ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФОРМАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01K11/32 G01L1/24 G01D5/353 

Изобретение относится к области измерительной техники, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для контроля деформаций крупных сооружений, в электротехнической промышленности при измерении температурных режимов трансформаторов, в геологической разведке при измерении распределения температуры вдоль скважин, в авиационной промышленности при контроле деформаций конструкций летательных аппаратов и т.д.

Известно устройство для измерения распределения температуры в объектах, включающее измерительный преобразователь, источник оптического излучения, два оптических ответвителя, два оптических фильтра, два фотоприемника, два усилителя сигналов фотоприемников и процессор [1].

Работа устройства заключается в том, что на вход измерительного преобразователя, представляющего собой волоконно-оптический кабель, от источника излучения через первый ответвитель направляется серия оптических импульсов, причем вход ответвителя подключен к источнику излучения, а первый выход к измерительному преобразователю. Оптические импульсы возбуждают в оптическом кабеле комбинационное Рамановское рассеяние, состоящее из стоксовой и антистоксовой спектральных составляющих. Излучение обратного рассеяния из второго выхода первого ответвителя направляется на вход второго ответвителя. Выходы второго ответвителя через фильтры, выделяющие стоксовую и антистоксовую компоненты, соединены с фотоприемниками, выходы которых через усилители подключены к процессору. Отношение мощностей стоксовой и антистоксовой спектральных составляющих характеризует температуру области рассеяния.

Устройство имеет следующие недостатки:

- наряду с комбинационным в оптическом волокне возбуждается рассеяние Мандельштама Бриллюэна, накладывающееся своими более высокими порядками на измеряемые спектральные составляющие,

- сложная зависимость температуры от амплитуды спектральных составляющих [2], связанная с тем, что:

- бозонный пичок антистоксовой и стоксовой спектральных составляющих комбинационного рассеяния зависит от температуры линейно (от 200К соответственно с коэффициентами 0,3% и 0,25%), максимум антистоксовой спектральной составляющей зависит от температуры по экспоненциальному закону, максимум стоксовой спектральной составляющей почти по линейному закону с коэффициентом 0,1%;

- в случае появления вынужденного комбинационного рассеяния из-за перекачки мощности между составляющими соотношения нарушаются и зависят от мощности оптического излучения;

- измеряемые спектральные составляющие по разному затухают при распространении по оптическому волокну (интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, кроме того, рельеф спектральной характеристики плавленого кварца, из которого изготовлена сердцевина оптического волокна, сильно изрезан);

- измеряемые спектральные составляющие имеют низкую интенсивность, для повышения чувствительности датчика прибегают к увеличению оптической мощности, вводимой в оптическое волокно, а это приводит к возникновению нелинейных эффектов.

Рассмотренные недостатки приводят к необходимости сложной обработки измеряемой информации и невысокой точности измерений.

Известно устройство для измерения распределения температуры и деформаций, включающее одночастотный волоконный лазер, циркулятор, выполняющий роль направленного ответвителя, фильтры, построенные на интерферометрах Маха-Цендера, фотоприемник и устройство обработки [3].

Устройство работает следующим образом.

Импульс оптического излучения, сформированный распределенным волоконным лазером и электрооптическим модулятором, через циркулятор направляется в измерительный преобразователь, выполненный в виде одномодового оптического кабеля. Измерительный преобразователь имеет секцию для измерения температуры и секцию для измерения деформаций. Деформации определяются по сдвигу частоты рассеянного бриллюэновского излучения (стоксовой составляющей), а температура - по изменению амплитуды составляющих бриллюэновского рассеяния.

Устройство имеет невысокую точность измерений из-за наложения спектров комбинационного рассеяния, бозоновых пичков и сложной зависимости параметров измерительных сигналов от значений физических факторов.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому устройству является датчик давления, деформаций и температуры, описанный в [4], структурная схема устройства представлена на странице 129.

Устройство содержит лазерный излучатель, направляющий оптический импульс в измерительный преобразователь через направленный ответвитель. На выходах направленного ответвителя установлены фотоприемники. Причем выход первого фотоприемника подключен к входу усилителя, выход которого соединен с двумя первыми входами двух устройств выбора, выход второго фотоприемника через линию задержки и два генератора задержки со вторыми входами устройств выбора. Выходы устройств выбора подключены к процессору. Измерительный преобразователь представляет собой секции оптических волокон, соединенные через тонкие рубиновые пластины.

Устройство работает следующим образом.

Лазер на красителях имеет возможность перестраивать длину волны в диапазоне от 605 до 625 нм. Край поглощения рубиновых пластин около 605 нм. Вынужденное Рамановское излучение проходит в одну сторону и не проходит в другую. Перестраивая длину волны излучения, выделяют стоксовые и антистоксовые компоненты Рамановского рассеяния от различных участков измерительного преобразователя. Отношение амплитуд стоксовой и антистоксовой компонент характеризует параметры физических воздействий.

Устройство имеет невысокую точность измерений, низкий диапазон измерений из-за наложения спектров комбинационного рассеяния, бозоновых пичков, сложной зависимости параметров измерительных сигналов от значений физических факторов, небольшой мощности рассеянного излучения.

Предложенное устройство решает задачи упрощения, повышения точности и динамического диапазона измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство введены формирователь импульсов, компаратор, причем выход усилителя подключается к входу устройства выбора импульсов через компаратор, выход устройства выбора импульсов через последовательно установленные линию задержки и формирователь импульсов соединен с управляющим входом лазерного излучателя, а управляющие входы устройства выбора импульсов и линии задержки через информационные шины подключены к микропроцессорному устройству управления и обработки.

На фиг.1 изображена структурная схема волоконно-оптического датчика температуры и деформаций. На фиг.2 представлен один из вариантов расположения оптических волокон в одной из секций измерительного преобразователя.

Устройство состоит из лазерного излучателя 1, направляющего оптический измерительный сигнал через оптические соединители 2, направленный ответвитель 3 в измерительный преобразователь, выполненный в виде секций волоконно-оптического кабеля 4, соединенных оптическими соединителями 2, формирователя импульсов 5, фотоприемника 6, усилителя 7, компаратора 8, устройства выбора импульсов 9, линии задержки 10, микропроцессорного устройства управления и обработки 11.

Устройство работает следующим образом.

При включении питающих напряжений микропроцессорное устройство управления и обработки 11 на одном из своих выводов формирует импульс, направляемый на дополнительный вход формирователя импульсов 5. Формирователь импульсов 5 формирует импульс с крутыми фронтами заданной длительности и направляет его на управляющий вход лазерного излучателя 1. Лазерный излучатель 1 преобразует электрический импульс в оптический и через последовательно установленные оптический соединитель 2, направленный ответвитель 3, второй оптический соединитель 2 посылает его в измерительный преобразователь. Измерительный преобразователь состоит из секций волоконно-оптического кабеля длиной l, соединенных при помощи оптических соединителей 2. На выходе направленного ответвителя 3 установлен фотоприемник 6, принимающий излучение обратного рассеяния из измерительного преобразователя. Излучение обратного рассеяния состоит из следующих составляющих:

- релеевского рассеяния;

- комбинационного и бриллюэновского рассеяния;

- отражений от мест стыка секций волоконно-оптического кабеля.

Сигнал фотоприемника усиливается при помощи усилителя 7 и направляется на вход компаратора 8, порог срабатывания которого настроен на выделение импульсов, отраженных от мест стыка секций волоконно-оптического кабеля.

Работа компаратора основана на том, что импульсы оптического излучения, отраженные от места стыка, самые мощные из всех составляющих излучения обратного рассеяния. Уровень мощности отраженных импульсов определяется потерями на отражение оптических соединителей и составляет от -20 дБ (для соединителей PC) до -40 дБ (для соединителей ультра PC) относительно мощности излучения, направляемой в оптический кабель измерительного преобразователя. Мощность рэлеевского рассеяния на рабочей длине волны оптического излучения (для одномодовых оптических кабелей - 1,55 мкм) при длительности оптического импульса 100 нс, при длине оптического кабеля 10 км составляет около -50 дБ относительно направляемой мощности [5]. Мощность бриллюэновских составляющих спонтанного рассеяния составляет около -70 дБ, комбинационного Рамановского - около -75 дБ [2].

На выходе компаратора формируются цифровые сигналы с нормализованной амплитудой, которые подаются на программируемое устройство выбора импульсов 9. Количество отраженных импульсов определяется количеством соединителей, соединяющих секции волоконно-оптического кабеля. Устройство выбора импульсов 9 представляет собой двоичный счетчик, в регистры данных которого предварительно устройством управления и обработки 11 заносится некоторое число. Пусть коэффициент деления частоты счетчиком равен N, тогда если предварительно записать в регистры данных счетчика число N-1, то на выходе счетчика появится сигнал уже после первого отраженного импульса. Соответственно, если занести число N-2, то будет выбран второй импульс. Выбранный импульс с выхода устройства выделения 9 поступает на один из входов микропроцессорного устройства управления и обработки 11 и на вход программируемой линии задержки 10.

Программируемая линия задержки строится на основе интегральных микросхем (например, микросхем фирмы Dallas Semiconductor типа DS1023) и задерживает выделенный импульс на время, превышающее максимальную задержку отраженных импульсов в измерительном преобразователе

где t_з - время задержки,

τ_т - время распространения оптического сигнала до выходного торца волоконно-оптического кабеля последней секции измерительного преобразователя.

Задержанный импульс подается на вход формирователя импульсов, который при помощи оптического излучателя формирует новый зондирующий оптический импульс. Устройство переходит в автоколебательный режим, причем период следования импульсов определяется задержками измерительного сигнала:

где Т_i - период следования импульсов в автоколебательном режиме работы, если выбрана i-я секция измерительного преобразователя;

t_y - задержка измерительного сигнала в узлах устройства величина постоянная и складывается из задержек сигнала в фотоприемнике, усилителе, компараторе, устройстве выбора, линии задержки, формирователе импульсов, источнике оптического излучения;

t_з - задержка измерительного сигнала в линии задержки (программируется микропроцессорным устройством и зависит от общей длины измерительного преобразователя, для данного измерительного преобразователя величина постоянная);

τ_i - задержка оптического измерительного сигнала, отразившегося от i-го оптического соединителя.

Период следования импульсов автоколебательного режима определяется путем накопления генерируемых импульсов за фиксированный интервал времени, определяемый встроенным в микропроцессорное устройство таймером.

Перед проведением измерения параметров физических величин датчик должен быть откалиброван. Во время калибровки все секции измерительного преобразователя должны находиться в одинаковых условиях: при постоянной температуре (измерительный преобразователь помещается в термостат с заданным значением температуры), при отсутствии внешних деформаций.

Микропроцессорное устройство управления и обработки 11 при помощи устройства выбора 9 последовательно производит выбор импульсов, отраженных от всех соединителей измерительного преобразователя. Первый импульс, отраженный от входного торца первой секции волоконно-оптического кабеля, игнорируется. Последним выделяемым импульсом является импульс, отразившийся от выходного торца последней секции волоконно-оптического кабеля. Для каждой реперной точки (реперные точки - это места расположения соединителей между секциями измерительного преобразователя, последней реперной точкой является выходной торец последней секции волоконно-оптического кабеля) за выбранный промежуток времени (на это время настраивается таймер микропроцессорного устройства) происходит накопление импульсов автоколебательного процесса. Количества накопленных импульсов запоминаются.

Разница в числе накопленных импульсов для начала секции и конца секции характеризует задержку оптического сигнала в данной секции.

Показатель преломления сердцевины оптического волокна волоконно-оптического кабеля зависит от температуры и деформаций в соответствии с формулой [6]:

где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна;

Δn - изменение показателя преломления;

- частная производная по температуре, характеризующая изменение плотности кварцевого стекла;

δn - изменение показателя преломления за счет фотоупругости.

Первый член формулы (3) учитывает изменение плотности стекла, второй член - эффект фотоупругости, обусловленной деформацией волокна. Для кварцевого стекла

Изменение коэффициента преломления δп, вносимое эффектом фотоупругости, можно выразить следующей формулой с использованием коэффициентов Поккельса р_ij:

ε₁ и ε₂ - относительная деформация в поперечном сечении, a ε_z - вдоль оси волокна, причем

где Δl - изменение длины отрезка волокна длиной l.

Символ ν обозначает здесь отношение Пуассона.

Воспользовавшись формулами (6) и (7), можно вывести

Для кварцевого стекла n=1,46, р₁₁=0,121, p₁₂=0,27, ν=0,164. Подставляя значения параметров в формулу (8), будем иметь:

Пусть необходимо регистрировать превышение заданного уровня деформации конструкции, равное 0,3%, тогда будем иметь изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна, обусловленное деформацией, равное δn=9,6·10^-4.

Известно, что скорость распространения оптических сигналов

где v - скорость распространения оптического сигнала в сердцевине оптического волокна;

с - скорость света в вакууме;

n - показатель преломления сердцевины оптического волокна.

Пусть длина секции измерительного преобразователя равна l=1 км. Тогда за счет деформации 0,3% изменение задержки оптического сигнала в данной секции составит

Такое изменение задержки при длине измерительного преобразователя 5 км (максимальный период следования импульсов в режиме автоколебаний будет составлять около 50 мкс) позволит получить разницу в числе накопленных импульсов для данной секции за время накопления, равное 30 секунд, равную 38 (относительно значения полученного при калибровке).

Рассмотрим более подробно первый член формулы (3), учитывающий изменение плотности кварцевого стекла в зависимости от температуры. С учетом (4), предполагая, что деформаций нет, перепишем (3) в следующем виде:

где Δn - изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна за счет изменения температуры;

n - показатель преломления сердцевины оптического волокна;

ΔT - изменение температуры.

Пусть температура выбранной секции измерительного преобразователя изменится относительно калибровочной температуры на 5°С. Это вызовет изменение показателя преломления, равное Δn = 4,964·10-5.

Нетрудно показать, что такое изменение показателя преломления для выбранных ранее параметров измерительного преобразователя и режима измерений (длина одной секции 1 км, максимальная длина измерительного преобразователя 5 км, время накопления 30 сек) вызовет изменение времени задержки в секции 0,16 нс и позволит получить разницу в числе накопленных импульсов для данной секции, равную 2 (относительно значения, полученного при калибровке).

Для повышения чувствительности датчика можно:

- увеличить длину отрезка волоконно-оптического кабеля в выбранной секции;

- увеличить время накопления;

- уменьшить общую длину измерительного преобразователя.

Динамический диапазон измерений может быть найден исходя из чувствительности фотоприемника, мощности источника оптического излучения, количества секций измерительного преобразователя, потерь, вносимых каждым соединителем между секциями, оптической длины секций, уровня отраженной мощности (необходимо отметить, что радиусы изгиба волоконно-оптического кабеля в секциях не должны быть меньше допустимых для данной конструкции кабеля). Рассчитаем динамический диапазон измерений, принимая, что минимальным сигналом обратного рассеяния является оптический импульс, отраженный от последнего оптического соединителя. Это утверждение справедливо при условии

где β - потери на отражение одного оптического соединителя;

β_т - потери на отражение на выходном торце последней секции измерительного преобразователя;

α₁ - погонное затухание волоконно-оптического кабеля;

l - длина последней секции волоконно-оптического кабеля.

С учетом сделанного замечания динамический диапазон можно рассчитать по формуле:

где W_o - энергетический запас датчика, равный здесь Р_и - импульсная мощность источника оптического излучения, Р_пор - порог чувствительности цифрового фотоприемника,

W - динамический диапазон, дБ,

n - количество соединителей в измерительном преобразователе,

α_ос - оптические потери, вносимые одним соединителем,

L - длина оптического кабеля до места установки последнего оптического соединителя;

α₁ - погонное затухание волоконно-оптического кабеля на рабочей длине волны оптического излучения;

β - потери на отражение одного оптического соединителя.

Если неравенство (13) несправедливо, формула для расчета динамического диапазона будет выглядеть следующим образом:

здесь LΣ - общая длина волоконно-оптического кабеля измерительного преобразователя;

β_т - потери на отражение на выходном торце последней секции измерительного преобразователя.

Для оценки значения динамического диапазона измерений зададимся следующими параметрами узлов распределенного датчика:

- порог чувствительности фотоприемника цифровых сигналов - 55 дБм или 3,1 10^-6 мВт (параметры фотоприемника типа ПРОМ 364-2048 на длине волны излучения 1,3 мкм);

- мощность в импульсе источника излучения 100 мВт (параметры полупроводникового лазера типа LFO-27i, длина волны 1,3 мкм);

- 5 секций одномодового оптического кабеля длиной по 1 км, затухание оптического волокна на длине волны оптического излучения 1,3 мкм - 0,35 дБ/км;

- применены оптические соединители с вносимыми оптическими потерями 0,1 дБ и потерями на отражение 30 дБ;

- уровень френелевского отражения от выходного торца последней секции измерительного преобразователя составляет 4% (эквивалентно потерям на отражение, равным 14 дБ).

Подставляя значения параметров в неравенство (13), можно убедиться, что оно справедливо, поэтому для расчета динамического диапазона измерений воспользуемся формулой (14). По формуле (14) получаем W=41,8 дБ.

Известные датчики не обеспечивают такого динамического диапазона.

Большой динамический диапазон обеспечивает большое высокое значение отношения сигнал/шум, а следовательно, шумы в меньшей степени, чем в устройствах прототипах сказываются на точности измерений. Отсутствие паразитных спектральных составляющих приводит к упрощению устройства и повышению точности измерений.

Разрешающая способность по длине объекта определяется расстоянием d между секциями оптического кабеля и зависит только от способа укладки кабеля в секциях.

Учитывая, что результаты измерений зависят одновременно и от изменений температуры и от изменений деформации, секции измерительного преобразователя должны различаться по назначению - для измерения температуры и для измерения деформации.

Секции оптического кабеля для измерения деформации, учитывая, что измеряется в основном их продольная составляющая (см. формулу 8), необходимо располагать таким образом, чтобы ось кабеля по возможности совпадала с направлением действия деформации, см. фиг.2. При этом радиус изгиба кабеля не должен превышать допустимого значения.

Оптический кабель в секциях для измерения температуры укладываются в произвольном порядке.

Оптический кабель измерительного преобразователя может быть выполнен в виде оптического волокна с металлическим защитным покрытием. Такое конструктивное исполнение позволяет легко передавать на волокно механические деформации конструкции. Оптический кабель может составлять единое целое с конструкцией (диаметр кабеля около 200 мкм) и обеспечивает измерение высоких температур (кабель с медным покрытием может измерять температуру до 400°С).

Использованная литература

1. ЕР 0636868 А1.

2. Б.Г.Горшков, И.Е.Горбатов, Ю.К.Данилейко, А.В.Сидорин Люминесценция, рассеяние и поглощение света в кварцевых оптических волокнах и перспективы их использования в распределенных световодных датчиках. “Квантовая электроника”, 17, №3, стр.345-350.

3. T.R.Parker, M.Farhadiroushan, V.A.Handerek, A.J.Rogers, “A fully distributed simultaneous strain and temperature sensor using spontaneous Brillion backscatter”, IEEE Photonics Technology Litters 9, 979-981 (1997).

4. A.J.Rogers, Distributed optical fibre sensors for the measurement of pressure, strain and temperature. PHYSICS REPORTS (Review Section of Physics Letters) 169, No 2 (1988), 99-143, North-Holland, Amsterdam (см. приложение).

5. А.Б.Иванов Волоконная оптика. “Syrus systems” M. 1999 г. - 671 с.

6. Т.Окоси и др. Волоконно-оптические датчики/ пер. с японского - Л. Энергоатомиздат. Ленинградское отд. 1990 г. - 255 с.

Изобретение к измерительной технике и может быть использовано для контроля деформаций крупных сооружений, в электротехнической промышленности при измерении температурных режимов трансформаторов, в геологической разведке при измерении распределения температуры вдоль скважин, в авиационной промышленности при контроле деформаций конструкций летательных аппаратов. При помощи компаратора, формирователя импульсов, устройства выбора импульсов последовательно выделяются оптические импульсы, отраженные от реперных точек, в качестве которых выступают оптические соединители, установленные между секциями волоконно-оптического кабеля, применяемого в качестве измерительного преобразователя. Выделенные импульсы через цепь положительной обратной связи запускают автоколебательный режим. Причем период следования автоколебаний определяет задержку распространения оптического сигнала до выбранной реперной точки. Изменение температуры и воздействие механических напряжений, приводящие к деформации оптического волокна, изменяют коэффициент преломления материала сердцевины оптического волокна. За счет изменения величины коэффициента преломления изменяется задержка оптического сигнала. Значение температуры или величина деформации, воздействующие на каждую из секций измерительного преобразователя, определяются по изменению задержки оптических сигналов от каждой из реперных точек. Обеспечено упрощение и повышение точности и динамического диапазона измерений. 2 ил.

Волоконно-оптический датчик температуры и деформаций, содержащий линию задержки, последовательно установленные лазерный излучатель, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в измерительный преобразователь, состоящий из секций волоконно-оптического кабеля, а второй - с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу усилителя, устройство управления и обработки и устройство выбора импульсов, отличающийся тем, что в него введены компаратор, формирователь импульсов, оптические соединители, причем компаратор расположен между выходом усилителя и входом устройства выбора импульсов, выход устройства выбора импульсов соединен с управляющим входом лазерного излучателя через последовательно установленные линию задержки и формирователь импульсов, дополнительный вход которого соединен с одним из выходов устройства управления и обработки, управляющие входы устройства выбора импульсов и линии задержки соединены с устройством управления и обработки информационными шинами, секции оптического кабеля измерительного преобразователя соединены оптическими соединителями.