СИСТЕМА ДАТЧИКОВ ПОПЕРЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ РЕШЕТОК Российский патент 2003 года по МПК G01D5/38 

В настоящее время существует потребность в точной и реагирующей на условия окружающей среды системе датчиков для измерения поперечной деформации и градиентов поперечной деформации. Существует также потребность в датчиках давления, которые основаны на измерениях поперечной деформации и которые практически не зависят от температуры и/или могут быть выполнены с компенсацией температуры. Эта система датчиков поперечной деформации может быть использована для определения местоположения, идентификации и измерения поперечной деформации элементов самолетов или космических аппаратов. Для выполнения своей задачи эти конструкции должны обеспечивать непрерывную индикацию своего состояния в реальном масштабе времени, включая индикацию нагрузки поперечной деформации.

Волоконные датчики давления с дифракционными решетками, предназначенные для измерения поперечной деформации, слабо зависящие от температуры или с температурной компенсацией, можно использовать для измерения давления в резервуарах с жидким кислородом и водородом, а также в других опасных зонах. Эти датчики могут быть использованы в различных конструкциях для измерения поперечной деформации всей конструкции моста, здания или скоростной автомобильной дороги, а также поперечного распределения усилий, возникающих в потолках шахт. Эти датчики можно также использовать для поддержки систем идентификации повреждения конструкции в жилых и промышленных зданиях после стихийного бедствия, такого как землетрясение или ураган. Датчики давления можно использовать в промышленности для управления процессом производства продовольственных и химических продуктов.

Эти датчики могут использоваться для контроля параметров окружающей среды, для наращивания производства, выполнения неразрушающей оценки и систем контроля здоровья и повышения уровня систем управления. Они должны осуществлять непрерывный контроль параметров в реальном масштабе времени. Они должны эксплуатироваться максимально долго при минимальном потреблении мощности. Датчики, используемые для поддержки конструкций, должны точно измерять малые изменения сигналов окружающей среды и при этом работать в широком динамическом диапазоне.

Волоконно-оптические дифракционные решетки были предложены для волоконно-оптических датчиков. Волоконные дифракционные решетки изготавливают посредством легирования сердцевины оптического волокна с помощью вещества, такого как германий. Известно, что при облучении световым пучком сердцевины оптического волокна, изготовленного из кремния с соответствующими присадками, происходит изменение его коэффициента преломления. При использовании фазовых масок или интерферирующих лазерных лучей можно добиться многократных изменений показателей преломления вдоль сердцевины волокна, создавая при этом структуру с внутренней дифракционной решеткой. За счет регулировки периода во время формирования дифракционной решетки, в волокне изменяются спектральные характеристики пропускания и отражения.

В случае, когда дифракционная решетка, сформированная в волокне, подвергается воздействию окружающей среды, такому как деформация, температура, давление или вибрация, изменяется длина оптического волокна и, следовательно, период дифракционной решетки волокна. Например, в работе: У.У.Морей. Датчики на основе распределенной волоконной дифракционной решетки. Труды Седьмой конференции по оптическим волоконным датчикам, с.285-288, Сидней, Австралия, декабрь 1990 - указано, что типичные изменения температуры составляют 0,0043 нм/^oС на 833 нм для волокна фирмы Andrew PM и 0,0074 нм/^oС для волокна фирмы" Corning FlexCore" на 824 нм. При деформации волокна изменяется также длина волокна. Изменения бреггеровских длин волн были измерены Мореем, который получил в результате сдвиг 5,2•10^-4 нм при микродеформации на 820 нм.

Во многих случаях необходимо измерять температуру и деформацию одновременно. Е. Уд и Т.Е.Кларк в патенте США 5380995 / Системы волоконно-оптических датчиков на основе дифракционной решетки для регистрации воздействий окружающей среды - описывают, как с помощью двух волоконных дифракционных решеток с покрытием на различных длинах волн, например 1,3 и 1,5 микрон, можно измерять два параметра окружающей среды, такие как деформация и температура, в одной точке. Недавно в работе: М.Д.Ксу, X. Джейгер и Д.П.Дакин. Датчики на основе ступенчато-непрерывной и с общей точкой волоконной дифракционной решетки: практический датчик для контроля конструкции. Труды SPIE, т. 2294, с.69-80, 1994 - раскрыто одновременное измерение деформации и температуры с использованием длин волн 1,3 и 0,85 микрон и волоконной дифракционной решетки с покрытием для точечных измерений.

Чтобы выполнить полные измерения деформации, возникающей внутри конструкции, часто требуется измерять все три составляющие деформации. В работе: P. M. Межериз, Д.Ног, Р.Д.Тернер, Т.Валис и М.Д.Джилиберто. Интегральная волоконно-оптическая розетка для измерения деформации. Труды SPIE, т. 986, с. 32-42, 1988 - раскрыта волоконно-оптическая розетка для измерения деформации, состоящей из трех отдельных волоконных датчиков. Так как эти волоконные датчики расположены отдельно и так как средство компенсации флуктуации температуры не использовались, эти розетки имели очень ограниченное применение. В заявке на патент США 08/438025 / Мультипараметорная волоконно-оптическая система с дифракционными решетками - описывается волоконный датчик с дифракционными решетками, основанный на волоконных дифракционных решетках с двойным покрытием, записанных в двулучепреломляющем волокне, который позволяет измерять по трем координатам деформацию и температуру, включая поперечную деформацию. Однако существует постоянная потребность в улучшении и совершенствовании способности измерения поперечной деформации, а также опорного измерения градиентов деформации и давления.

Краткое описание существа изобретения
В настоящем изобретении волоконная дифракционная решетка записывается на одномодовом оптическом волокне для получения датчика поперечной деформации. Когда волокно является обычным одномодовым волокном, поперечная деформация, прикладываемая к волокну, приводит к расщеплению спектрального профиля дифракционной решетки на два максимума. Измерение спектрального разделения между этими двумя максимумами можно выполнить для того, чтобы показать величину поперечной нагрузки волокна. Этот подход полезен в случае, когда ориентация волоконного датчика с поперечной дифракционной решеткой не известна относительно направления прикладываемой нагрузки. Например, это может происходить в случае, когда волоконные датчики с поперечной дифракционной решеткой помещаются в усиливающие брусья, используемые для укрепления и выполнения измерения на потолке шахтного ствола.

Однако для маленьких поперечных нагрузок спектральные максимумы расположены очень близко друг к другу, что затрудняет точное измерение с выделением двух максимумов. С помощью записи волоконной дифракционной решетки на двулучепреломляющее оптическое волокно, такое как волокна, сохраняющие поляризацию, с эллиптическими сердцевинами, или оболочки, в которых наводится двулучепреломление под действием напряжения, становится возможным полное разделение между спектральными максимумами и можно провести точные измерения для очень маленьких изменений поперечной нагрузки.

Для несимметричной оболочки волокна, например, которая включает эллиптические оболочки или боковые воздушные отверстия, изменения давления вызывают изменения поперечной деформации. Когда волоконная дифракционная решетка записывается в сердцевину волокна, ее можно использовать для формирования волоконного датчика давления. Поскольку спектральное разделение между двумя максимумами, которые наводятся напряжениями, мало, изменение при выделении двух максимумов из-за температуры является малой величиной. Однако полный спектральный сдвиг максимумов будет реагировать на деформацию и температуру так же, как и в обычной волоконной дифракционной решетке, и можно проводить измерение с использованием волоконных дифракционных решеток с двойным покрытием, как описано у Удда и Кларка.

Настоящую систему можно использовать для проведения многочисленных измерений деформации или давления с помощью использования многочисленных волоконных дифракционных решеток, работающих на различных длинах волн, и или с помощью использования методов мультиплексирования с разделением по времени.

Задачей изобретения является создание системы датчиков, состоящих из волоконной дифракционной решетки, записанной в обычном одномодовом волокне, для измерения поперечной деформации, не зависящей от направления нагрузки.

Другая задача изобретения заключается в создании системы датчика окружающей среды, которая позволяет измерять амплитуду и положение сигнала окружающей среды, изменяющегося во времени.

Еще одной задачей изобретения является создание датчика поперечной деформации, который позволяет измерять очень маленькие изменения поперечной деформации.

Другой задачей изобретения является измерение давления.

Другой задачей изобретения является измерение градиентов поперечной деформации.

Другой задачей изобретения является измерение градиентов поперечной деформации и идентификация их ориентации относительно осей оптического волокна.

Другой задачей изобретения является создание системы, которая может измерять поперечную нагрузку в шахтных стволах.

Другой задачей изобретения является создание многоточечных датчиков давления и температуры для управления различными процессами.

Другой задачей изобретения является измерение поперечной деформации и давления/температуры по длине одного оптического волокна.

Другой задачей изобретения является получение информации о целостности конструкции плотин, чтобы подавать сигнал тревоги пользователю для принятия им при необходимости соответствующих действий.

Краткое описание чертежей
Эти и другие задачи и преимущества настоящего изобретения описаны ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схему волоконной дифракционной решетки, которая записана в круглом симметричном одномодовом оптическом волокне, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает основную систему демодуляции волоконной дифракционной решетки для работы в режиме отражения согласно изобретению;
фиг. 3А изображает профиль отраженного спектра волоконной дифракционной решетки, записанной в круглом симметричном оптическом волокне без поперечной нагрузки;
фиг. 3В изображает профиль отраженного спектра волоконной дифракционной решетки, записанной в круглом симметричном оптическом волокне с поперечной нагрузкой, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает уплотненные волоконные дифракционные решетки в оптическом волокне, которые сформированы в стержне, который является элементом с поперечной нагрузкой, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает двулучепреломляющее оптическое волокно, которое может быть волокном, сохраняющим поляризацию с помощью волоконных дифракционных решеток, записанных в его сердцевине, согласно изобретению;
фиг. 6 изображает двулучепреломляющее оптическое волокно, которое может быть волокном, сохраняющим поляризацию с помощью волоконных дифракционных решеток с двойным покрытием, записанных в его сердцевине, согласно изобретению;
фиг. 7А и 7В изображает спектр, отраженный от волоконных дифракционных решеток с двойным покрытием на длинах волн 1300 и 1550 нм, соответственно, записанных в двулучепреломляющем волокне, сохраняющим 3-мерную поляризацию, согласно изобретению;
фиг. 8А, 8B, 8С, 8D, 8Е, 8F и 8G изображают поперечные сечения различных типов двулучепреломляющего волокна, сохраняющего поляризацию, согласно изобретению;
фиг. 9 изображает датчик давления на основе волоконной дифракционной решетки, основанный на записи волоконной дифракционной решетки в оптическом волокне с воздушными боковыми отверстиями, согласно изобретению;
фиг. 10 изображает датчик давления на основе волоконной дифракционной решетки, который подсоединен между двумя длинами оптического волокна с запайкой воздушных отверстий, согласно изобретению;
фиг. 11 изображает ряды датчиков давления на основе уплотненной волоконной дифракционной решетки, расположенные на одной линии волокна, согласно изобретению;
фиг.12 изображает систему, которая поддерживает демодуляцию датчиков давления на основе уплотненной волоконной дифракционной решетки, согласно изобретению;
фиг. 13 изображает датчик давления на основе волоконных дифракционных решеток с двойным покрытием волоконных дифракционных решеток, которые записываются в волокно с боковым отверстием, согласно изобретению;
фиг. 14 изображает схему датчиков на основе волоконной дифракционной решетки, которые состоят из сечения двулучепреломляющего волокна, которое может быть волокном с боковым отверстием и с волоконной дифракционной решеткой, записанной в нем, и второй волоконной дифракционной решеткой, записанной на другом участке оптического волокна для измерения давления и температуры, согласно изобретению;
фиг. 15 изображает схему двулучепреломляющего волокна, в котором записывают волоконную дифракционную решетку и к которому прикладывают градиенты поперечной деформации, согласно изобретению;
фиг. 16 изображает схему, иллюстрирующую отраженный спектр из волокна, сохраняющего поляризацию, с волоконной дифракционной решеткой, записанную в нем, которое было встроено в цилиндр из чистой эпоксидной смолы и подвергалось нагрузке в 136 кг, прикладываемой через плоские пластины, согласно изобретению;
фиг. 17 изображает схему, иллюстрирующую отраженный спектр от волокна, сохраняющего поляризацию, с волоконной дифракционной решеткой, записанной в нем, которое было вложено в цилиндр из чистой эпоксидной смолы и подвергалось нагрузке в 181 кг, прикладываемой через плоские пластины, согласно изобретению;
фиг. 18 изображает схему, иллюстрирующую отраженный спектр от волокна, сохраняющего поляризацию с волоконной дифракционной решеткой, записанной в нем, которое было вложено в цилиндр из чистой эпоксидной смолы и подвергалось нагрузке в 204 кг, прикладываемой через плоские пластины, согласно изобретению;
фиг. 19 изображает схему, иллюстрирующую испытательный набор для измерения спектральных максимумов волоконной дифракционной решетки при передаче, согласно изобретению;
фиг.20 изображает спектральные кривые волоконной дифракционной решетки с двойным покрытием, записанной на длинах волн 1300 и 1550 нм в волокне, поддерживающем двулучепреломляющую поляризацию, согласно изобретению;
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг.1 изображено круглое симметричное по длине одномодовое оптическое волокно 22. Волоконная дифракционная решетка 26 записывается в сердцевине 24 оптического волокна. Когда волоконная дифракционная решетка 26 прикрепляется к системе 30 демодуляции волоконной дифракционной решетки (фиг.2), изменения периода волоконной дифракционной решетки, возникающие из-за изменений окружающей среды, таких как деформация и температура, можно определить с помощью измерения спектральных сдвигов в отраженном или преломленном световом пучке, который проходит через волоконную дифракционную решетку.

В случае системы демодуляции (фиг.2), источник 32 света, который может быть широкополосным источником света, таким как светоизлучающий диод или относительно узкополосный регулируемый источник света, используется для ввода светового пучка на торце 34 волокна. Введенный световой луч 36 затем направляется через расщепитель луча, такой как волоконный расщепитель 38 луча. Один порт волоконного расщепителя 38 луча может заканчиваться не отражающим торцом 40 или может использоваться для проведения измерений на дополнительных волоконных дифракционных решетках. Часть светового луча 36 расщепляется в выходном порту 42 расщепителя 38 луча, чтобы получить световой луч 44. Выходной порт 42 подсоединяется посредством присоединения или через соединитель 46 к волоконной дифракционной решетке 26. Часть 48 светового луча 44, который отражается с помощью волоконной дифракционной решетки 26, направляется обратно в расщепитель 38 луча, и часть его направляется в порт 50 расщепителя луча в виде светового луча 52. Этот световой луч 52 затем вводится в спектроанализатор 54, который измеряет спектральные сдвиги светового пучка 52 из-за изменений состояния волоконной дифракционной решетки 26, вызванной эффектами окружающей среды.

На фиг.3А изображен спектральный профиль отражения от волоконной дифракционной решетки 26, который определяется с помощью спектрального демодулятора 54, когда волоконная дифракционная решетка 26 не подвергается поперечному напряжению. Следует обратить внимание, что имеется одиночный максимум в профиле 100. Это соответствует случаю, когда имеется маленькое наведенное двулучепреломление. Когда поперечная деформация прикладывается к волоконной дифракционной решетке 26, отраженный профиль 100 начинает расщепляться до тех пор, пока не появится двойной профиль с небольшим прогибом посередине, такой как 102, показанный на фиг.3В. Величина поперечной деформации пропорциональна наведенному двулучепреломлению, которое, в свою очередь, определяет спектральное разделение 104 между максимумами 106 и 108.

В первом порядке разделение 104 на два максимума зависит от относительной температуры, потому что оба максимума 106 и 108 имеют приблизительно одну и ту же длину волны, и температура вызывает перемещение максимумов 106 и 108 в том же направлении с помощью почти того же спектрального сдвига. Подход использования волоконных дифракционных решеток, записанных в круглом симметричном одномодовом оптическом волокне, имеет преимущества, связанные с применением телекоммуникационного градиентного оптического волокна с низкой стоимостью и наличием поперечной чувствительности, которая не зависит от направления нагрузки. Чтобы пояснить, как это можно использовать, рассмотрим (фиг. 4) круглое симметричное оптическое волокно, содержащее ряд волоконных дифракционных решеток 154, 156, 158,..., которые размещаются близко к центру стержня 160 в процессе изготовления. Изготовление может сопровождаться таким процессом как усиление. Если стержень 160 помещается в конструкцию, несущую поперечную нагрузку, которой может быть крыша здания, шахта или туннель, то он будет подвержен изменениям поперечных нагрузок 162, 164 и 166 вдоль длины. Эти нагрузки можно затем измерить путем разделения двух максимумов отраженных спектральных профилей волоконных дифракционных решеток 154, 156 и 158.

Недостаток использования круглого симметричного одномодового оптического волокна заключается в том, что для маленьких поперечных нагрузок, разделение двух максимумов чрезвычайно трудно измерить, так как максимумы могут быть скрыты в шуме. Чтобы устранить эту проблему, волоконные дифракционные решетки можно записывать в волокне 200, сохраняющем поляризацию (фиг.5). Волокно 200, сохраняющее поляризацию, имеет две оси волокна 202 и 204 с различными эффективными показателями преломления. Когда волоконная дифракционная решетка 206 записывается в волокно 200, поперечное напряжение приводит в результате к двум отдельным спектральным максимумам, наподобие тех, которые показаны на фиг.3В, при опросе демодулятором 30. Также можно производить запись в волоконные дифракционные решетки 250 и 252 с двойной перезаписью в волокно 200, поддерживающее поляризацию, на отдельных длинах волн (фиг.6). Это приводит в результате к четырем эффективным волоконным дифракционным решеткам. Их можно использовать для измерения деформации и температуры по трем координатам.

На фиг. 7А и 7В изображены спектральный отклик отражения от волоконных дифракционных решеток с двойной перезаписью на длинах волн 1300 и 1550 нм, соответственно записанных в оптическое волокно, сохраняющее поляризацию, изготовленное фирмой 3М Company. Разделение двух максимумов на длине волны 1300 нм составляет приблизительно 0,427 нм и разделение двух максимумов на длине волны 1550 нм - приблизительно 0,488 нм. Это разделение достаточно для того, чтобы максимумы были отчетливо различимы, позволяя проводить точное измерение с необходимым разделением двух максимумов для определения поперечной деформации.

Волоконные дифракционные решетки записывались в несколько различных типов волокон, поддерживающих поляризацию, чтобы определить пригодность для регистрации поперечной деформации, включая волокна, сохраняющие поляризацию. Каждое их этих волокон имеет эллиптическое покрытие, подобное эллиптическому покрытию 298 оптического волокна 300, показанного в поперечном сечении (фиг. 8А). Здесь сердцевина 302 волокна 300 окружена структурой 298 эллиптического покрытия, образованного из стекла, которое имеет различную твердость по сравнению с покрытием из стекла 306, которое наносится в виде суспензии на него для формирования круглого симметричного оптического волокна 300.

Использовались также оптические волокна, поддерживающие поляризацию Fujikura, имеющие структуру, подобную той, которая показана на поперечных сечениях оптических волокон 320 и 322 (фиг.8В и 8С). В волокнах Фуджикура напряженные стержни 324 и 326 используются для наведения дифференциального напряжения через сердцевины 328 и 330 круглого симметричного волокна. Величиной наводимого напряжения можно управлять с помощью изменения диаметра напряженных стержней (фиг.8А и 8В) в зависимости от диаметра между напряженными стержнями 324 и 326. Ее можно также изменять с помощью изменения твердости окружающего стекла относительно твердости напряженных стержней. Волоконные дифракционные решетки были записаны успешно в волокне типа напряженного стержня, хотя ориентацию волокна к источнику света и фазовой маске, которая используется для записи волоконной дифракционной решетки, необходимо регулировать так, чтобы напряженные стержни не маскировали сердцевину волокна.

Третий тип волокна 360, показанный на фиг.8D и поставляемый фирмой Fibercore, имел волоконные дифракционные решетки, записанные на них для измерений поперечной деформации. Волокна 360 включают в себя боковые ямки 362 и 364 из мягкого стекла. Это волокно 360 имеет наведенное напряжение поперек круглой сердцевины 366, которое вызывается с помощью разницы в твердости между боковыми ямками 362 и 364 и стеклом 368, используемого там для формирования симметричного волокна 360. Все эти типы волокна демонстрировали отчетливое разделение двух максимумов, подходящее для измерений поперечной деформации, как и волокна 380, 382 и 384 с эллиптической сердцевиной и поставляемые фирмой Corning (фиг.8Е, 8F и 8G). Волокна 380, 382 и 384 изображают ряд поперечных сечений оптических волокон с эллиптическими сердевинами 390, 392 и 394.

Когда тестируемые волокна фирмы Корнинг имели эллиптическую сердцевину при круглом покрытии, можно было регулировать структуру покрытия способами, которые могли бы служить для увеличения чувствительности поперечной деформации. Волокно 380 имеет плоскую сторону 396, волокно 382 имеет напряженные стержни 398 и 400, которые ориентируются параллельно главной оси 401 эллиптической сердцевины 392, в то время как волокно 384 имеет напряженные стержни 402 и 404, которые ориентируются перпендикулярно к главной оси 406 эллиптической сердцевины 394. Также можно использовать другие геометрические формы, которые могут способствовать увеличению чувствительности в поперечном направлении.

Одним применением датчиков поперечной деформации, сформированных с помощью записи волоконных дифракционных решеток в оптических волокнах, является измерение давления. На фиг.9 изображен датчик 450 давления на основе волоконной дифракционной решетки. Он состоит из сердцевины 452 волокна, на которую производится запись волоконной дифракционной решетки 454. Внутри покрытия 456-450 содержатся двойные боковые отверстия 458 и 460, которые могут содержать воздух или другие газы и вещества. Датчик 450 может быть соединен с оптическими волокнами 470 и 472, который может быть одномодовым оптическим волокном (фиг. 10). Когда наружное давление прикладывается к датчику 450, изменяется двулучепреломление волоконного датчика 450 давления вдоль главных осей 474 и 476. Чувствительность волоконного датчика давления 450 можно регулировать с помощью изменения размера и геометрии боковых отверстий 478 и 480.

Волоконный датчик 450 давления может быть уплотнен, как показано на фиг. 11. В этом случае волоконный датчик давления 500 с волоконной дифракционной решеткой 502, сцентрированный относительно длины волны λ₁ сращивается между отрезками 504 и 506 оптического волокна. Отрезок 506 в свою очередь сращивается с волоконным датчиком 508 давления с волоконной дифракционной решеткой 510, сцентрированной относительно длины волны λ₂. Отрезок 512 оптического волокна сращивается между другим концом волоконного датчика 508 давления и волоконным датчиком 514 давления с волоконной дифракционной решеткой 516, сцентрированной относительно длины волны λ₃. Противоположный конец волоконного датчика 514 давления сращивается с отрезком 518 оптического волокна. В этом способе, большое количество датчиков давления на основе волоконных дифракционных решеток можно соединить вместе и уплотнить с использованием метода мультиплексирования с разделением по длинам волн.

Также можно использовать методы мультиплексирования с разделением по времени с использованием датчиков давления на основе волоконных дифракционных решеток, работающих на подобных длинах волн, имеющих отражательную способность волоконных дифракционных решеток менее 100% для того, чтобы избежать "затенение" датчиков давления на основе волоконных дифракционных решеток, которые находятся дальше от светового источника.

На фиг.12 изображена система 550 датчиков 552, 554 и 556 давления на основе уплотненных волоконных дифракционных решеток. Источник 558 света, который может быть широкополосным источником света, например светоизлучательный диод или настраиваемый узкополосный источник света, можно использовать для ввода светового луча 560 в торец 562 волокна. Световой луч 560 падает на расщепитель 564, где он расщепляется на световые лучи 566 и 568. Световой луч 568 выводится из системы через выводной торец 570 (как вариант световой луч 568 можно использовать для освещения другого набора волоконных датчиков давления с дифракционными решетками). Световой луч 566 вводится в волоконный датчик 552 давления с дифракционной решеткой, и часть этого светового луча 566 отражается от волоконной дифракционной решетки 572 в виде светового луча 574. Световой луч 574 возвращается обратно в расщепитель 564, и часть его направляется на торец расщепителя 576 в виде светового луча 578. Световой луч 578 затем вводится в спектральный демодулятор 580, который может представлять собой сканирующий фильтр Фабри-Перо или акустооптический регулируемый фильтр, который лежит в основе системы, и выходные лучи, представляющие разделение двух максимумов благодаря двулучепреломлению, которое наводится за счет давления, считываются в виде выходных сигналов 582. Это, в свою очередь, может интерпретироваться для считывания давления 584. Полный спектральный сдвиг профиля зависит от осевой деформации и температуры, и это будет считывание 586.

Если осевая деформация возникает из-за давления, а не из-за других типов нагрузки, дифракционной решетки на одном волокне может быть достаточно для определения деформации и температуры. В общем случае, однако, присутствие осевой нагрузки требует, чтобы также измерялась деформация, наведенная в продольном направлении. Это можно выполнить с помощью использования волоконных дифракционных решеток с двойным покрытием (фиг.13). В этом случае датчик 600 давления на основе волоконной дифракционной решетки имеет волоконную дифракционную решетку 602 на длине волны λ₁, которая перекрывается второй волоконной дифракционной решеткой 604 на длине волны λ₂. Это приводит к образованию четырех эффективных волоконных дифракционных решеток, которые можно использовать для измерения деформации и температуры по трем координатам.

Альтернативный подход изображен на фиг. 14. В этом случае датчик 650 давления на основе волоконной дифракционной решетки с волоконной дифракционной решеткой 652 на длине волны λ₁ уплотняется со вторым отрезком круглого симметричного волокна 654 с волоконной дифракционной решеткой 656 на длине волны λ₂. Волоконные дифракционные решетки 652 будут реагировать по другому на поперечную деформацию, чем волоконная дифракционная решетка 656. При конкретном давлении, которое наводит двулучепреломление, будет производиться разделение от одного спектрального максимума до другого спектрального максимума в отраженном или прошедшем сигнале через волоконную дифракционную решетку 652. Волоконная дифракционная решетка 656 будет иметь одиночный максимум с полным спектральным сдвигом, который зависит от деформации и температуры.

Сравнивая полный спектральный сдвиг (среднее значение разделения максимумов для волоконной дифракционной решетки 652) волоконных дифракционных решеток 652 и 656, можно измерить деформацию и температуру. С помощью записи волоконных дифракционных решеток 652 и 656 на различные типы отрезков 650 и 654 оптического волокна легко получить два уравнения с двумя неизвестными - деформацией и температурой, и их можно упростить с помощью дополнительной степени свободы. Однако следует отметить, что такая схема полезна в средах, где есть маленькие, если вообще есть, кратковременные флуктуации температуры и деформации, так как дифракционные решетки 652 и 654 расположены отдельно.

Следует отметить, что хотя использовался боковой тип отверстия двулучепреломляющего волокна для изображения волоконных датчиков давления с дифракционными решетками (фиг.9-14), вместо него можно использовать и другие типы волокон, сохраняющих симметричную поляризацию (фиг.8).

Другим применением датчика поперечной деформации является измерение градиентов поперечной деформации. На фиг.15 изображен волоконный датчик 700 поперечной деформации с дифракционными решетками, основанный на двулучепреломляющем оптическом волокне. Волоконные дифракционные решетки 702 были записаны в сердцевине 704 двулучепреломляющего оптического волокна 706 с основными осями 708 и 710. Когда градиенты 712 и 714 поперечной деформации прикладываются вдоль осей 708 и 710, то результатом будет изменение в спектральном профиле максимумов в результате градиента деформации.

На фиг.16 изображено полученное в результате волокно, сохраняющее поляризацию (фирма Файберкоре) с волоконной дифракционной решеткой с рабочей длиной волны 1550 нм, записанной в его сердцевину, которая отформована в цилиндр из чистой эпоксидной смолы, и нагруженной в поперечном направлении с помощью параллельных плоских пластин с нагрузкой 136 кг. Оба максимума отчетливо различались, хотя имеет место некоторое расширение отраженного спектра. На фиг.17 изображен возникающий в результате отраженный спектр при нагрузке 181 кг. Максимум, расположенный с правой стороны и соответствующий градиентам одной из поперечных осей, начинает расширяться вследствие поперечной деформации, в то время как другой максимум все еще поддерживает определенную первоначальную форму.

На фиг. 18 изображен результат, когда прикладывается нагрузка 204 кг. В этом случае одна из поперечных осей показывает значительное расширение из-за градиентов поперечной деформации, тогда как другая только начинает показывать существенное искажение. С помощью измерения ширины этого расширения, а также интенсивности спектров, можно измерить градиенты поперечной деформации.

Таким образом, во всех изобретениях, упомянутых выше, описана работа при отражении. Датчики поперечной деформации также можно использовать для измерения деформации, градиентов давления и деформации при пропускании.

На фиг.19 изображена базисная конфигурация 500, источник 502 света, который может быть широкополосным источником света или настраиваемым узкополосным источником, из которого световой пучок вводится на торце 504 волокна и вырабатывает световой луч 506, который распространяется по оптическому волокну 508. Световой луч 506 падает на одну или несколько волоконных дифракционных решеток 510, записанных в оптическом волокне 508. Оптическое волокно 508 в области волоконных дифракционных решеток 510 может быть двулучепреломляющим и/или может иметь геометрическую форму, которая описана выше со ссылкой на сопроводительные чертежи. Часть светового луча 506 проходит через волоконные дифракционные решетки 510 в виде светового луча 512 и направляется вдоль оптического волокна 508 к выходному спектроанализатору/процессору 514. Спектроанализатор/процессор 514, в свою очередь, вырабатывает выходной сигнал 516, который может показывать поперечную деформацию, градиенты давления или деформацию.

На фиг.20А и фиг.20В показаны спектры выходного сигнала, которые поступают из волоконного датчика с поперечными дифракционными решетками с двойным покрытием, в котором используется конфигурация, подобная той, которая изображена на фиг.19. Источник света, используемый в этом случае состоит из светоизлучающих диодов, имеющих широкий угол излучения, которые работают на центральных длинах волн 1300 и 1550 нм. Эти источники света можно использовать отдельно или совместно в одном эффективном источнике света, в котором используется элемент мультиплексирования с разделением по длинам волн. Волоконные дифракционные решетки, соответствующие данным, показанным на фиг. 20А и 20В, записаны на длинах волн 1300 и 1550 нм по существу в том же самом положении в оптическом волокне, сохраняющем поляризацию Фуджикура.

На фиг.20А показано разделение двух максимумов между двумя провалами при пропускании - приблизительно 0,320 нм на длине волны 1300 нм. На фиг.20В изображено разделение максимумов между двумя провалами при пропускании - приблизительно 0,406 нм на длине волны 1550 нм. Как видно из фиг.20А и 20В, работа в конфигурации передачи, подобной фиг.19, также позволяет проводить измерения двух максимумов и определить поперечную деформацию, давление или градиенты деформации способом, подобным тому, который описан со ссылками на предыдущие чертежи. Один недостаток подхода пропускания (фиг.19) в противоположность использованию конфигурации отражения, описанной со ссылками предыдущие чертежи, заключается в том, что требуется доступ к обоим концам датчика поперечного волокна. В некоторых случаях это может привести к существенному увеличению стоимости, особенно, когда существует значительное расстояние между областью регистрации и областью, где необходимо обрабатывать информацию.

Таким образом, показаны и описаны новые датчики поперечной деформации, которые могут использоваться для измерения давления, температуры и градиентов поперечной деформации и выполнять все задачи с учетом раскрытых преимуществ.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в различных областях промышленности и для контроля параметров окружающей среды. Система для определения поперечного напряжения включает источник света, расщепитель луча, оптическое волокно, подсоединенное к расщепителю луча и имеющее дифракционную решетку, на которую воздействует поперечное напряжение, и детектор для измерения спектрального интервала между двумя максимумами спектральной интенсивности отраженного от дифракционной решетки оптического луча и получения выходного сигнала, показывающего поперечное напряжение в оптическом волокне. Спектральный интервал между двумя максимумами изменяется под действием поперечного напряжения, прикладываемого к дифракционной решетке. По второму варианту детектор выдает выходной сигнал, показывающий поперечное напряжение, прикладываемое к оптическому волокну на первой оптической дифракционной решетке. По третьему варианту в системе для определения давления дифракционная решетка выполнена на двулучепреломляющем волокне. По четвертому варианту первая оптическая дифракционная решетка пропускает часть светового луча, поступающего в оптическое волокно от источника излучения. Обеспечено расширение функциональных возможностей за счет возможности измерения датчиками поперечной деформации, градиентов поперечной деформации, давления и температуры по длине оптического волокна. 5 с. и 20 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Система определения поперечного напряжения в оптическом волокне, содержащая источник света для получения первого светового луча, расщепитель луча, подсоединенный к источнику для приема первого светового луча, поступающего из источника света, и для расщепления его на второй и третий световые лучи, оптическое волокно, подсоединенное к расщепителю для приема второго светового луча, поступающего из расщепителя луча, и имеющее первую оптическую дифракционную решетку, сформированную в оптическом волокне для воздействия на нее поперечного напряжения, для отражения части второго светового луча, так как четвертый световой луч имеет два максимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется под действием поперечного напряжения, прикладываемого к оптическому волокну в первой оптической дифракционной решетке, и детектор для измерения спектрального интервала двух максимумов спектральной интенсивности и для получения первого выходного сигнала, показывающего поперечное напряжение в оптическом волокне. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что детектор подсоединен к расщепителю луча для приема части четвертого светового луча. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптическое волокно является двулучепреломляющим оптическим волокном, имеющим две оси волокна с различными индексами рефракции, при этом первый выходной сигнал, показывающий поперечное напряжение, показывает давление, которое прикладывается к двулучепреломляющему оптическому волокну в первой оптической дифракционной решетке. 4. Система определения поперечного напряжения в оптическом волокне, содержащая источник света для получения первого светового луча, расщепитель луча, подсоединенный к источнику для приема первого светового луча, поступающего из источника света, и для расщепления его на второй и третий световые лучи, оптическое волокно, подсоединенное к расщепителю для приема второго светового луча, поступающего из расщепителя луча, и имеющее первую оптическую дифракционную решетку, сформированную в оптическом волокне для воздействия на нее поперечного напряжения, для отражения части второго светового луча, так как четвертый световой луч имеет два максимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется под действием поперечного напряжения, прикладываемого к оптическому волокну в первой оптической дифракционной решетке, и детектор для измерения спектрального интервала двух максимумов спектральной интенсивности и для получения первого выходного сигнала, показывающего поперечное напряжение, прикладываемое к оптическому волокну на первой оптической дифракционной решетке. 5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что детектор предназначен для измерения спектрального расширения по меньшей мере одного из двух максимумов спектральной интенсивности и выработки первого выходного сигнала, показывающего градиент любой поперечной деформации, прикладываемой к оптическому волокну на первой оптической дифракционной решетке. 6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первая оптическая дифракционная решетка имеет первую дифракционную решетку, расположенную так, что первая оптическая дифракционная решетка отражает первую часть второго светового луча первой частоты, причем оптическое волокно дополнительно включает вторую оптическую дифракционную решетку, размещенную вместе с первой оптической дифракционной решеткой для воздействия поперечного напряжения, для отражения второй части второго светового луча, так как пятый световой луч имеет два максимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется от поперечного напряжения, которое прикладывается к оптическому волокну на второй оптической дифракционной решетке, причем вторая оптическая дифракционная решетка имеет второй период дифракционной решетки, отличный от первого периода дифракционной решетки, при этом вторая оптическая дифракционная решетка отражает вторую часть второго светового луча второй частоты, отличной от первой частоты. 7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первая оптическая дифракционная решетка имеет первый период дифракционной решетки так, что первая оптическая дифракционная решетка отражает первую часть второго светового луча первой частоты в виде четвертого светового луча, причем оптическое волокно дополнительно включает вторую оптическую дифракционную решетку, расположенную отдельно от первой оптической дифракционной решетки для воздействия поперечного напряжения, для отражения второй части второго светового луча в виде пятого светового луча, имеющего два максимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется от поперечного напряжения, прикладываемого ко второй оптической дифракционной решетке, причем вторая оптическая дифракционная решетка имеет второй период дифракционной решетки, отличный от первой дифракционной решетки, при этом вторая оптическая дифракционная решетка отражает вторую часть второго светового луча второй частоты, отличной от первой частоты. 8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что детектор измеряет два максимума спектральной интенсивности в четвертом и пятом световых лучах, чтобы получить первый выходной сигнал, показывающий два максимума спектральной интенсивности в четвертом световом луче, и второй выходной сигнал, показывающий два максимума спектральной интенсивности в пятом световом луче. 9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптическое волокно является первым двулучепреломляющим оптическим волокном, имеющим две оси волокна с различными индексами рефракции, при этом первый выходной сигнал, показывающий поперечное напряжение, показывает давление, прикладываемое к нему, причем первая оптическая дифракционная решетка имеет первый период дифракционной решетки, предназначенный для отражения первой части второго светового луча первой частоты, при этом система дополнительно включает второе двулучепреломляющее оптическое волокно, соединенное с первым двулучепреломляющим оптическим волокном, имеющим асимметричный физический отклик на давление, прикладываемое к нему, причем второе двулучепреломляющее оптическое волокно имеет вторую оптическую дифракционную решетку, предназначенную для воздействия поперечного напряжения, для отражения второй части второго светового луча в виде пятого светового луча, имеющего два максимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется в зависимости от поперечного напряжения, прикладываемого ко второй оптической дифракционной решетке, причем вторая оптическая дифракционная решетка имеет второй период дифракционной решетки, отличный от первой дифракционной решетки, причем вторая оптическая дифракционная решетка отражает вторую часть второго светового луча второй частоты, отличной от первой частоты. 10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что первое двулучепреломляющее оптическое волокно соединено со вторым двулучепреломляющим оптическим волокном с помощью недвулучепреломляющего оптического волокна. 11. Способ определения приложения поперечного напряжения к оптическому волокну, имеющему оптическую дифракционную решетку, записанную в нем, заключающийся в том, что получают первый световой луч, направляют первый световой луч на оптическую дифракционную решетку, при приложении поперечного напряжения, для получения отражения части первого светового луча, имеющего два максимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется в зависимости от поперечного напряжения, прикладываемого к оптическому волокну в первой оптической дифракционной решетке, обнаруживают два максимума спектральной интенсивности, получают из двух максимумов спектральной интенсивности первый выходной сигнал, показывающий поперечное напряжение, прикладываемое к оптическому волокну. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что для обнаружения двух максимумов спектральной интенсивности обнаруживают интервал между двумя максимумами спектральной интенсивности и получают первый выходной сигнал, показывающий два максимума спектральной интенсивности, причем первый выходной сигнал показывает интервал от двух максимумов спектральной интенсивности. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что оптическое волокно является двулучепреломляющим оптическим волокном, давление, прикладываемое к двулучепреломляющему оптическому волокну в оптической дифракционной решетке, вызывает поперечное напряжение в оптической дифракционной решетке, при этом при получении первого выходного сигнала, показывающего два максимума спектральной интенсивности, получают первый выходной сигнал, показывающий давление, прикладываемое к двулучепреломляющему оптическому волокну в оптической дифракционной решетке. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что оптическая дифракционная решетка является первой оптической дифракционной решеткой, отражающей первый спектр, а оптическое волокно представляет собой двулучепреломляющее оптическое волокно, которое включает вторую оптическую дифракционную решетку, которая отражает второй спектр, отличный от первого спектра, причем давление, прикладываемое к двулучепреломляющему оптическому волокну на второй оптической дифракционной решетке, вызывает поперечное напряжение во второй оптической дифракционной решетке, в которой получают первый выходной сигнал, показывающий два максимума спектральной интенсивности, для чего получают первый выходной сигнал, характеризующий давление, прикладываемое к двулучепреломляющему оптическому волокну в первой оптической дифракционной решетке, и его температуру, и получают второй выходной сигнал, характеризующий давление, прикладываемое к двулучепреломляющему оптическому волокну во второй оптической дифракционной решетке, и его температуру, причем из первого и второго выходных сигналов выделяют давление и температуру. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что первая и вторая оптические дифракционные решетки размещены совместно. 16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что первая и вторая оптические дифракционные решетки размещены с возможностью воздействия на них того же самого давления и температуры. 17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что оптическое волокно является недвулучепреломляющим оптическим волокном, причем градиенты деформации, прикладываемые к двулучепреломляющему оптическому волокну на оптической дифракционной решетке, вызывают поперечное напряжение в оптической дифракционной решетке, спектр которой расширяется по меньшей мере у одного из двух максимумов спектральной интенсивности, и для получения первого выходного сигнала, имеющего два максимума спектральной интенсивности, формируют первый выходной сигнал, характеризующий градиент деформации, прикладываемой у недвулучепреломляющего оптического волокна на оптической дифракционной решетке. 18. Система определения приложения давления, содержащая источник света для получения первого светового луча, двулучепреломляющее оптическое волокно, подсоединенное к источнику для приема первого светового луча, причем двулучепреломляющее оптическое волокно имеет первую оптическую дифракционную решетку, предназначенную для воздействия поперечного напряжения, которое вызывается давлением, прикладываемым к двулучепреломляющему оптическому волокну, причем первая оптическая дифракционная решетка предназначена для отражения первой части первого светового луча в виде второго светового луча, имеющего два максимума спектральной интенсивности, при этом спектральный интервал максимумов спектральной интенсивности изменяется в зависимости от давления, прикладываемого к двулучепреломляющему оптическому волокну на первой оптической дифракционной решетке, и детектор для измерения двух максимумов спектральной интенсивности второго светового луча и для получения первого выходного сигнала, показывающего давление, прикладываемое к двулучепреломляющему оптическому волокну. 19. Система по п. 18, отличающаяся тем, что детектор предназначен для измерения интервала между двумя максимумами спектральной интенсивности второго светового луча и получения первого выходного сигнала, показывающего давление, прикладываемое к первой оптической дифракционной решетке. 20. Система по п. 18, отличающаяся тем, что двулучепреломляющее оптическое волокно дополнительно содержит вторую оптическую дифракционную решетку, для воздействия поперечного напряжения, вызываемого давлением, прикладываемым к двулучепреломляющему оптическому волокну, и его температурой, причем вторая оптическая дифракционная решетка предназначена для отражения второй части первого светового пучка на различных частотах, чем в первой части, в виде третьего светового луча, имеющего два максимума спектральной интенсивности, причем спектральный интервал между максимумами спектральной интенсивности третьего светового луча изменяется при изменении давления, прикладываемого к двулучепреломляющему оптическому волокну во второй оптической дифракционной решетке, и его температуры, которой детектор также измеряет интервал между двумя максимумами спектральной интенсивности третьего светового луча, и формирует второй выходной сигнал, показывающий давление, прикладываемое ко второй оптической дифракционной решетке, и его температуру. 21. Система определения поперечной деформации в оптическом волокне, содержащая источник для получения первого светового луча, оптическое волокно, подсоединенное к источнику для приема первого светового луча, поступающего от источника света, причем оптическое волокно имеет первую оптическую дифракционную решетку, образованную в нем для воздействия поперечного напряжения, для пропускания части первого светового луча в виде второго луча света, имеющего два минимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется в зависимости от поперечного напряжения, прикладываемого к оптическому волокну на первой оптической дифракционной решетке, и детектор для измерения двух спектральных минимумов спектральной интенсивности и для получения первого выходного сигнала, показывающего их спектральный интервал. 22. Система по п. 21, отличающаяся тем, что оптическое волокно является двулучепреломляющим оптическим волокном, имеющим две оси волокна с различными индексами рефракции, при этом первый выходной сигнал, показывающий поперечное напряжение, показывает давление, которое прикладывается к двулучепреломляющему оптическому волокну в первой оптической дифракционной решетке. 23. Система по п. 21, отличающаяся тем, что первая оптическая дифракционная решетка имеет период первой дифракционной решетки, причем первая оптическая дифракционная решетка передает часть первого светового луча на первой частоте, при этом оптическое волокно дополнительно включает период второй оптической дифракционной решетки, совместно расположенной с первой оптической дифракционной решеткой для воздействия поперечного напряжения, для передачи второй части первого светового луча в виде третьего светового луча, имеющего два минимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется от поперечного напряжения, прикладываемого к оптическому волокну на второй оптической дифракционной решетке, причем вторая оптическая дифракционная решетка имеет период второй дифракционной решетки, отличный от периода первой дифракционной решетки, причем вторая оптическая дифракционная решетка передает вторую часть второго светового луча второй частоты, которая отличается от первой частоты. 24. Система по п. 21, отличающаяся тем, что первая оптическая дифракционная решетка имеет период первой дифракционной решетки, причем первая оптическая дифракционная решетка передает первую часть первого светового луча на первой частоте в виде третьего светового луча, при этом оптическое волокно дополнительно включает вторую оптическую дифракционную решетку, расположенную отдельно от первой оптической дифракционной решетки для воздействия поперечного напряжения и предназначенную для передачи второй части первого светового луча в виде четвертого светового луча, имеющего два минимума спектральной интенсивности, спектральный интервал которой изменяется в зависимости от поперечного напряжения, прикладываемого ко второй оптической дифракционной решетке, причем вторая оптическая дифракционная решетка имеет период второй дифракционной решетки, отличный от первого периода дифракционной решетки, причем вторая оптическая дифракционная решетка отражает вторую часть второго светового луча на второй частоте, отличной от первой частоты. 25. Система по п. 24, отличающаяся тем, что детектор предназначен для измерения двух максимумов спектральной интенсивности в третьем и четвертом световых лучах для получения первого выходного сигнала, показывающего два максимума спектральной интенсивности в третьем световом луче, и второго выходного сигнала, показывающего два максимума спектральной интенсивности в четвертом световом луче.