RU2685439C1 - Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники - Google Patents

Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники Download PDF

Info

Publication number
RU2685439C1
RU2685439C1 RU2018120228A RU2018120228A RU2685439C1 RU 2685439 C1 RU2685439 C1 RU 2685439C1 RU 2018120228 A RU2018120228 A RU 2018120228A RU 2018120228 A RU2018120228 A RU 2018120228A RU 2685439 C1 RU2685439 C1 RU 2685439C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
unit
amplifier
fiber
input
Prior art date
Application number
RU2018120228A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Анатольевич Киселёв
Ярослав Владимирович Морошкин
Андрей Юрьевич Чекин
Константин Николаевич Губернаторов
Андрей Алексеевич Оглезнев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС")
Priority to RU2018120228A priority Critical patent/RU2685439C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2685439C1 publication Critical patent/RU2685439C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/02Wind tunnels
    • G01M9/04Details

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам контроля и диагностики общесамолетных систем воздушных судов. Бортовая распределенная система контроля и диагностики утечек содержит по меньшей мере один волоконно-оптический датчик, блок-преобразователь, который содержит перестраиваемый эрбиевый волоконный лазер, блок коммуникации, блок термостабилизации, блок питания и плату обработки, которая состоит из по меньшей мере одного оптического разветвителя, фотоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, программируемой логической интегральной схемы, центрального сигнального процессора. При этом вход каждого оптического разветвителя платы обработки оптически связан с источником излучения и каждым волоконно-оптическим датчиком, а каждый выход оптического разветвителя последовательно соединен с фотоприемником, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, поступающий на вход усилителя, при этом выход усилителя связан с входом аналого-цифрового преобразователя, на выходе которого сигнал, преобразованный в цифровой, последовательно поступает на программируемую логическую интегральную схему и центральный сигнальный процессор, который соединен с блоком коммуникации, при этом блок коммуникации связан с перестраиваемым источником излучения и блоком термостабилизации. Технический результат - повышение безопасности полетов за счет расширения функциональных возможностей бортовых систем контроля и диагностирования. 7 ил.

Description

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам контроля и диагностики общесамолетных систем воздушных судов, а именно к системам мониторинга технического состояния авиационных трубопроводов в процессе эксплуатации. Хорошо известны устройства, в которых оптические волокна используются в качестве датчиков для обнаружения изменения и измерения различных физических параметров, таких как, температура, деформация и механическая вибрация. Это достигается путем передачи света по оптоволокну и последующего анализа обратного рассеяния в оптоволокне, а именно определения характеристик прошедшего света таких как, частота, амплитуда (например, стоксовых и антистоксовых сдвигов комбинационного рассеяния и рассеяния Рэлея) и фазовых сдвигов позволяющих в дальнейшем определять причины, приведшие к изменению характеристик световых пучков.
К настоящему времени неизвестны системы, использующие технологии фотоники при выполнении функций мониторинга технического состояния различных пневматических систем. Однако, данная область исследований является достаточно разработанной и потенциально востребованной.
Из известных системы наиболее близкой по технической сути к предполагаемой системе, является система контроля технического состояния конструкции летательного аппарата (аналог), содержащая датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту. (Патент на изобретение №2544028, Львов Н.Л., Хабаров С.С, Носов А.А., Сиваков Д.В.). Система содержит датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту воздушного судна. На каждой лопасти винта вертолета и каждой консоли крыла самолета установлены не менее двух волоконно-оптических тензодатчиков на основе брэгговской решетки и не менее двух виброакустических датчиков. Система включает волоконно-оптические магистральные кабели, оптические разъемы, электрические шины управления, оптические свитчи, волоконно-оптические измерительные линии.
Общим признаком аналога является использования технологий фотоники при диагностировании технического состояния элементов (систем) воздушных судов.
Предлагаемая бортовая распределенная система контроля и диагностирования утечек обеспечивает основной технический результат: повышение безопасности полетов за счет расширения функциональных возможностей бортовых систем контроля и диагностирования. Кроме того, можно отметить дополнительные технические результаты: возможность перевода эксплуатации таких систем на эксплуатацию по состоянию, сведению к минимуму количество периодических проверок технического состояния воздушных судов, и как следствие, снижение времени технического обслуживания воздушного судна.
Технический результат достигается за счет того, что бортовая распределенная система контроля и диагностики утечек содержит по меньшей мере один волоконно-оптический датчик, блок преобразователь, который содержит перестраиваемый эрбиевый волоконный лазер, блок коммуникации, блок термостабилизации, блок питания и плату обработки, которая состоит из по меньшей мере одного оптического разветвителя, фотоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, программируемой логической интегральной схемы, центрального сигнального процессора, при этом вход каждого оптического разветвителя платы обработки оптически связан с источником излучения и каждым волоконно-оптическим датчиком, а каждый выход оптического разветвителя последовательно соединен с фотоприемником, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, поступающий на вход усилителя, при этом выход усилителя связан с входом аналого-цифрового преобразователя, на выходе которого сигнал, преобразованный в цифровой, последовательно поступает на программируемую логическую интегральную схему и центральный сигнальный процессор, который соединен с блоком коммуникации, при этом блок коммуникации связан с перестраиваемым источником излучения и блоком термостабилизации.
Система обеспечивает сигнализацию, контроль и диагностирование утечек из горячих трубопроводов общесамолетных системы, в частности -системы кондиционирования воздуха и пневматической противообледенительной системы, путем неразрушающего контроля их технического состояния.
Экспериментальные исследования бортовой распределенной системы контроля и диагностики утечек (БРСКДУ), подтвердили работоспособность предлагаемой системы и целесообразность ее широкого промышленного использования.
Информационные потоки БРСКДУ можно условно разделить на три части: первая - оптические сигналы, которые содержат полезную информацию в виде спектральных зависимостей; вторая часть - электрические сигналы внутри блоков обработки и третья часть -цифровые внешние интерфейсы.
Первый уровень определяется физическими принципами, на основе которых функционирует система.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 представлена структурная схема БРСКДУ, где:
1 - волоконно-оптический датчик;
2 - блок преобразователь;
3 - внешние интерфейсы.
На фиг. 2 представлен принцип работы волоконно-оптических датчиков.
На фиг. 3 представлена установка волоконно-оптических датчиков на поверхность, где:
4 - волоконная брэгговская решетка;
5 - клеевое соединение;
6 - основание.
На фиг. 4 представлена структурная схема бока преобразователя, где изображены:
7 - перестраиваемый эрбиевый волоконный лазер;
8 - плата обработки;
9 - блок коммуникации;
10 - блок питания;
11 - блок термостабилизации.
На фиг. 5 представлена структурная схема платы обработки (ПО), где изображены:
12 - оптический разветвитель;
13 - фотоприемник;
14 - усилитель;
15 - аналогово-цифровой преобразователь;
16 - программируемая логическая интегральная схема;
17 - цифровой сигнальный процессор;
На фиг. 6 приведена структурная схема блока коммуникации, где изображен:
18 - блок памяти.
На фиг. 7 приведена обобщенная структурная схема подачи, преобразования и приема сигнала.
Чувствительным элементом всех волоконно-оптических датчиков (ВОД) (1) системы являются волоконные брэгговские решетки (ВБР). ВБР - это структура с периодическим по длине изменением показателя преломления, сформированная в сердцевине оптического волокна. ВБР обладает узким спектром отражения, резонансная длина волны (λ0) которой зависит от показателя преломления материала (n) и периода его изменения (d). Принцип работы ВБР изображен на фиг. 2. При внешнем температурном воздействии на ВБР происходит изменение показателя преломления (Δn) и его периода (Δd), что приводит к изменению резонансной длины волны ВБР (Δλ). Однако, для увеличения чувствительности датчиков можно устанавливать ВБР на поверхность с коэффициентом линейного теплового расширения большим, чем у кварцевого волокна фиг. 3.
Основной задачей блоков преобразователей является измерение сдвига резонансной длины волны ВБР каждого датчика и расчет температуры по этим данным.
Блок преобразователь состоит из источника излучения - перестраиваемого эрбиевого волоконного лазера (ПЭВЛ) (7), платы обработки (ПО) (8), блока коммуникации (БК) (9), блока питания (БП) (10) и блока термостабилизации (БТС) (11) фиг. 4. БП обеспечивает электрическое питание основных модулей блока (БК, ПО, ПЭВЛ) напряжением в 5 В. БТС поддерживает заданный температурный режим основных модулей блока за счет управления нагревателями и элементами Пельтье, расположенными на этих модулях, а также управляет блоком питания, включая основные модули после установления на этих модулях необходимого температурного режима. ПЭВЛ является источником оптического излучения и осуществляет сканирование линий ВОД. ПО обеспечивает прием отраженных от ВБР оптических сигналов, БК обеспечивает взаимодействие и синхронизацию модуля ПЭВЛ с ПО, а также обеспечивает передачу данных во внешние интерфейсы.
Общая структурная схема ПО представлена на фиг. 5. ПО имеет в своем составе:
- оптические разветвители (12), которые обеспечивают разделение входного оптического излучения ПЭВЛ по каналам и обеспечивают вывод из линии на фотоприемник (13) отраженного от волоконных датчиков сигнала. Оптический сигнал из каждого канала попадает на фотоприемник, где преобразовывается в электрический сигнал, после чего проходит усилитель (14) и поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (15).
- двухканальные АЦП. Каждый канал АЦП поступает в параллельном виде в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) (16) с тактированием с заданной частотой. Данные с этих каналов передаются для обработки в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) (17). В ПЛИС реализованы следующие функции:
1. Порт управления АЦП с интерфейсом типа SPI.
2. Порты приема данных от АЦП.
3. Преобразование входной тактовой частоты в тактовую частоту необходимую АЦП.
5. Управление преобразователями питания, сигналами начальной загрузки и сброса ЦСП.
6. Прочие функции (зажигание светодиодов, сброс и трансляция прерывания и т.д.).
Структурная схема БК (9) приведена на фиг. 6.
Блок коммуникации включает: блок памяти (18), ЦСП (17) и ПЛИС (16).
БК обеспечивает:
- синхронизацию модуля ПЭВЛ с модулями ПО;
- обмен данными с ПО (по технологии Ethernet);
- хранение калибровочных и конфигурационных данных;
- расчет положения пиков центральных длин волн и значений температуры;
- определение наличия утечки по рассчитанным значениям температуры;
- обмен данными с внешними интерфейсами (3);
- передачу данных о температуре внутри блока и работе всех модулей блоку термостабилизации (БТС) (11);
- формирование управляющих сигналов для ПО. Обобщенная структурная схема подачи, преобразования и приема сигнала представлена на фиг. 7.
БРСКДУ работает следующим образом. ПЭВЛ (7) посылает оптический сигнал по оптической линии волоконно-оптических датчиков (1) через оптические разветвители (12). Сигнал, отраженный от брэгговской решетки волоконно-оптических датчиков попадает в блок преобразователь (2).
В блоке преобразователе (2) отраженный оптический сигнал поступает в плату обработки (8) на вход фотоприемника (13), где преобразуется в электрический аналоговый сигнал малой амплитуды, далее этот сигнал усиливается в усилителе (14) и подается на АЦП (15). В АЦП (15) электрический аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал. Цифровой сигнал с каждого канала АЦП (15) поступает в параллельном виде в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) (16) с тактированием с заданной частотой. Данные с этих каналов передаются для обработки в ЦСП (17).
В ЦСП (17) производится определение центральной длины волны каждого датчика и вычисление температуры. С выхода ЦСП (17) сигнал поступает на вход БК (9).
Если резонансная длина волны ВБР в определенный момент времени совпадает с длиной волны, излучаемой ПЭВЛ (7), то основная часть излучения отражается от ВБР обратно в блок преобразователь (2), где фиксируется скачок оптической мощности фотоприемниками (13) на ПО (8). Зная текущую излучаемую модулем ПЭВЛ (7) длину волны, за счет синхронизации ПО (8) и ПЭВЛ (7) с помощью БК (9), система может точно определить текущую резонансную длину волны ВБР.
Если же резонансная длина волны ВБР не совпадает с длиной волны излучаемой лазером в текущий момент времени, то излучение проходит сквозь ВБР с минимальными потерями, обеспечивая возможность засвечивания следующего датчика в линии. Отраженный сигнал от этого датчика также возвращается в ПО, где происходит расчет температуры аналогичным образом.

Claims (1)

  1. Бортовая распределенная система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники, характеризующаяся тем, что содержит по меньшей мере один волоконно-оптический датчик, блок-преобразователь, который содержит перестраиваемый эрбиевый волоконный лазер, блок коммуникации, блок термостабилизации, блок питания и плату обработки, которая состоит из по меньшей мере одного оптического разветвителя, фотоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, программируемой логической интегральной схемы, центрального сигнального процессора, при этом вход каждого оптического разветвителя платы обработки оптически связан с источником излучения и каждым волоконно-оптическим датчиком, а каждый выход оптического разветвителя последовательно соединен с фотоприемником, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, поступающий на вход усилителя, при этом выход усилителя связан с входом аналого-цифрового преобразователя, на выходе которого сигнал, преобразованный в цифровой, последовательно поступает на программируемую логическую интегральную схему и центральный сигнальный процессор, выход которого соединен с блоком коммуникации, при этом блок коммуникации связан с перестраиваемым источником излучения и блоком термостабилизации.
RU2018120228A 2018-05-31 2018-05-31 Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники RU2685439C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120228A RU2685439C1 (ru) 2018-05-31 2018-05-31 Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120228A RU2685439C1 (ru) 2018-05-31 2018-05-31 Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685439C1 true RU2685439C1 (ru) 2019-04-18

Family

ID=66168524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018120228A RU2685439C1 (ru) 2018-05-31 2018-05-31 Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2685439C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090303460A1 (en) * 2006-05-17 2009-12-10 Bundesanstalt Fur Materialforschung Und-Prufung (Bam) Reinforcement Element With Sensor Fiber, Monitoring System, And Monitoring Method
RU2413188C2 (ru) * 2009-04-09 2011-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "СибСенсор" Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения (варианты)
RU140707U1 (ru) * 2012-02-02 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор
RU2516346C1 (ru) * 2012-12-11 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта
RU161231U1 (ru) * 2015-11-11 2016-04-10 Публичное акционерное общество "Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро" Устройство для контроля повреждения трубопровода гидроэлектростанции
RU170835U1 (ru) * 2016-06-21 2017-05-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090303460A1 (en) * 2006-05-17 2009-12-10 Bundesanstalt Fur Materialforschung Und-Prufung (Bam) Reinforcement Element With Sensor Fiber, Monitoring System, And Monitoring Method
RU2413188C2 (ru) * 2009-04-09 2011-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "СибСенсор" Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения (варианты)
RU140707U1 (ru) * 2012-02-02 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор
RU2516346C1 (ru) * 2012-12-11 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта
RU161231U1 (ru) * 2015-11-11 2016-04-10 Публичное акционерное общество "Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро" Устройство для контроля повреждения трубопровода гидроэлектростанции
RU170835U1 (ru) * 2016-06-21 2017-05-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9599460B2 (en) Hybrid Raman and Brillouin scattering in few-mode fibers
US7157693B2 (en) Optical wavelength interrogator
US8734011B2 (en) Distributed optical fiber temperature sensor based on optical fiber delay
US20080285916A1 (en) All-Fiber Architecture for an Embedded Flight Sensor for Aeropropulsion Applications
RU2413188C2 (ru) Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения (варианты)
CN210089716U (zh) 一种基于多芯光纤传感的多参量同步传感采集仪
CN100507455C (zh) 一种强度调制型光纤传感器的复用方法
NL2010940C2 (en) Fiber bragg grating interrogator assembly and method for the same.
RU2510609C2 (ru) Устройство оптической идентификации измерительных каналов системы встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
Valente et al. Combined time and wavelength multiplexing technique of optical fiber grating sensor arrays using commercial OTDR equipment
RU2685439C1 (ru) Бортовая распределённая система контроля и диагностики утечек на основе технологий фотоники
CN110440837B (zh) 一种多参量光纤同步传感采集仪和传感采集方法
RU2478247C1 (ru) Система дистанционного контроля воздушной линии электропередачи, снабженной оптоволоконным кабелем
RU191082U1 (ru) Самокалибрующийся анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток
CN115003988A (zh) 使用多模光纤在测量点测量多个物理参数的系统
JP2007205783A (ja) 反射スペクトラム測定システム
RU192705U1 (ru) Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток
CN220982299U (zh) 环境状态监测系统
CN113639892B (zh) 一种光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统
Beheim et al. Modulated-splitting-ratio fiber-optic temperature sensor
CN211425533U (zh) 一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置
Heredero et al. Fiber Bragg gratings for optical sensing (FIBOS) for an aerospace application
Chan et al. Continuously Swept Laser Fiber Bragg Grating Data Acquisition System (DAS) Capable of Operating in Extreme Environment
Chan et al. Continuously Swept Laser-based Fiber Bragg Grating Data Acquisition System Capable of Operating in Extreme Environments
RU2621931C1 (ru) Устройство контроля напряженно-деформируемого состояния конструкции летательного аппарата