RU92180U1 - DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS Download PDF

Info

Publication number
RU92180U1
RU92180U1 RU2009137812/22U RU2009137812U RU92180U1 RU 92180 U1 RU92180 U1 RU 92180U1 RU 2009137812/22 U RU2009137812/22 U RU 2009137812/22U RU 2009137812 U RU2009137812 U RU 2009137812U RU 92180 U1 RU92180 U1 RU 92180U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical sensor
fiber optic
optic cable
optical
parameter
Prior art date
Application number
RU2009137812/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Геннадьевич Морозов
Геннадий Александрович Морозов
Валерий Валерьевич Куревин
Виталий Павлович Просвирин
Алексей Сергеевич Смирнов
Светлана Геральдовна Алюшина
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ)
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 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ)
Priority to RU2009137812/22U priority Critical patent/RU92180U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU92180U1 publication Critical patent/RU92180U1/en

Links

Abstract

1. Устройство для измерения параметров физических полей, содержащее последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, а также контроллер определения параметра физического поля, отличающееся тем, что в него введен фазометр, при этом выходы первого и второго фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазометра, а выход последнего к входу контроллера определения параметра физического поля. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе тонкопленочного фильтра. ! 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина третьего волоконно-оптический кабеля равна сумме длин первого и второго волоконно-оптических кабелей.1. A device for measuring the parameters of physical fields, containing a serially connected two-frequency laser emitter, an optical splitter, a first fiber optic cable, an optical sensor, a second fiber optic cable and a first photodetector, a second photodetector connected via a third fiber optic cable to a second output an optical splitter, as well as a controller for determining the parameter of the physical field, characterized in that a phase meter is introduced into it, while the outputs of the first and second photodetectors are connected respectively to the first and second inputs of the phase meter, and the output of the latter is connected to the input of the controller for determining the parameter of the physical field. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a fiber Bragg grating. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a Fabry-Perot interferometer. ! 4. Device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a thin film filter. ! 5. The device according to claim 1, characterized in that the length of the third fiber optic cable is equal to the sum of the lengths of the first and second fiber optic cables.

Description

Техническое решение относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении (интерферометры Фабри-Перо, решетки Брэгга, датчики на тонкопленочных фильтрах и т.д.), у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной, как правило, полосовой резонансной характеристики, в зависимости от параметров приложенных физических полей.The technical solution relates to the technique of optical measurements, in particular to devices for measuring the parameters of physical fields (temperature, pressure, tension, etc.) using optical sensors, including sensors in integrated and fiber-optic design (Fabry-Perot interferometers, gratings Bragg, sensors on thin-film filters, etc.), in which there is a dependence of the frequency shift of their spectral, as a rule, band-resonance characteristic, depending on the parameters of the applied physical fields.

Известно устройство для измерения параметров физических полей (см. электронный ресурс www.forc-photonics.ru, «Волоконно-оптический зондовый термометр», файл termometr_final.pdf, ООО ИП «НЦВО-Фотоника», 14.10.2008), которое содержит последовательно соединенные широкополосный лазерный излучатель, оптический разветвитель-циркулятор, волоконно-оптический кабель, оптический датчик, блок спектрального анализа принятого излучения и фотоприемный блок, соединный с входом блока определения параметра физического поля, в котором производится математическая обработка спектрального смещения, по которому с учетом калибровки определяют параметр физического поля, в данном случае температуру. Известны аналогичные устройства для измерения параметров и других физических полей.A device for measuring the parameters of physical fields is known (see electronic resource www.forc-photonics.ru, “Fiber Optic Probe Thermometer”, file termometr_final.pdf, LLC IP NTsVO-Photonika, October 14, 2008), which contains series-connected a broadband laser emitter, an optical splitter-circulator, a fiber optic cable, an optical sensor, a unit for spectral analysis of the received radiation and a photodetector unit connected to the input of the unit for determining the parameter of the physical field in which mathematical processing is performed spectral displacement, according to which, taking into account the calibration, the parameter of the physical field is determined, in this case the temperature. Known similar devices for measuring parameters and other physical fields.

Устройство работает следующим образом. Генерируют широкополосное излучение в лазерном излучателе, передают его к оптическому датчику по волоконно-оптическому кабелю, принимают излучение, преобразованное в оптическом датчике в блоке спектрального анализа принятого излучения и фотоприемном блоке, и определяют параметры физического поля, прецизионно регистрируя спектральное смещение резонансной длины волны оптического датчика.The device operates as follows. Generate broadband radiation in a laser emitter, transmit it to the optical sensor via a fiber optic cable, receive radiation converted in the optical sensor in the spectral analysis unit of the received radiation and the photodetector unit, and determine the parameters of the physical field by accurately recording the spectral shift of the resonant wavelength of the optical sensor .

Недостатком указанного устройства является необходимость использования сложных дорогостоящих блока спектрального анализа принятого излучения и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения (как правило, это оптические анализаторы спектра). Оптоэлектронная спектральная обработка сигналов, также представляется сложной, и требует наличия либо перестраиваемых лазерных излучателей, либо сложных систем спектральной фильтрации, либо нескольких фотоприемников, либо, как вариант, системы матричных ПЗС-приемников. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.The disadvantage of this device is the need to use complex expensive unit spectral analysis of received radiation and a photodetector unit for recording spectral bias (as a rule, these are optical spectrum analyzers). Optoelectronic spectral signal processing also appears to be complex, and requires either tunable laser emitters, or complex spectral filtering systems, or several photodetectors, or, as an option, a system of CCD array receivers. All this leads to the appearance of additional sources of errors in the measurement of the parameters of physical fields and a decrease in their accuracy in general.

Прототипом технического решения является устройство для измерения физических полей (см. Патент США №7463832 В2 «Метод и система компенсации тепловых смещений для оптических сетей», 398/196 МПК 8 H04J 13/02, 09.08.2005), которое содержит последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, а также блок сравнения амплитуд каждого из сигналов сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем пары и пары, принятой после прохождения оптического датчика, соединенный с контроллером определения параметра физического поля, в данном случае температуры, при этом выходы фотоприемников соединены с входами блока сравнения амплитуд.The prototype of the technical solution is a device for measuring physical fields (see US Patent No. 7463832 B2 “Method and system for compensating thermal displacements for optical networks”, 398/196 IPC 8 H04J 13/02, 08/09/2005), which contains a double-frequency laser connected in series an emitter, an optical splitter, a first optical fiber cable, an optical sensor, a second optical fiber cable and a first photodetector, a second photodetector connected through a third optical fiber cable to a second output of the optical splitter, as well as a unit for comparing the amplitudes of each of the signals generated by a two-frequency laser emitter of a pair and a pair received after passing through the optical sensor, connected to a controller for determining the parameter of the physical field, in this case temperature, while the outputs of the photodetectors are connected to the inputs of the amplitude comparison unit.

Прототип работает следующим образом. В двухчастотном лазерном излучателе генерируют пары сигналов заранее установленной близкой амплитуды со средней частотой, соответствующей определенной частоте полосы пропускания оптического датчика при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания, передают сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику по первому волоконно-оптическому кабелю, принимают на первом фотоприемнике пропущенную через оптический датчик пару сигналов, передаваемую второму волоконно-оптическому кабелю, и определяют параметр физического поля, сравнивая разности амплитуд между сигналами пары, принятой после прохождения через оптический датчик, или сравнивая их амплитуды с амплитудами сигналов в сгенерированной паре, переданной к второму фотоприемнику по третьему волоконно-оптическому кабелю.The prototype works as follows. In a two-frequency laser emitter, pairs of signals of a predetermined close amplitude are generated with an average frequency corresponding to a certain frequency bandwidth of the optical sensor at a given value of the physical field parameter, and a difference frequency narrow enough for both signals to fall into the specified bandwidth, transmit the generated pair signals to the optical sensor via the first fiber-optic cable, take a pair of si passed through the optical sensor on the first photodetector the signals transmitted to the second fiber-optic cable, and the physical field parameter is determined by comparing the differences in amplitudes between the signals of the pair received after passing through the optical sensor, or comparing their amplitudes with the amplitudes of the signals in the generated pair transmitted to the second photodetector via the third fiber-optic cable .

Недостатком прототипа устройства является необходимость использования сложной оптической системы для раздельного амплитудно-спектрального приема отдельных компонент пар сигналов, требующей, как правило, наличия узкополосных интерференционных фильтров, в свою очередь, обладающих температурной зависимостью спектральных характеристик. Оптоэлектронная раздельная обработка компонент, также представляется сложной и представляет собой обработку абсолютных амплитудных значений принятых сигналов, подверженную воздействию шумов и помех различной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.The disadvantage of the prototype device is the need to use a complex optical system for separate amplitude-spectral reception of individual components of signal pairs, requiring, as a rule, the presence of narrow-band interference filters, in turn, having a temperature dependence of spectral characteristics. Separate optoelectronic processing of the components is also complex and represents the processing of the absolute amplitude values of the received signals, subject to the effects of noise and interference of various nature. All this leads to the appearance of additional sources of errors in the measurement of the parameters of physical fields and a decrease in their accuracy in general.

Решаемая техническая задача заключается в повышении точности измерений, упрощении и удешевлении устройств для измерения параметров физических полей.The technical problem to be solved is to increase the accuracy of measurements, simplify and reduce the cost of devices for measuring the parameters of physical fields.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения параметров физических полей, содержащем последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель, оптический циркулятор, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического циркулятора, а также контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него введен фазометр, при этом выходы первого и второго фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазометра, а выход последнего к входу контроллера определения параметра физического поля.The technical problem to be solved is a device for measuring the parameters of physical fields, comprising a series-connected two-frequency laser emitter, an optical circulator, a first fiber optic cable, an optical sensor, a second fiber optic cable and a first photodetector, a second photodetector connected through a third fiber optic cable to the second output of the optical circulator, as well as the controller for determining the parameter of the physical field, is achieved by the fact that a phase meter is inserted into it, while the outputs of the first of the second and second photodetectors are connected respectively to the first and second inputs of the phase meter, and the output of the latter to the input of the controller determines the parameter of the physical field.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга.In some cases, the device may be implemented using an optical sensor based on a Bragg fiber grating.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо.In some cases, the device can be performed using an optical sensor based on a Fabry-Perot interferometer.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе тонкопленочного фильтра.In some cases, the device may be implemented using an optical sensor based on a thin film filter.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено так, что длина третьего волоконно-оптического кабеля равна сумме длин первого и второго волоконно-оптических кабелей.In some cases, the device may be configured such that the length of the third fiber optic cable is equal to the sum of the lengths of the first and second fiber optic cables.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.Figure 1 shows the structural diagram of the device.

На фиг.2 изображена зависимость разности фаз между огибающей биений сигналов сгенерированной пары и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик, от обобщенной расстроки полосы пропускания оптического датчика для случая подачи на него пары сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, равной полуширине указанной полосы пропускания.Figure 2 shows the dependence of the phase difference between the envelope of the beats of the signals of the generated pair and the envelope of the beats of the signals of the pair passing through the optical sensor, from the generalized row bandwidth of the optical sensor for the case of applying to it a pair of signals of the same amplitude with an average frequency corresponding to the center frequency of its strip transmission at a given value of the parameter of the physical field, and a difference frequency equal to the half-width of the specified bandwidth.

Устройство для измерения параметров физических полей (фиг.1, 2) содержит последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель 1, оптический разветвитель 2, первый волоконно-оптический кабель 3, оптический датчик 4, второй волоконно-оптический кабель 5 и первый фотоприемник 6, второй фотоприемник 7, соединенный через третий волоконно-оптический кабель 8 со вторым выходом оптического разветвителя 2, а также контроллер 9 определения параметра физического поля. В него введен фазометр 10, при этом выходы первого 6 и второго 7 фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазометра 10, а выход фазометра 10 к входу контроллера 9 определения параметра физического поля.A device for measuring the parameters of physical fields (Figs. 1, 2) contains a serially connected two-frequency laser emitter 1, an optical splitter 2, a first fiber optic cable 3, an optical sensor 4, a second fiber optic cable 5 and a first photodetector 6, a second photodetector 7 connected through the third fiber optic cable 8 to the second output of the optical splitter 2, as well as the controller 9 for determining the parameter of the physical field. A phase meter 10 is introduced into it, while the outputs of the first 6 and second 7 photodetectors are connected respectively to the first and second inputs of the phase meter 10, and the output of the phase meter 10 to the input of the controller 9 for determining the parameter of the physical field.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 4 на основе волоконной решетки Брэгга.In some cases, the device may be implemented using an optical sensor 4 based on a Bragg fiber grating.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 4 на основе интерферометра Фабри-Перо.In some cases, the device can be performed using an optical sensor 4 based on a Fabry-Perot interferometer.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 4 на основе тонкопленочного фильтра.In some cases, the device may be implemented using an optical sensor 4 based on a thin film filter.

В некоторых случаях устройство может быть выполнено так, что длина третьего волоконно-оптического кабеля 8 равна сумме длин первого 3 и второго 5 волоконно-оптических кабелей.In some cases, the device may be configured such that the length of the third fiber optic cable 8 is equal to the sum of the lengths of the first 3 and second 5 fiber optic cables.

На фиг.2 изображена зависимость разности фаз между огибающей биений сигналов пары, сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем 1, и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик 4, от обобщенной расстроки полосы пропускания оптического датчика 4 для случая подачи на него пары сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, равной полуширине указанной полосы пропускания.Figure 2 shows the dependence of the phase difference between the envelope of the beats of the signals of the pair generated by the dual-frequency laser emitter 1, and the envelope of the beats of the signals of the pair that passed through the optical sensor 4, on the generalized row bandwidth of the optical sensor 4 for the case when a pair of signals of the same amplitude the average frequency corresponding to the center frequency of its passband at a given value of the physical field parameter, and the difference frequency equal to the half width of the specified passband.

Рассмотрим работу устройства для измерения параметров физических полей.Consider the operation of the device for measuring the parameters of physical fields.

Для измерения параметров физических полей с помощью двухчастотного лазерного излучателя 1 генерируют пару сигналов близкой амплитуды со средней частотой, соответствующей определенной частоте полосы пропускания оптического датчика 4 при заданном (заранее установленном, калибровочном) значении параметра физического поля, и разностной частотой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания. Затем передают сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику 4 через оптический разветвитель 2 по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель 3.To measure the parameters of physical fields using a two-frequency laser emitter 1, a pair of signals of close amplitude with an average frequency corresponding to a certain frequency bandwidth of the optical sensor 4 is generated at a given (pre-set, calibration) value of the physical field parameter, and the difference frequency is narrow enough to so that both signals fall into the specified bandwidth. Then, the generated pair of signals is transmitted to the optical sensor 4 through the optical splitter 2 through the first optical medium, for which the first fiber-optic cable 3 is selected.

В сгенерированной паре сигналов, проходящей через оптический датчик 4, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.In the generated pair of signals passing through the optical sensor 4, the amplitudes of the individual components change, depending on the direction and magnitude of the frequency shift of its passband, caused by the applied physical field and uniquely determined by the parameter of this field.

Далее с помощью первого фотоприемника 6 принимают пропущенную через оптический датчик 4 пару сигналов, передаваемую от него по второй оптической среде, в качестве которой выбран второй волоконно-оптический кабель 5. С помощью второго фотоприемника 7 принимают исходную сгенерированную пару сигналов, поступающую на его вход через второй выход оптического разветвителя 2 и третью оптическую среду, в качестве которой выбран третий волоконно-оптический кабель 8. На выходе фотоприемников 7 и 6 образуются сигналы, соответствующие огибающей биений сигналов пары, сгенерированной двухчастотным лазерным излучением 1, и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик 4. Измерение разности фаз огибающей биений между сигналами пары, прошедшей через оптический датчик 4, и огибающей биений между сигналами пары, сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем 1, производят в фазометре 10.Next, with the help of the first photodetector 6, a pair of signals passed through the optical sensor 4 is received, transmitted from it through the second optical medium, which is selected as the second fiber-optic cable 5. Using the second photodetector 7, the initial generated pair of signals is received, which is input to it through the second output of the optical splitter 2 and the third optical medium, which is selected as the third fiber optic cable 8. At the output of the photodetectors 7 and 6, signals corresponding to the beat envelope are generated the signals of the pair generated by the double-frequency laser radiation 1 and the envelope of the beats of the signals of the couple passed through the optical sensor 4. The difference between the phases of the phases of the envelope of the beats between the signals of the couple passed through the optical sensor 4 and the envelope of the beats between the signals of the couple generated by the two-frequency laser emitter 1 is produced in the phase meter 10.

По полученному значению и заложенным в контроллере 9 определения параметра физического поля зависимостям разности фаз между огибающей биений сигналов пары, сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем 1, и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик 4, от обобщенной расстроки полосы пропускания оптического датчика 4 (фиг.2) и зависимости направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 4 от параметров физического поля однозначно определяют измеряемый параметр физического поля.Based on the value obtained and the controller’s determination of the physical field parameter 9 of the dependences of the phase difference between the beat envelope of the pair signals generated by the two-frequency laser emitter 1 and the beat envelope of the pair signals transmitted through the optical sensor 4 from the generalized bandwidth spacing of the optical sensor 4 (FIG. 2) and the dependence of the direction and magnitude of the frequency shift of the passband of the optical sensor 4 on the parameters of the physical field uniquely determine the measured parameter of the physical la.

На фиг.2 изображена зависимость разности фаз между огибающей биений сигналов пары, сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем 1, и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик 4, от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 4. Зависимость построена для случая подачи на оптический датчик 4 сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем 1 пары сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, равной полуширине указанной полосы пропускания. В этом случае обеспечиваются оптимальные по чувствительности и крутизне измерительного преобразования параметры устройства.Figure 2 shows the dependence of the phase difference between the envelope of the beats of the signals of the pair generated by the dual-frequency laser emitter 1, and the envelope of the beats of the signals of the pair that passed through the optical sensor 4, on the generalized detuning of the passband of the optical sensor 4. The dependence is constructed for the case of applying to the optical sensor 4 generated by a two-frequency laser emitter 1 pair of signals of the same amplitude with an average frequency corresponding to the center frequency of its passband for a given value of the parameter f field, and a difference frequency equal to half the width of the specified bandwidth. In this case, the device parameters that are optimal in sensitivity and steepness of the measurement conversion are provided.

В соответствии с фиг.2 средняя обобщенная расстройка полосы пропускания оптического датчика 4 равна 0 и соответствует его центральной частоте и средней частоте сгенерированной двухчастотным лазерным излучателе 1 пары сигналов. Расстройка между составляющими сгенерированной пары сигналов равна 2 и соответствует полуширине полосы пропускания оптического датчика 4. При других значения расстройки между составляющими сгенерированной пары сигналов меняются значения разности фаз огибающих биений, но не меняется характер зависимости.In accordance with figure 2, the average generalized detuning of the passband of the optical sensor 4 is equal to 0 and corresponds to its center frequency and the average frequency generated by the two-frequency laser emitter 1 pair of signals. The detuning between the components of the generated signal pair is equal to 2 and corresponds to the half-width of the passband of the optical sensor 4. For other detuning values between the components of the generated signal pair, the phase difference values of the beat envelopes change, but the nature of the dependence does not change.

При заданном (заранее установленном, калибровочном) параметре физического поля средняя частота сгенерированной пары сигналов будет соответствовать расстройке 0, а компоненты пары будут расположены одна с расстройкой - 1, другая с расстройкой 1. Их амплитуды будут равны, а разность фаз огибающих биений между сгенерированной и прошедшей через оптический датчик 4 парами сигналов будет равна 0 (фиг.2). При частотном смещении полосы пропускания оптического датчика 4 в зависимости от изменений параметра физического поля положение компонент сгенерированной пары сигналов относительно полосы пропускания будет меняться и будет меняться разность фаз огибающих биений между сгенерированной и прошедшей через оптический датчик 4 парами сигналов в соответствии с представленной зависимостью.For a given (pre-established, calibration) parameter of the physical field, the average frequency of the generated signal pair will correspond to detuning 0, and the components of the pair will be located one with detuning - 1, the other with detuning 1. Their amplitudes will be equal, and the phase difference of the beat envelopes between the generated and passed through the optical sensor 4 pairs of signals will be equal to 0 (figure 2). With the frequency shift of the passband of the optical sensor 4 depending on changes in the physical field parameter, the position of the components of the generated signal pair relative to the passband will change and the phase difference of the beat envelope between the generated and transmitted through the optical sensor 4 signal pairs will change in accordance with the presented dependence.

При известной зависимости величины расстройки полосы пропускания оптического датчика от значения параметра приложенного физического поля (например, для волоконно-оптической решетки Брэгга - типичные значения расстройки в зависимости от температуры ~0.01 нм/К и от относительного удлинения световода ~103ΔL/L (нм) (С.А.Васильев, О.И.Медведков, И.Г.Королев, Е.М.Дианов, Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения, Фотон-Экспресс-Наука, 6, стр.163-183, 2004)) определяют значение параметра приложенного физического поля.With the known dependence of the magnitude of the detuning of the passband of the optical sensor on the value of the parameter of the applied physical field (for example, for the Bragg fiber optic array, typical values of the detuning depending on the temperature are ~ 0.01 nm / K and on the relative fiber elongation ~ 10 3 ΔL / L (nm ) (S.A. Vasiliev, O.I. Medvedkov, I.G. Korolev, E.M. Dianov, Photoinduced fiber gratings of refractive index and their applications, Photon Express-Nauka, 6, pp. 163-183, 2004 )) determine the value of the parameter of the applied physical field.

Таким образом, по полученной в фазометре 10 информации о разности фаз между огибающей биений сигналов пары, сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем 1, и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик 4, определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика 4 и далее по зависимости обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 4 от параметра приложенного физического поля в контроллере 9 определяют параметр измеряемого физического поля.Thus, from the phasemeter 10 information obtained on the phase difference between the beat envelope of the pair signals generated by the two-frequency laser emitter 1 and the beat envelope of the pair signals transmitted through the optical sensor 4, the generalized detuning of the passband of the optical sensor 4 is determined and then the dependence of the generalized detuning the passband of the optical sensor 4 from the parameter of the applied physical field in the controller 9 determines the parameter of the measured physical field.

Устройство может быть реализовано с использованием различных типов оптических датчиков 4, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и характера приложенного физического поля. Это могут быть волоконная решетка Брэгга, интерферометр Фабри-Перо, тонкопленочный фильтр.The device can be implemented using various types of optical sensors 4, the specific form of which is determined depending on the tasks to be solved and the nature of the applied physical field. It can be a Bragg fiber grating, a Fabry-Perot interferometer, or a thin-film filter.

Поскольку существенным для устройства является измерение фазовых соотношений, выравнивание фазовых задержек при распространении пар сигналов по волоконно-оптическим кабелям 3, 5, 8 может быть достигнуто использованием в устройстве третьего волоконно-оптического кабеля 8 с длиной, равной сумме длин первого 3 и второго 5 волоконно-оптических кабелей.Since it is essential for the device to measure phase relations, equalization of phase delays during the propagation of signal pairs through fiber optic cables 3, 5, 8 can be achieved by using a third fiber optic cable 8 in the device with a length equal to the sum of the lengths of the first 3 and second 5 fiber optical cables.

Устройство для измерения параметров физических полей может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1300 нм:A device for measuring the parameters of physical fields can be implemented on the following elements, designed to operate at a wavelength of 1300 nm:

- двухчастотный лазерный излучатель 1 - лазерный диод IDL10S-1300 НИИ «Полюс»;- two-frequency laser emitter 1 - laser diode IDL10S-1300 Research Institute "Polyus";

- оптический разветвитель 2 - оптический разветвитель ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ 1×2 фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;- optical splitter 2 - optical splitter TELECOM-TEST 1 × 2 manufactured by LLC Production and Trade Company SOKOL;

- волоконно-оптические кабели 3, 5, 8 - эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;- fiber-optic cables 3, 5, 8 - reference cords or cables TELECOM-TEST of the company "Production and Trade Company SOKOL";

- оптический датчик 4 - волоконная решетка Брэгга, интерферометр Фабри-Перо, тонкопленочные фильтры ООО ИП «НЦВО-Фотоника»;- optical sensor 4 - Bragg fiber grating, Fabry-Perot interferometer, thin-film filters of IP NTsVO-Photonika LLC;

- фотоприемник 6, 7 - высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;- photodetector 6, 7 - high-speed fiber-optic InGaAs / InP microwave broadband PIN photodetectors (receiving modules) of NPF DiLaz, for example, DFDMSh-40-16;

- контроллер 9 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;- controller 9 - microprocessor controller based on chips from Atmel, Microchip, etc .;

- фазометр 10 - микроволновый фазометр в интегральном исполнении фирмы Booton, компании Вектор.- phase meter 10 - microwave phase meter in the integrated performance of Booton, Vector.

Для построения устройства для измерения параметров физических полей все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.To build a device for measuring the parameters of physical fields, all of these blocks of generation, reception and processing of signals can be performed on a single chip or in an integral design.

По сравнению с существующими устройствами для измерения параметров физических полей с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении, у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной характеристики в зависимости от параметров приложенных физических полей, предложенное устройство с двухчастотным зондированием оптического датчика и измерением параметра физического поля по разности фаз между огибающей биений опорной пары сигналов и огибающей биений измерительной пары сигналов не требует:Compared with existing devices for measuring the parameters of physical fields using optical sensors, including sensors in integrated and fiber-optic versions, in which there is a dependence of the frequency offset of their spectral characteristics depending on the parameters of the applied physical fields, the proposed device with dual-frequency sounding of an optical sensor and measuring the parameter of the physical field by the phase difference between the envelope of the beats of the reference pair of signals and the envelope of the beats of the measuring pa s signal does not require:

во-первых, применения сложных дорогостоящих оптических систем определения спектрального смещения или выделения отдельных спектральных компонент для их дальнейшего сравнения, что значительно снижает стоимость устройств;firstly, the use of complex expensive optical systems for determining the spectral bias or the allocation of individual spectral components for their further comparison, which significantly reduces the cost of the devices;

во-вторых, применения для анализа оптических сигналов избирательных элементов, которые обладают собственной зависимостью от изменений измеряемых физических полей;secondly, applications for the analysis of optical signals of selective elements, which have their own dependence on changes in the measured physical fields;

в-третьих, использования амплитудного анализа измеряемых величин, который подвержен значительному влиянию шумов и помех различной природы.thirdly, the use of amplitude analysis of measured values, which is subject to a significant influence of noise and interference of various nature.

Испытания опытного устройства измерения параметров физических полей были проведены на оптических датчиках, выполненных на волоконных решетках Брэгга, изготовленных в НЦВО ИОФ РАН (Москва), откалиброваны на оптических анализаторах спектра ANDO там же, калибровка подтверждена на оптических анализаторах спектра ANDO в лаборатории Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (Самара), и показали, что использование способ двухчастотного зондирования оптического датчика с измерением параметра по разности фаз огибающих биений опорного и измерительного сигналов, позволило достичь погрешности измерения температуры 0,01°С в диапазоне ±60°С. При этом погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения температуры.Tests of the experimental device for measuring the parameters of physical fields were carried out on optical sensors made on Bragg fiber gratings made at the National Center for Optical Physics, IOF RAS (Moscow), calibrated on optical ANDO spectrum analyzers in the same place, calibration was confirmed on ANDO optical spectrum analyzers in the laboratory of the Volga State University of Telecommunications and computer science (Samara), and showed that the use of the method of two-frequency sounding of an optical sensor with the measurement of the parameter by the phase difference of the envelope The beating of the reference and measuring signals made it possible to achieve an error in measuring the temperature of 0.01 ° C in the range of ± 60 ° C. In this case, the measurement error was determined mainly by the error of the ADC of the temperature determination controller.

Все это позволяет говорить о решении поставленной технической задачи - удешевлении, упрощении и повышении точности устройств измерения параметров физических полей.All this allows us to talk about solving the technical problem posed - cheaper, easier and more accurate devices for measuring the parameters of physical fields.

Claims (5)

1. Устройство для измерения параметров физических полей, содержащее последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, а также контроллер определения параметра физического поля, отличающееся тем, что в него введен фазометр, при этом выходы первого и второго фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазометра, а выход последнего к входу контроллера определения параметра физического поля.1. A device for measuring the parameters of physical fields, containing a series-connected two-frequency laser emitter, an optical splitter, a first fiber optic cable, an optical sensor, a second fiber optic cable and a first photodetector, a second photodetector connected through a third fiber optic cable with a second output an optical splitter, as well as a controller for determining a parameter of a physical field, characterized in that a phase meter is inserted into it, while the outputs of the first and second photodetectors kov are connected respectively to the first and second inputs of the phase meter, and the output of the latter to the input of the controller determines the parameter of the physical field. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга.2. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a Bragg fiber grating. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо.3. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a Fabry-Perot interferometer. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе тонкопленочного фильтра.4. The device according to claim 1, characterized in that the optical sensor is based on a thin-film filter. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина третьего волоконно-оптический кабеля равна сумме длин первого и второго волоконно-оптических кабелей.
Figure 00000001
5. The device according to claim 1, characterized in that the length of the third fiber optic cable is equal to the sum of the lengths of the first and second fiber optic cables.
Figure 00000001
RU2009137812/22U 2009-10-12 2009-10-12 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS RU92180U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009137812/22U RU92180U1 (en) 2009-10-12 2009-10-12 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009137812/22U RU92180U1 (en) 2009-10-12 2009-10-12 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU92180U1 true RU92180U1 (en) 2010-03-10

Family

ID=42135791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009137812/22U RU92180U1 (en) 2009-10-12 2009-10-12 DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU92180U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2491511C2 (en) * 2009-10-26 2013-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) Method to measure parameters of physical fields
RU2495380C2 (en) * 2010-09-22 2013-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) Measuring method of parameters of physical fields
RU2512616C2 (en) * 2012-06-14 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2491511C2 (en) * 2009-10-26 2013-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) Method to measure parameters of physical fields
RU2495380C2 (en) * 2010-09-22 2013-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) Measuring method of parameters of physical fields
RU2512616C2 (en) * 2012-06-14 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU102256U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
CN100401030C (en) Scanning wavelength apparatus
CA2288746C (en) Distributed sensing system
CN104864911B (en) High-speed demodulating apparatus and method based on Fabry-perot optical fiber chamber and the double parameter combined measurements of fiber grating
Huang et al. Demodulation of fiber Bragg grating sensor using cross-correlation algorithm
JP2002305340A (en) Wavelength correction apparatus and method for sweeping laser
US7109471B2 (en) Optical wavelength determination using multiple measurable features
KR20010074858A (en) Method and apparatus for optical performance monitoring in wavelength division multiplexed fiber optical systems
CN109342022B (en) Tunable laser wavelength dynamic calibration device and method
CN106940220B (en) A kind of laser wavelength real-time measurement device of Simple low-cost
WO2016183321A1 (en) Fiber optic sensor and methods for highly-sensitive detection of strain in large frequency range
JP5168700B2 (en) Wavelength detection type optical fiber sensor system
RU2512616C2 (en) Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method
RU92180U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
RU2608394C1 (en) Device for measuring parameters of physical fields
RU161644U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
CN112697274A (en) Single-capture spectrum measurement method and device
RU2495380C2 (en) Measuring method of parameters of physical fields
US20220247498A1 (en) Multi-point self-calibration for broadband optical sensor interrogator
RU2491511C2 (en) Method to measure parameters of physical fields
US20150362386A1 (en) Fiber optic sensor system and method
CN111257283B (en) Refractive index sensing measurement device and method
RU122174U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
CN114383527A (en) Multi-channel grating demodulation device and method for frequency multiplexing and demultiplexing
CN108204827A (en) A kind of phase-shifted fiber grating demodulating system

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20111013