SE463385B - Saett att utnyttja en optisk fiber som sensor - Google Patents

Description

42-'- CC) (FI N genom att uppfinningen får den utformning som framgår av det efter- följande patentkravet 1.

Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas under hänvis- ning till bifogade ritningar där fig 1 visar en laser, en fiber, i vilken strålningen utbreder sig i flera moder och utseendet på interferensmönstret efter fibern, fig 2 visar en interferensdetektor enligt uppfinningen, fig 3 fig 4 fig 5 fig 6 fig 7 visar ett första sensorsystem enligt uppfinningen, visar ett andra sensorsystem enligt uppfinningen, visar ett tredje sensorsystem enligt uppfinningen, visar två varianter på sensorkopplingen i fig 5 och visar ett fjärde sensorsystem enligt uppfinningen.

Det föreslagna sensorsystemet bygger på detektion av förändringar i fastillståndet hos det ljus som transmitteras i en optisk fiber. Detta är en känsligare metod för mätning av mekanisk påverkan på optofibern än övervakning av förändringar i ljusets effekt eller intensitet. En mekanisk påverkan av optofibern kan översättas till att tjäna som en mätstorhet för t ex akustiska vågor eller magnetfält. Det är av stor vikt att sensorsystemet inte är känsligt för yttre påverkan av omgiv- ningens parametrar vilka kan ge upphov till ökad brusnivâ hos den mät- storhet som är av intresse. För lösningar som berör multiplexering av flera fiberoptiska sensorer är detta av speciell vikt. Lösningen enligt uppfinningen bygger på en princip som bl a innebär att omgiv- ningens förändringar i optofibern filtreras bort och att endast signifikanta förändringar orsakade av mätstorheten presenteras av sensorn eller sensorsystemet. Principen beskrivs enligt följande.

I en singelmodfiber förekommer det endast en utbredningsmod för ljus som har en våglängd som ligger över fiberns "cutoff" våglängd eller gränsvåglängd. Ljus med lägre våglängd som transmitteras i singelmod- fibern kommer att utbredas i flera utbredningsmoder. Singelmodfibern kommer då att uppträda som en så kallad multimodfiber. 463 385 I en multimodfiber förekommer det en mängd utbredningsriktningar be- roende på den infallsvinkel till fibern som de infallande "ljusstrå- larna" har. Dessa utbrednir .riktningar kallas moder. Om koherent ljus, såsom i figur 1, från en laser 1 transporteras i fibern 2 och det utfallande ljuset får belysa t ex ett vitt papper, kommer ett interferensmönster 3 att framträda på papperet. Detta mönster kallas vanligen speckelmönster. Mönstret orsakas av att multimodfiberns olika utbredningsmoder samverkar på ett konstruktivt eller destruktivt sätt.

Detta interferensmönster är extremt känsligt för yttre påkänningar på fibern eftersom modernas inbördes fasförhållande förändras vid pâkän- ningen, vilket i sin tur orsakar en rörelse av interferensmönstret. Om denna rörelse kan detekteras erhålles en mycket noggrant sätt att upp- täcka påverkan på fibern. Koherenslängden hos ljuset mäste vara längre än vägskillnaden hos de högsta respektive lägsta moderna.

En metod att detektera detta mönster är att placera en fotodiod på ett bestämt ställe t ex ett intensitetsmaximum och iaktta intensitets- variationerna. Nackdelen med detta är att mönstret fädar på grund av den slumpvisa fasskillnaden mellan utfallande moder, vilka inte faller ut likformigt i tiden. Nedan anges en metod att lösa problemet.

Fasförhållandena kan förändras p g a förändringar i ljuskällans spekt- rala karakteristik orsakad av t ex modulation av laserdioden, av tem- peraturvariationer hos ljuskällan, av temperaturvariationer längs op- tofibern och av slumpmässig fördelning av utbredningsmoderna i optofi- bern, t ex orsakad av konkatineringspunkter. Sådana oönskade fasför- ändringar pâverkar strålningen i alla polarisationsriktningar likfor- migt, vilket inte är fallet för de fasförändringar som beror på den yttre pâverkningen i sensorområdena.

Det utfallande ljuset från fiberänden delas därför av en stråldelare 4 upp i tvâ strâlknippen, se figur 2. Vardera strâlknippet omfattar hela det interferensmönster som bildas vid överföringen i fibern. Man kan lämpligen välja en uppdelning i två väsentligen lika starka strål- knippen även om detta inte är nödvändigt. De tvâ strâlknippena plan- polariseras sedan i skilda riktningar av två polarisatorer 5 och 6.

Man kan lämpligen välja två mot varandra väsentligen vinkelräta rikt- ningar, även om detta inte är nödvändigt. I en lämplig utföringsform 85 av uppfinningen detekteras sedan de två utfallande strålknippena av detektorer 7 och 8 oberoende av varandra och skillnaden i amplitud jämförs i en differentialförstärkare 9. Den utgående signalen från differentialförstärkaren 9 är ett mått på den yttre påverkningen.

I stället för att bilda en skillnadssignal kan man i en annan typ av signalbehandlande anordning 9° bilda andra typer av signaler som utgör ett mått på den storhet man vill mäta. Sålunda kan man detektera skillnader i kvoten mellan de två signalerna eller förändringar i frekvensfördelningen mellan dem.

Man kan använda flera sensorer, 12 resp. 12 och 13, enligt uppfinning- en i ett sensorsystem. Man sänder då strålningen i korta pulser genom en distributionskabel 10 i form av en optisk fiber. Längs distribu- tionskabeln fördelar man sensorerna. Strâlningspulserna kopplas från distributionskabeln till sensorerna med hjälp av första optiska kopp- lare, som kopplar en viss del av laserpulsernas effekt till sensorn och låter resten gå vidare till andra sensorer. Med hjälp av andra optiska kopplare kopplas strâlningspulserna från sensorerna till en eller flera återledningskablar ll i form av optiska fibrer, i vilka strâlningspulserna från olika sensorer tidsmultiplexeras. Från åter- ledningskabeln eller -kablarna leds strålningen till en signalbehand- lande anordning 9,9° som detekterar vardera strålknippets amplitud och/eller frekvensmässiga innehåll, och av detta bildar en signal som är ett mått på deras amplitudmässiga och/eller frekvensmässiga förhål- lande, vilket i sin tur är ett mått på den yttre påverkningen i sen- soromrâdet. Resultatet presenteras i en presentationsanordning.

Om man kan förvissa sig om att all påverkan på kabeln endast sker i speciella sensorområden och resten av den optiska fibern, i såväl distributions- som återledningskablar, är helt ostörd, vilket är mycket svårt med tanke på den faskänsliga detektionens oerhörda käns- lighet, så kan man klara sig med enbart ett sensorområde 12 i senso- rerna. I praktiken är detta inte lätt och framför allt vill man inte i den utsträckning som krävs för lyckade resultat vara tvungen att skyd- da distributions- och återledningskablarna mot yttre påverkan. Man låter därför ofta varje sensor bestå av såväl ett sensorområde 12 i form av en sensorfiber som en väl skyddad referensfiber 13. Genom att 5 465 385 utföra sensorn så kan man ta ut en referenssignal vid tiden och plats- en för signalen från sensorområdet och genom jämförelse med den filt- rera fram förändringar just i sensorfibern.

I en första variant av uppfinningen kan sensorn med sensorfiber 12 och referensfiber 13 vara utförd som en fiberoptisk ring, i vilken strål- ningspulser leds runt. Strâlningen leds först genom referenshalvan 13, varefter en del av strålningen leds till detektoranordningen. Resten går runt i ringen och passerar sensorfibern 12 och därpå referensfi- bern 13, varefter ânyo en del av strâlnignen leds till detektoranord- ningen osv med allt lägre signalamplitud. Den första signalen blir på detta sätt en ren referenssignal.

Man kan tänka sig åtminstone tvâ sätt att koppla upp systemet på. I det första systemet enligt figur 3 placerar man en interferensdetektor 14 efter varje sensor. Strålningen från detektoranordningen 14 i de två olika polarisationsriktningarna leds sedan till en gemensam sig- nalbehandlande anordning 9,90 i separata optiska fibrer 11. Slutligen sker en demultiplexering i en demultiplexor 15 för att särskilja strålning från de olika sensorerna.

Det andra systemet enligt figur 4 är i huvudsak likartat det första men på mottagningssidan är det en viss skillnad. Således leds all den strålning som leds från varje sensor 12,13 tidsmultiplexerat vid flera sensorer, på en och samma optiska fiber ll till en gemensam interfe- rensdetektor 14, som följs av en signalbehandlande anordning 9,9° och en demultiplexor 15 på samma sätt som i det första systemet.

I stället för att använda en sensoring enligt ovan kan man i andra varianter av uppfinningen tänkas använda tvâ separata parallellkopp- lade närbelägna optiska fibrer, där den ena är en referensfiber 13 och den andra en sensorfiber 12. Detta visas i figur 5. Eftersom signalen inte går runt i sensorn här får man i detta fallet endast en referens- signal och en sensorsignal. I allt övrigt kan systemet byggas upp exakt som i de två tidigare nämnda fallen. I praktiken är det för övrigt så att man även i fallet med sensorringen endast betraktar en referenssignal och en sensorsignal. 46 CA! CO G1 om I figur 6 visas varianter av sensorkoppïingen i figur 5, som i princip ger samma situation som i denna figur. Vissa systemmässiga förde1ar kan emeiïertid uppstå med denna metod.

I vissa tiïiämpningar, främst med sensorfiber 12 och referensfiber 13 para11e11kopp1ade eniigt ovan, kan man bïi tvungen att införa en vä1- definierad fördröjning i form av en transmissionssträcka av en bestämd ïängd för att anpassa tidsförhå11andet melian referenssignai och sen- sorsignai från en sensor.

Det finns möjiighet att bygga upp ett system där interferens me11an oiika moder endast är ïokaiiserad tiiï sensorerna. Om man nämiigen som distributions- och âteriedningsfibrer 10,11 använder singeimodfibrer med en “cut off" vågiängd under den aktue11a strâïningens vâgiängd i systemet, så att sträïningen transmitteras enbart i en mod i fibern, sker ingen interferens me11an olika moder här. Sedan använder man för sensoravsnitten med tiïïhörande ansiutningar antingen en muitimod- fiber e11er en singeïmodfiber med så hög "cut off" vågiängd att strål- ningen i systemet har en vågïängd under denna "cut off" vâgïängd, så att stråïningen transmitteras i fiera moder. Denna iösning är kanske mest ti11 sin fördei i systemet eniigt figur 3.

I figur 7 visas hur ett sådant system kan se ut med singeïmodfibrer drivna i singelmod i distributions- och återïedningsfibrerna 10,11 och en fiber driven i multimod som sensorfiber 12.

Claims (10)

463 Patentkrav:

1. Sätt att utnyttja en optisk fiber som sensor k ä n n e t e c k - n a t a v att man utformar en optisk fiber med ett sensorområde (12) där den yttre påverkan på fibern som ska11 mätas, exempelvis tryck eiler magnetiskt fäit, fritt kan påverka fibern, att man sänder koherent stråining genom sensorområdet i fiera moder, att man på mottagningssídan i en detektoranordning (14) deiar stråiningen i två strâiknippen, vardera omfattande heia det interferensmönster som biidas vid överföringen i fibern, att man pianpoiariserar stråiknip- pena i tvâ skiida riktningar, viika ïeds tiii en signaibehandiande anordning (9,9°) som detekterar vardera stråiknippets ampiitud och/ e11er frekvensmässiga innehå11, och av detta bildar en signai som är ett mått pâ deras ampiitudmässiga och/eiier frekvensmässiga förhâiian- de, viiket i sin tur är ett mått på den yttre pâverkningen i sensor- området (12).

2. Sätt eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t a v att man deïar strâiningen i tvâ väsentiigen iika intensitetsstarka strâiknippen.

3. Sätt eniigt patentkravet 1 e11er 2, k ä n.n e t e c k n a t a v att man pianpoïariserar stråiknippena i två mot varandra väsentïigen vinkeïräta riktningar.

4. Sätt eniigt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t a v att man sänder stråiningen i korta puiser iängs en distributions- kabei (10) i form av en optisk fiber och koppiar den med hjäip av första optiska koppiare utefter distributionskabein ti11 ett antai sensorer (l2,13), vardera innefattande ett sensoromrâde (12), att man koppiar strâiningen från sensorerna med hjäip av andra optiska kopp- iare tiii en e11er fiera återïedningskabiar (ll) i form av optiska fibrer, i viika stråiningspuïserna från oiika sensorer tidsmuiti- piexeras.

5. Sätt eniigt något av de tidigare patentkraven k ä n n e t e c k - (N 'FO (F. oo n a t a v att man utför varje sensor som två närbeïägna avsnitt optisk fiber, där den ena är en referensfiber (13) och den andra en sensorfiber (12).

6. Sätt enïigt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t a v att varje sensor utförs som en fiberoptisk ring, i viiken strâïning 1eds runt, varvid ringen har en referensha1va (13), ti11 vi1ken strâïningen först 1eds, och en sensorhaiva (12), att strâïningen ieds ti11 detek- toranordningen (14) efter referenshaïvan (13), viïket medför att den första signaïen ti11 detektoranordningen är en ren referenssignai, v* varpå föïjer signaler som passerat sensorfibern (12) och referens- fibern (13) ett succesivt ökande antaï gånger.

7. Sätt enïigt patentkravet 5 k ä n n e t e c k n a t a v att varje sensor (l2,13) utförs som tvâ separata paraïïeïïkoppïade optiska fibmr.

8. Sätt enïigt något av patentkraven 4-7, k ä n n e t e c k n a t a v att en detektoranordning (14) pïaceras efter varje sensor (l2,13), från vi1ka anordningar stråïningen i de två poïarisations- riktningarna 1eds i var sin optisk fiber (ll) tili en gemensam signaï- behandiande anordning (9,9°) och därpå, i ett system med f1era senso- rer, ti11 en demuïtipïexor (15).

9. Sätt enïigt något av patentkraven 4-7, k ä n n e t e c k n a t a v att strâïningen från sensorerna (l2,13) 1eds i en optisk fiber (11) ti11 en gemensam detektoranordning (14) och en signaïbehandïande anordning (9,9°) och därpå, i ett system med flera sensorer, ti11 en demuïtiplexor (15).

10. Sätt enïigt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e - Ä t e c k n a t a v att man väïjer endast de fiberavsnitt som ingår i en sensor (l2,13) sådana att strålningen transmitteras i f1era moder, under det att övriga fiberavsnitt (l0,1l) vä1js så att strâiningen transmitteras i endast en mod.