ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01B11/16 G01D5/353 

Изобретение относится к области измерительной техники, телеметрии и оптоэлектроники, и может быть использовано для контроля деформаций различных конструкций, устройств и сооружений.

Известно устройство для измерения деформаций в объектах, включающее два источника оптического излучения с длиной волны 1,3 и 1,55 мкм, волновой мультиплексор, направляющий излучение источников на вход оптического ответвителя, к одному выходу которого подключен измерительный преобразователь деформаций, выполненный в виде оптического волокна (OB), на сердцевину которого нанесены брэгговские решетки, к другому выходу - анализатор оптического спектра [1, фиг.6].

Устройство работает следующим образом. Брэгговская решетка выполнена путем продольной вариации показателя преломления сердцевины OB. Каждая полоса решетки отражает назад малую часть излучения. Для излучения с длиной волны в два раза большей, чем период решетки, отраженные лучи складываются в фазе и в результате появляется отраженный световой сигнал с интенсивностью 1...99% от интенсивности падающей волны и очень узкой спектральной полосой. Для всех остальных длин волн Брэгговская решетка практически прозрачна. Брэгговская длина волны и коэффициент отражения решетки могут быть заданы с большой точностью в процессе изготовления решетки. Брэгговская длина волны зависит от температуры и натяжения ОВ (линейной деформации). По изменению длины волны отраженного сигнала можно судить о температуре или величине приложенной нагрузки.

Достоинством рассматриваемого устройства является возможность измерения деформации в разных частях конструкции при использовании решеток с разным шагом, параметры решетки не зависят от характеристик источников и приемников излучения.

Рассмотренное устройство имеет следующие недостатки.

Брэгговская решетка в оптическом волокне изготавливается путем облучения интенсивным излучением ультрафиолетового лазера. Два луча лазера сбиваются таким образом, чтобы OB оказалось в зоне интерференции. В местах экспонирования коэффициент преломления необратимо увеличивается и в волокне, таким образом формируется периодическая структура полос с чередующимся показателем преломления. Воздействие на ОВ ослабляет его прочность, приводит к понижению надежности и долговечности. Другим недостатком является сильное влияние на результаты измерений изменения температуры. Еще одним недостатком является сложность аппаратуры анализа тонкой структуры оптического спектра и наличие в спектре широкополосных источников излучения больших шумов, связанных с взаимодействием различных мод, вносящих дополнительную погрешность в результаты измерений.

Сложность устройство предопределяет высокую его стоимость.

Другое устройство, позволяющее измерять деформацию, содержит стабилизированный по частоте лазер, направляющий оптическое излучение в ОВ через последовательно установленные частотосдвигатель и два ответвителя, причем с первого ответвителя часть излучения направляется на первый вход объединителя, второй вход объединителя связан со вторым выходом второго ответвителя через отражательное зеркало, а выход объединителя связан с оптическим входом системы спектрального анализа [2].

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера, работающего на длине волны λ=1,55 мкм (частоте ν) и стабилизированного по частоте, проходит через частотосдвигатель, где приобретает сдвиг частоты Δν. Кроме того, частотосдвигатель выполняет функцию амплитудного модулятора излучения, так что в ОВ вводится импульс необходимой длительности. Излучение обратного рассеяния из ОВ, состоящее из релеевской, бриллюэновской и рамановской составляющих, через второй ответвитель, отражающее зеркала и объединитель направляется на систему спектрального анализа. Релеевское излучение обратного рассеяния распространяется на длине волны лазера ν, бриллюэновское рассеяние состоит из двух составляющих - стоксовой с частотой (ν-Δν_Б) и антистоксовой с частотой (ν+Δν_Б), рамановское рассеяние состоит также из двух составляющих - стоксовой с частотой (ν-Δν_p) и антистоксовой с частотой (ν+Δν_р) [3]. Из рассмотренных составляющих рассеяния наибольшей зависимостью от деформации обладают бриллюэновские. Возникший в волокне сигнал бриллюэновского рассеяния, сдвинутый по частоте на добавочную величину Δν_Б, возвращается на систему анализа спектра, куда также попадает опорный (гетеродинный) сигнал, идущий непосредственно от лазера с частотой ν. В результате на фотодетекторе анализатора спектра происходят биения с разностной частотой Δν-Δν_Б, что позволяет регистрировать величину деформации OB.

Рассмотренное устройство имеет следующие недостатки.

Стабилизированный по частоте лазер не может эксплуатироваться в широком температурном диапазоне, не допускает механических и ударных нагрузок, что ограничивает область применения устройства.

Уровень сигнала бриллюэновского рассеяния находится на уровне шумов и составляет от зондирующего порядка -70 дБ. Увеличение мощности зондирующего сигнала приводит к возникновению вынужденного бриллюэновского рассеяния, имеющего нестабильную нелинейную зависимость от деформаций. Таким образом, работа устройства на уровне шумов ограничивает динамический диапазон измерений, понижает точность измерений, требует значительного времени измерений для накопления полезного сигнала.

Другим недостатком является сильное влияние на результаты измерений изменения температуры, а также сложность аппаратуры анализа тонкой структуры оптического спектра.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому устройству является волоконно-оптический датчик температуры и деформаций, описанный в [4].

Устройство содержит лазерный излучатель, направляющий оптический импульс в измерительный преобразователь через направленный оптический ответвитель. Дополнительный выход направленного ответвителя связан с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к устройству выбора импульсов через последовательно установленные усилитель и компаратор. Управляющие входы устройства выбора подключены к выходам микроконтроллера, а выход - к одному из входов микроконтроллера и входу линии задержки, управляемой микроконтроллером, выход которой соединен с управляющим входом лазерного излучателя через формирователь импульсов. При этом измерительный преобразователь выполнен в виде секций. Каждая секция представляет собой отрезок волоконно-оптического кабеля произвольной длины. Секции соединяются при помощи разъемных соединителей.

Устройство работает следующим образом.

При включении питающих напряжений микроконтроллер на одном из своих выводов формирует импульс, направляемый на лазерный излучатель через формирователь импульсов. Лазерный излучатель преобразует электрический импульс в оптический и через направленный ответвитель посылает его в измерительный преобразователь. Измерительный преобразователь состоит из секций волоконно-оптического кабеля, состыкованных оптическими соединителями. На выходе направленного ответвителя установлен фотоприемник, принимающий излучение обратного рассеяния из измерительного преобразователя, которое представляет собой последовательность оптических импульсов, отраженных от мест оптического стыка.

Сигнал фотоприемника через усилитель и компаратор направляется на устройство выбора импульсов, настроенное микроконтроллером на выбор импульса от заданного оптического стыка. Выделенный импульс подсчитывается микроконтроллером и через линию задержки направляется на формирователь импульсов для формирования нового оптического импульса. Процесс повторяется, причем частота следования импульсов определяет место расположения стыка, а амплитуда - уровень отраженной мощности. По изменению частоты можно судить об уровне внешних воздействий на оптический тракт.

Устройство имеет недостаток, связанный с продолжительным временем накопления импульсов от каждого стыка, что не позволяет оперативно отслеживать изменение измеряемого физического воздействия. Особенно этот недостаток имеет большое значение при контроле превышения допустимого уровня деформации конструкции.

Предложенное устройство решает задачу повышения оперативности регистрации деформаций за счет сокращения времени измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее последовательно установленные лазерный излучатель, направленный ответвитель, один из выходов которого соединен с устройством ввода излучения в измерительный преобразователь, состоящий из секций, представляющих собой состыкованные оптическими соединителями отрезки волоконно-оптического кабеля произвольной длины, а другой выход направленного ответвителя соединен с фотоприемником, выход которого подключен к усилителю, введены генератор пилообразного напряжения, генератор, перестраиваемый по частоте, спектроанализатор, наборы последовательно состыкованных оптическими соединителями отрезков волоконно-оптического кабеля одинаковой длины для каждого набора.

На фиг.1 изображена структурная схема волоконно-оптического датчика деформаций. На фиг.2 представлен один из вариантов расположения секций измерительного преобразователя, обеспечивающий одновременную регистрацию деформации в разных частях контролируемой конструкции.

Устройство состоит из лазерного излучателя 1, направляющего оптический измерительный сигнал через оптические соединители 2, направленный ответвитель 3 в измерительный преобразователь 4, в секции которого 4.1, 4.2...4.j введены наборы отрезков волоконно-оптического кабеля 5 равной длины для каждого набора, состыкованные между собой оптическими соединителями, генератора 6, перестраиваемого по частоте, модулирующего оптический измерительный сигнал, вырабатываемый лазерным излучателем 1, фотоприемника 7, установленного на втором выходе направленного ответвителя 3, последовательно включенных усилителя 8 и спектроанализатора 9, генератора пилообразного напряжения 10, управляющего частотой генератора 6.

Устройство работает следующим образом:

От лазерного излучателя 1 модулированный генератором 6 по интенсивности оптический сигнал, через соединители 2 и направленный ответвитель 3, поступает на вход измерительного преобразователя 4. Сигналы обратного рассеяния от измерительного преобразователя 4 ответвителем 3 направляются на оптический вход фотоприемника 7.

Преобразованные в электрическое напряжение эти сигналы усиливаются усилителем 8 и поступают на вход спектроанализатора 9.

Сигналы обратного рассеяния складываются из следующих составляющих:

- френелевские отражения от мест стыков отрезков волоконно-оптического кабеля;

- релеевское рассеяние на неоднородностях оптического волокна;

- рамановское и бриллюэновское рассеяние соответственно на оптических и акустических фононах.

Уровень френелевского отражения составляет примерно -18 дБ от одного стыка. Уровни бриллюэновского, рамановского, релеевского рассеяния с 200 метров оптического волокна составляют соответственно -70 дБ, -60 дБ и -50 дБ. Поэтому по сравнению с сигналами френелевского отражения другими сигналами можно пренебречь.

С учетом сделанного замечания сигнал на выходе фотоприемника U_ф можно представить в виде следующего выражения:

где А_i - амплитуда френелевского отражения от i-го стыка оптических волокон;

w - частота модуляции оптического излучения;

ϕ_i - фазовый сдвиг сигнала от i-го стыка оптических волокон.

Очевидно, что фазовый сдвиг определяется задержкой оптического сигнала и может быть найден по формуле

где ϕ_о - начальный фазовый сдвиг, определяемый задержками в электронных узлах фотоприемника;

τ_i - задержка распространения оптического сигнала, определяемая по формуле

где τ_о - задержка в узлах стенда до первого торца OB;

l_i - расстояние до i-го стыка отрезков оптических волокон от начального торца измерительного преобразователя 4;

n - показатель преломления сердцевины OB;

с - скорость света в вакууме.

Подставляя (3) в (2) для одного из набора одинаковых отрезков волоконно-оптического кабеля длиной l_о, установленных в одну из секций измерительного преобразователя, получим

Из формулы (4) следует, что фаза сигналов от набора отрезков одной из секции измерительного преобразователя складывается из двух составляющих:

ϕ_* - определяемой параметрами узлов измерительной схемы и расстоянием от начала ИП до рассматриваемого набора отрезков волоконно-оптических кабелей (величина постоянная);

- набора фазовых сдвигов, определяемых расстоянием от начала рассматриваемого набора отрезков волоконно-оптических кабелей до i-го стыка отрезков кабелей, составляющих рассматриваемый набор.

Пусть на некоторой частоте ω_о имеет место равенство

тогда, подставляя (5) в (4), а (4) в (1), получим

Учитывая формулы приведения для тригонометрических функций, формулу (6) можно представить в виде

Из формулы (7) следует, что при выполнении условия (5) будет резкий скачок амплитуды выходного сигнала фотоприемника на частоте ω_о, так как составляющие френелевских отражений от стыков рассматриваемого набора отрезков волоконно-оптических кабелей, входящих в одну из секций измерительного преобразователя, складываются синфазно. Это утверждение можно проиллюстрировать в векторном представлении. На фиг.3а представлена диаграмма, иллюстрирующая отраженные сигналы и результирующий сигнал в векторном представлении от набора из 4-х состыкованных последовательно отрезков волоконно-оптического кабеля одинаковой длины на частоте ω₁<ω_o, а на фигуре 3б те же сигналы на частоте ω_о, для которой справедливо выражение (5)

Таким образом, если перестраивать частоту модулирующего генератора 6 то на фиксированных частотах на выходе фотоприемника 7 будут наблюдаться всплески амплитуды регистрируемого сигнала обратного рассеяния. Эти частоты назовем резонансными. Условием резонанса является равенство

где - длина отрезков набора оптических кабелей, введенного в j-ую секцию измерительного преобразователя.

При приложении нагрузки к измерительному преобразователю за счет линейной деформации секции измерительного преобразователя вытягиваются, и резонансная частота смещается в область более низких частот за счет увеличения времени распространения оптического сигнала. Таким образом, функцией преобразования измерительного преобразователя рассматриваемого датчика будет зависимость изменения резонансных частот сигнала обратного рассеяния от величины деформации. Пример размещения секций измерительного преобразователя для одновременной регистрации деформации в разных частях контролируемой конструкции представлен на фиг.2, 3.

Перестраивая частоту модуляции при помощи генератора пилообразного напряжения 10, можно одновременно контролировать деформацию конструкции в различных местах по изменению спектра, контролируемому спектроанализатором 9.

Быстродействие измерительного преобразователя связано только с периодом следования сигналов генерируемых генератором пилообразного напряжения, управляющего источником оптического излучения, и составляет величину несколько миллисекунд. Этим достигается цель изобретения - повышение оперативности по сравнению с устройством прототипом.

Как, было показано выше, номинальная функция преобразования описывается зависимостью изменения резонансной частоты от величины деформации. Учитывая (8) выведем формулу для функции преобразования измерительного преобразователя рассматриваемого датчика. Пусть под действием внешних сил длина отрезков оптического кабеля j-ой секции увеличивается на величину . При этом резонансная частота уменьшится на величину Δf_j

С достаточной степенью точности можно записать

После несложных преобразований получим

Итак, представлен датчик деформаций, построенный на отрезках оптических кабелей отличающийся простотой технического решения, оперативно отслеживающий изменение измеряемого физического воздействия (деформаций) за счет высокого быстродействия, высокой точностью измерений, так как результаты измерений не зависят от параметров источника излучения, приемника излучения, параметров других узлов устройства, а определяются исключительно свойствами оптического волокна.

К особенностям применения датчика можно отнести следующие:

- длины отрезков оптических кабелей в наборах, размещенных в различных секциях измерительного преобразователя, должны быть неравными и не кратными друг другу, так как кратность длин отрезков оптических кабелей приводит к появлению гармоник, затрудняющих проведение измерений;

- секции оптического кабеля, учитывая, что измеряется в основном продольная составляющая деформаций, необходимо располагать таким образом, чтобы их ось по возможности совпадала с направлением действия деформации, при этом радиус изгиба оптического волокна не должен превышать допустимого значения;

- конструкция оптического кабеля должна обеспечивать передачу деформаций конструкции на оптическое волокно, примером такого кабеля может служить оптическое волокно с медным защитным и упрочняющим покрытием.

Рассмотренное устройство для измерения линейных деформаций было изготовлено и испытано. Устройство при измерении превышения заданного уровня деформаций 0,3% обеспечило точность измерения, равную 0,0007%.

Литература

1. Whitten L. Schuiz, Eric Udd, John M.Seim, and Galen E. McGill Advanced fiber grating strain sensor systems for bridges, structures, and highways. Blue Road Research, 2555 NE 205 Ave, Fairview, OR 97024 Oregon Department of Transportation, Research Unit, 2950 State Street, Salem, OR 97310.

2. Контроль надежности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии. Фотон-Экспресс №14, декабрь 1998 г.

3. 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.

4. Яковлев М.Я., Цуканов В.Н. Положительное решение по заявке «Волоконно-оптический датчик температуры и деформации» (№2003115958, G 01 К 11/32) от 29 мая 2003 г.

Изобретение «Волоконно-оптический датчик деформаций» предназначено для контроля деформаций крупных сооружений, конструкций летательных аппаратов и т.д. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при помощи перестраиваемого по частоте генератора синусоидальных сигналов, модулирующего по интенсивности лазерный излучатель, анализатора спектра, находятся значения резонансных частот сигнала обратного рассеяния из измерительного преобразователя. Значения резонансных частот связаны с механической деформацией различных зон конструкции, на которой установлен измерительный преобразователь. Измерительный преобразователь состоит из секций - состыкованных последовательно отрезков волоконно-оптического кабеля. Измерение изменения механических деформаций конструкции осуществляют анализатором спектра путем регистрации изменения резонансных частот сигнала обратного рассеяния. Технический результат - повышение оперативности регистрации изменения деформаций различных конструкций. 3 ил.

Волоконно-оптический датчик деформаций, содержащий последовательно установленные лазерный излучатель, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в измерительный преобразователь, состоящий из секций волоконно-оптического кабеля, а другой соединен с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу усилителя, отличающееся тем, что в него введены спектроанализатор, подключенный к выходу усилителя, последовательно установленные генератор пилообразного напряжения и перестраиваемый генератор, выход которого соединен с входом лазерного излучателя, а в секции измерительного преобразователя введены наборы последовательно состыкованных отрезков волоконно-оптического кабеля одинаковой длины для каждого набора.