеевского) рассеяния или отражений (френелевских) в местах их соединения, например в местах их сварки;increased level of crosstalk due to re-reflections between the sensor elements, as a consequence of the high coherence of the radiation source, for example, on discrete elements of the acousto-optical modulator, as well as in the aircraft themselves due to backward (Rayleigh) scattering or reflections (Fresnel) at the points of their connection, for example in places of their welding;
необходимость использования в конструкции датчика дорогостоящих элементов, таких как акустооптический модулятор и высококогерентный источник излучения;the need to use expensive elements in the design of the sensor, such as an acousto-optic modulator and a highly coherent radiation source;
необходимость применения электронного частотного детектора.the need for an electronic frequency detector.
Известно техническое решение, описанное в статье (А.К. Батанов, Г.Я Буймистрюк, В.И. Кириллов, В.Н. Николаев «Методы и средства обработки широкополосного сигнала волоконно-оптического акустического датчика на внутрисветоводном эффекте Доплера», Труды XII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» 2014 г., с. 456-457, рис. 4), где предложено использовать волоконно-оптическую решетку Брэгга, которая обладает неравномерной частотной характеристикой узкополосного фильтра с коэффициентом отражения близким к единице и шириной спектрального интервала отражения менее 0,1 нм, при этом склоны частотной характеристики имеют очень высокую крутизну - более 109 м-1. Копия статьи прилагается.The technical solution described in the article is known (A.K. Batanov, G.Ya Buymistryuk, V.I. Kirillov, V.N. Nikolaev "Methods and means of processing the broadband signal of a fiber-optic acoustic sensor based on the Doppler intraband effect", Transactions XII All-Russian Conference “Applied Technologies in Hydroacoustics and Hydrophysics” 2014, pp. 456-457, Fig. 4), where it is proposed to use a Bragg fiber-optic array, which has an uneven frequency response of a narrow-band filter with a reflection coefficient close to units e and a width of the spectral reflection interval of less than 0.1 nm, while the slopes of the frequency response have a very high slope - more than 10 9 m -1 . A copy of the article is attached.
В данном техническом решении использованы оптически соединенные между собой высококогерентный источник света (ЛД), чувствительный элемент (ЧЭ), разветвитель, дифракционная решетка Брэгга и фотоприемник (ФД).In this technical solution, a highly coherent light source (LD), a sensitive element (SE), a splitter, a Bragg diffraction grating, and a photodetector (PD) are optically interconnected.
Это техническое решение выбрано в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для первого и второго заявленных вариантов ВОД.This technical solution is selected as the closest analogue (prototype) for the first and second declared options for water.
Прототип имеет недостатки, главным из которых является то, что требуется точная привязка частоты источника оптического излучения и резонансной частоты отражения (пропускания) решетки Брэгга и их термостабилизация в условиях эксплуатации, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ВОД.The prototype has drawbacks, the main one being that it is necessary to precisely correlate the frequency of the optical radiation source and the resonant reflection frequency (transmission) of the Bragg grating and their thermal stabilization under operating conditions, which complicates the design and increases the cost of water supply.
Другим недостатком прототипа является необходимость использования высококогерентного лазера с узкой спектральной линией излучения, что также усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ВОД.Another disadvantage of the prototype is the need to use a highly coherent laser with a narrow spectral emission line, which also complicates the design and increases the cost of water.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые варианты изобретений, является создание новой конструкции волоконно-оптического датчика виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (далее - ВОД), которая позволяет обеспечить:The task to which the claimed variants of the inventions are directed is the creation of a new design of a fiber-optic sensor for vibro-acoustic signals based on the Doppler intraviolet effect (hereinafter - VOD), which allows to provide:
упрощение конструкции ВОД,simplification of the design of water
повышение устойчивости работы ВОД в различных эксплуатационных условиях,increasing the stability of water operation in various operating conditions,
обеспечение максимального динамического диапазона принимаемых сигналов и, как следствие,ensuring the maximum dynamic range of received signals and, as a result,
снижение стоимости ВОД.reduction in the cost of water.
Для решения поставленной задачи и достижения нового технического результата заявлена группа изобретений (два варианта), связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел.To solve the problem and achieve a new technical result, a group of inventions (two options) is declared, so interconnected that they form a single inventive concept.
Заявленные два варианта волоконно-оптического датчика виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера позволяют устранить недостатки прототипа и обеспечить достижение нового технического результата, а именно: упростить конструкцию, повысить температурную стабильность ВОД, увеличить отношение сигнал/шум.The claimed two options for a fiber-optic sensor of vibroacoustic signals based on the Doppler intrafluorescence effect make it possible to eliminate the disadvantages of the prototype and ensure the achievement of a new technical result, namely: to simplify the design, increase the temperature stability of the VOD, and increase the signal-to-noise ratio.
Указанный технический результат достигается за счет того, что:The specified technical result is achieved due to the fact that:
по 1 варианту заявленный волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера включает оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент, оптический разветвитель, оптическую дифракционную решетку Брэгга и фотоприемник. Оптическая дифракционная решетка Брэгга соединена с одним из выходов оптического разветвителя. В отличие от прототипа датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга. Источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником. При этом первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены со спектральным сдвигом резонансных частот друг относительно друга;according to
по 2 варианту заявленный волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера включает оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент, оптический разветвитель, оптическую дифракционную решетку Брэгга и фотоприемник. Оптическая дифракционная решетка Брэгга соединена с одним из выходов оптического разветвителя. В отличие от прототипа датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга. Источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником.according to
В отличие от первого варианта во втором варианте волоконно-оптического датчика первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены с идентичными параметрами по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения, при этом одна из решеток выполнена с возможностью изменения резонансной частоты отражения.Unlike the first option, in the second version of the fiber-optic sensor, the first and second Bragg optical diffraction gratings are made with identical parameters along the width of the reflection band and the resonant reflection frequency, while one of the gratings is configured to change the resonant reflection frequency.
В процессе проведенных патентных исследований не выявлены другие технические решения построения волоконно-оптических датчиков виброакустических сигналов, в которых для регистрации сдвига оптического спектра, индуцированного эффектом Доплера, были бы использованы две оптические дифракционные решетки Брэгга и низкокогерентный источник излучения.In the process of patent research, other technical solutions for constructing fiber-optic sensors for vibro-acoustic signals were not identified, in which two Bragg optical diffraction gratings and a low-coherent radiation source would be used to register the shift of the optical spectrum induced by the Doppler effect.
Существенность отличий предлагаемой конструкции ВОД (по первому и второму вариантам) от прототипа определяется следующим.The significance of the differences in the proposed design of water (in the first and second options) from the prototype is determined by the following.
1. Выполнение источника оптического излучения низкокогерентным (широкополосным), в котором ширина спектра превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, позволяет исключить влияние температурной нестабильности частоты источника излучения на параметры ВОД, что обеспечивает его работоспособность в различных эксплуатационных условиях, повышает устойчивость работы датчика к внешним факторам (температура, изгибы, гидростатическое давление и др.), в том числе и в экстремальных условиях.1. The implementation of the optical radiation source of low coherence (broadband), in which the width of the spectrum exceeds the width of the reflection spectrum of the first Bragg grating, eliminates the influence of temperature instability of the frequency of the radiation source on the parameters of the VOD, which ensures its operability in various operating conditions, increases the stability of the sensor to external factors (temperature, bends, hydrostatic pressure, etc.), including in extreme conditions.
2. В заявленных конструкциях ВОД использованы две оптические дифракционные решетки Брэгга. При этом в первом варианте использованы решетки Брэгга, которые по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения отличаются между собой. Во втором варианте используются решетки с идентичными параметрами, которые изготовлены по единому технологическому процессу, что обеспечивает изготовление ВОД в процессе производства с минимальными разбросами по чувствительности.2. In the claimed designs of VOD used two optical Bragg diffraction gratings. Moreover, in the first embodiment, Bragg gratings are used, which differ in width of the reflection band and in the resonance frequency of reflection. In the second embodiment, lattices with identical parameters are used, which are made according to a single technological process, which ensures the production of water in the production process with minimal variation in sensitivity.
При этом в конструкции по первому варианту сдвиг по резонансной частоте отражения между решетками Брэгга может быть осуществлен в процессе изготовления или настройки ВОД.Moreover, in the design according to the first embodiment, a shift in the resonant frequency of reflection between the Bragg gratings can be carried out during the manufacturing or tuning of the VOD.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:
на фиг. 1 - блок-схема ВОД по первому и второму вариантам;in FIG. 1 is a block diagram of the water supply system according to the first and second options;
на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 - графики, поясняющие работу ВОД по первому и второму вариантам, где для простоты изложения в данном примере использованы оптические дифракционные решетки Брэгга со спектральными характеристиками в виде прямоугольников.in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4 and FIG. 5 are graphs explaining the operation of the VOD according to the first and second variants, where, for simplicity of presentation, in this example, optical Bragg diffraction gratings with spectral characteristics in the form of rectangles are used.
В том числе:Including:
на фиг. 2 приведена спектральная характеристика оптического сигнала, отраженного первой оптической дифракционной решеткой Брэгга и поступающего на вторую решетку Брэгга, где R1(ν) - коэффициент отражения первой решетки Брэгга, ν - частота оптической несущей; δν1 - ширина спектра отражения; ν01 - центральная частота (резонансная частота) отраженного спектра;in FIG. Figure 2 shows the spectral characteristic of the optical signal reflected by the first Bragg optical diffraction grating and entering the second Bragg grating, where R 1 (ν) is the reflection coefficient of the first Bragg grating, ν is the frequency of the optical carrier; δν 1 is the width of the reflection spectrum; ν 01 is the center frequency (resonance frequency) of the reflected spectrum;
на фиг. 3 приведена спектральная характеристика пропускания второй решетки Брэгга T2(ν), где T2(ν)=1-R2(ν), a R2(ν) - коэффициент отражения второй решетки Брэгга; ν02 - ее центральная (резонансная) частота отражения; Δν - смещение резонансной частоты второй решетки Брэгга относительно первой решетки, где Δν=Δν0±fd(t), Δν0 - величина постоянного сдвига между резонансными частотами отражения решеток, которые задаются конструктивно, a fd(t) - сдвиг частоты, определяемый доплеровским эффектом;in FIG. Figure 3 shows the spectral transmission characteristic of the second Bragg grating T 2 (ν), where T 2 (ν) = 1-R 2 (ν), and R 2 (ν) is the reflection coefficient of the second Bragg grating; ν 02 is its central (resonant) reflection frequency; Δν is the shift of the resonance frequency of the second Bragg grating relative to the first grating, where Δν = Δν 0 ± f d (t), Δν 0 is the constant shift between the resonance reflection frequencies of the gratings, which are specified constructively, af d (t) is the frequency shift determined by Doppler effect;
на фиг. 4 приведена функциональная зависимость произведения R1(ν)*T2(ν) от величины частотного промежутка Δν=ν02-ν01. Из фиг. 4 следует, что каждому значению Δν соответствует свое произведение R1(ν)*T2(ν) и своя площадь под графиком; изменения Δν за счет fd(t) приводят к изменениям площади;in FIG. 4 shows the functional dependence of the product R 1 (ν) * T 2 (ν) on the value of the frequency gap Δν = ν 02 -ν 01 . From FIG. 4 it follows that each value of Δν corresponds to its own product R 1 (ν) * T 2 (ν) and its own area under the graph; changes in Δν due to f d (t) lead to changes in area;
на фиг. 5 приведен вид корреляционной функции ψ(Δν), характеризующей степень связи между спектром пропускания второй решетки Брэгга и спектром поступившего на нее сигнала и которая определяется выражением:in FIG. 5 shows the form of the correlation function ψ (Δν), which characterizes the degree of coupling between the transmission spectrum of the second Bragg grating and the spectrum of the signal received at it and which is determined by the expression:
ψ(Δν)=∫R1(ν)T2(ν)dν.ψ (Δν) = ∫R1 (ν) T2 (ν) dν.
Приведенные позиции на чертежах (фиг. 1-5) справедливы для первого и второго вариантов ВОД. На чертежах обозначены: 1 - низкокогерентный источник оптического излучения; 2 - оптический разветвитель; 3 - первая оптическая дифракционная решетка Брэгга; 4 - вторая оптическая дифракционная решетка Брэгга со смещенным резонансом относительно первой оптической дифракционной решетки Брэгга; 5 - отрезок ВС, подводящий излучение к чувствительному элементу; 6 - чувствительный элемент; 7 - фотоприемник, 8 - спектр излучения низкокогерентного источника; 9 - спектр сигнала, поступающего на вторую решетку Брэгга; 10 - спектр пропускания второй оптической дифракционной решетки Брэгга.The above positions in the drawings (Figs. 1-5) are valid for the first and second versions of the water supply system. In the drawings are indicated: 1 - low coherent optical radiation source; 2 - optical splitter; 3 - the first optical Bragg diffraction grating; 4 - a second optical Bragg diffraction grating with offset resonance relative to the first optical Bragg grating; 5 - a segment of the aircraft supplying radiation to the sensitive element; 6 - a sensitive element; 7 - photodetector, 8 - radiation spectrum of a low coherent source; 9 - spectrum of the signal supplied to the second Bragg grating; 10 is a transmission spectrum of a second Bragg optical diffraction grating.
В соответствии с фиг. 1 волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (по первому и второму вариантам) состоит из низкокогерентного источника оптического излучения 1, оптического разветвителя 2, первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3, второй оптической дифракционной решетки Брэгга 4 со смещенным резонансом относительно первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3 длиной волны отражения, отрезка ВС 5, подводящего излучение к чувствительному элементу 6. К выходу второй оптической дифракционной решетки Брэгга 4 подключен фотоприемник 7.In accordance with FIG. 1 fiber-optic sensor of vibroacoustic signals based on the intra-optical Doppler effect (according to the first and second options) consists of a low-coherent
В качестве низкокогерентного источника оптического излучения 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, либо суперлюминесцентный волоконный излучатель, либо другой излучатель, ширина спектра излучения которого превышает ширину спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3.As a low coherent
В качестве оптического разветвителя 2 может использоваться циркулятор как устройство, позволяющее, с одной стороны, осуществить оптическую развязку между излучателем и другими оптическими элементами схемы датчика, а с другой, - осуществлять деление оптического излучения в заданном соотношении.As an
Оптические дифракционные решетки Брэгга 3 и 4 могут быть волоконно-оптическими, интегрально-оптическими или акустооптическими как с одинаковыми, так и отличающимися между собой спектральными параметрами.Bragg
Для обеспечения работы ВОД по первому варианту в области максимальной чувствительности и обеспечения максимального динамического диапазона принимаемых сигналов резонансные частоты отражения решеток Брэгга 3 и 4 должны быть смещены относительно друг друга на некоторую величину Δν0, которая зависит от ширины спектров используемых решеток.To ensure the operation of the VOD according to the first option in the field of maximum sensitivity and to ensure the maximum dynamic range of the received signals, the resonance reflection frequencies of the
При использовании в датчике по второму варианту решеток Брэгга с идентичными параметрами статическое смещение резонансных частот решеток относительно друг друга может быть достигнуто путем изменения шага между отражающими слоями за счет их продольной деформации. Например, в случае использования волоконно-оптических решеток эту деформацию можно осуществить с помощью пьезокерамического актюатора или путем изгиба балки, на которую наклеена решетка. В случае использования оптических решеток Брэгга в интегрально-оптическом исполнении длиной волны отражения можно управлять с помощью электрического напряжения, подаваемого на внешние электроды.When using Bragg gratings with identical parameters in the sensor according to the second embodiment, the static shift of the resonant frequencies of the gratings relative to each other can be achieved by changing the pitch between the reflecting layers due to their longitudinal deformation. For example, in the case of using fiber optic gratings, this deformation can be carried out using a piezoceramic actuator or by bending a beam onto which the grating is glued. In the case of the use of optical Bragg gratings in the integrated optical design, the reflection wavelength can be controlled using the electric voltage supplied to the external electrodes.
Работает устройство по первому и второму вариантам следующим образом.The device operates according to the first and second options as follows.
Оптическое излучение от широкополосного источника оптического излучения 1, ширина спектра излучения которого, как показано на фиг. 2-5, превышает ширину спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3, поступает по волоконному световоду в оптический разветвитель 2, после прохождения которого оно поступает на первую решетку Брэгга 3. Оптическая дифракционная решетка Брэгга 3 отражает поступившее на нее излучение на своей резонансной частоте - ν01 и соответствующей ей ширине спектра отражения δν1 в обратном направлении к оптическому разветвителю 2. После прохождения разветвителя 2 излучение поступает по отрезку ВС 5 к чувствительному элементу 6.Optical radiation from a broadband
При прохождении излучения по волоконному световоду, образующего чувствительный элемент 6, за счет его динамической деформации происходит смещение центральной частоты излучения ν01 на величину, пропорциональную доплеровскому сдвигу частоты излучения fд в чувствительном элементе 6. Это излучение далее поступает на вторую оптическую дифракционную решетку Брэгга 4, имеющую отличную от первой решетки Брэгга 3 резонансную частоту ν02. Разница между значениями резонансных частот решеток Брэгга 3 и 4, которая определяется как Δν=ν02-ν01, определяет мощность оптического сигнала, прошедшего через вторую решетку Брэгга 4 и поступающего на фотоприемник 7, как показано на фиг. 4. Доля прошедшего излучения определяется как статическим сдвигом между резонансными частотами решеток Δν0, так и динамическим сдвигом частоты fд, определяемой доплеровским эффектом. Фотоприемник 7 преобразует изменения мощности оптического сигнала в электрический сигнал. Вид амплитудно-частотных характеристик определяется видом спектральных кривых решеток Брэгга. При этом наиболее оптимальным видом является прямоугольник, как показано на фиг. 5, так как в этом случае линейный участок достигает своего максимального значения.When radiation passes through the fiber, forming the
Полная световая мощность излучения (Рфп), достигающая фотоприемника 7, определяется выражением:The total light radiation power (RF), reaching the
Рфп=∫P(ν)R1(ν)T2(ν)dν.Rfp = ∫P (ν) R1 (ν) T2 (ν) dν.
В частном случае в волоконно-оптической реализации ВОД в качестве источника излучения может быть, например, использован суперлюминесцентный светодиод на длину волны излучения 1500 нм с шириной спектра, примерно равной 2 нм, и с выходной мощностью Р0=100 мВт. Все остальные элементы могут быть волоконно-оптическими. Выходная мощность суперлюминесцентного светодиода должна выбираться из расчета того, что первой оптической дифракционной решеткой Брэгга 3 в направлении чувствительного элемента 6 отражается только небольшая часть поступившего на нее излучения. Например, при использовании решетки Брэгга с шириной полосы отражения, равной ≤0,1 нм, мощность излучения, поступающего в чувствительный элемент 6, составит ~1 мВт.In a particular case, in a fiber-optic implementation of VOD, a superluminescent LED at a radiation wavelength of 1500 nm with a spectral width of approximately 2 nm and with an output power of P 0 = 100 mW can be used as a radiation source, for example. All other elements may be fiber optic. The output power of the superluminescent LED should be selected based on the fact that the first optical
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016117224A RU2633020C1 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016117224A RU2633020C1 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2633020C1 true RU2633020C1 (en) | 2017-10-11 |
Family
ID=60129298
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016117224A RU2633020C1 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2633020C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU195098U1 (en) * | 2019-10-15 | 2020-01-15 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Fiber optic strain gauge |
RU2797773C1 (en) * | 2022-11-11 | 2023-06-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") | Multichannel distributed fiber optic sensor for monitoring and protection of extended objects |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004012280A (en) * | 2002-06-06 | 2004-01-15 | Tokyo Gas Co Ltd | Optical fiber vibration sensor and vibration measuring method |
EP1400792A1 (en) * | 2001-06-27 | 2004-03-24 | Center for Advanced Science and Technology Incubation, Ltd. | Device and method for vibration measurement |
RU2322649C1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-04-20 | Федор Андреевич Егоров | Meter of deformation and modes of measuring of deformation (variants) |
RU139468U1 (en) * | 2013-08-02 | 2014-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" | MEASUREMENT DEVICE FOR VIBRATION OR ACOUSTIC INFLUENCES ALONG A LENGTHED OBJECT |
-
2016
- 2016-04-29 RU RU2016117224A patent/RU2633020C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1400792A1 (en) * | 2001-06-27 | 2004-03-24 | Center for Advanced Science and Technology Incubation, Ltd. | Device and method for vibration measurement |
JP2004012280A (en) * | 2002-06-06 | 2004-01-15 | Tokyo Gas Co Ltd | Optical fiber vibration sensor and vibration measuring method |
RU2322649C1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-04-20 | Федор Андреевич Егоров | Meter of deformation and modes of measuring of deformation (variants) |
RU139468U1 (en) * | 2013-08-02 | 2014-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" | MEASUREMENT DEVICE FOR VIBRATION OR ACOUSTIC INFLUENCES ALONG A LENGTHED OBJECT |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU195098U1 (en) * | 2019-10-15 | 2020-01-15 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Fiber optic strain gauge |
RU2797773C1 (en) * | 2022-11-11 | 2023-06-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") | Multichannel distributed fiber optic sensor for monitoring and protection of extended objects |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6285446B1 (en) | Distributed sensing system | |
US6836578B2 (en) | System and method for measuring physical stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuning means | |
US7324714B1 (en) | Multicore fiber curvature sensor | |
US6137565A (en) | Bragg grating temperature/strain fiber sensor having combination interferometer/spectrometer output arrangement | |
US7538860B2 (en) | System and method for determination of the reflection wavelength of multiple low-reflectivity bragg gratings in a sensing optical fiber | |
KR101130344B1 (en) | Apparatus and method of distributed fiber sensor using Brillouin optical time domain analysis based on Brillouin dynamic grating | |
US4853534A (en) | Optical fiber sensing system | |
US6289740B1 (en) | Integrated fiber optic strain sensing using low-coherence wavelength-encoded addressing | |
US4995697A (en) | Fiber optic sensing system | |
US9759585B2 (en) | TDM- and WDM-based FBG sensor array system | |
EP2839554B1 (en) | Frequency tunable laser system | |
KR100217714B1 (en) | Optical temperature sensor system with laser diode | |
CN106066203B (en) | The highly sensitive vibration-detection system of distribution and method based on ultrashort optical fiber optical grating array | |
US7515275B2 (en) | Optical apparatus and method for distance measuring | |
JP2004191349A (en) | Device and method for determining wavelength by coarse and fine measurements | |
US5706079A (en) | Ultra-high sensitivity transducer with chirped bragg grating relector | |
WO2023069333A1 (en) | Few-mode rayleigh-based distributed fiber sensor for simultaneous temperature and strain sensing | |
WO2016105196A2 (en) | Detection of local property changes in an optical sensing fiber | |
RU2633020C1 (en) | Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) | |
JP3663903B2 (en) | Wavelength detector | |
JP3925202B2 (en) | High speed wavelength detector | |
AU732668B2 (en) | TDM array of optical non-acoustic pressure sensors | |
RU2082119C1 (en) | Fiber-optical multiplexer which measures temperature | |
RU2742106C1 (en) | Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer | |
AU2020103626A4 (en) | An optical path autocorrelator used for distributed fiber strain sensing measurement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180430 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190710 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20191115 |