ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК G01B9/02 G01D5/26 

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, на основе широкополосной интерферометрии и волоконно-оптическим датчикам на основе интерферометра Фабри-Перо и решеток Брегга.

Известно изобретение «Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)» (№2334965; МПК: G01D 5/26, G01J 9/02; дата публикации 2008-09-27), содержащая, широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр и фоторегистрирующее средство, оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство. Широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем. Ответвитель соединен с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой. Регистрирующий интерферометр выполнен в виде поляризационного интерферометра. Система может представлять собой многоканальные версии измерительной системы с пространственным и временным разделением каналов. Технический результат - уменьшение трудоемкости сборки, увеличение соотношения сигнал/шум.

Недостатком данного изобрения является наличие распределенной в пространстве элементов в составе спектрометрического блока, что уменьшает надежность схемы за счет наличия вибрации, температурных градиентов и прочих воздействий.

Известно изобретение «Устройство для измерения параметров физических полей» (№102256, МПК: G01K 11/32, дата публикации 2011-02-20), которое содержит последовательно соединенные источник двухчастотного лазерного излучения 1, оптический разветвитель 2, первый волоконно-оптический кабель 3, оптический датчик 4, второй волоконно-оптический кабель 5, первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 7, соединенный через третий волоконно-оптический кабель 6 со вторым выходом оптического ответвителя 2, а также контроллер 11 определения параметра физического поля. В него введены фазовый детектор 9, при этом выходы первого 8 и второго 7 фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазового детектора 9, а выход фазового детектора 9 к первому входу контроллера 11 определения параметра физического поля, и измеритель коэффициента модуляции 10, при этом выход первого фотоприемника 8 также подключен ко входу измерителя коэффициента модуляции 10, а выход измерителя коэффициента модуляции 10 подключен ко второму входу контроллера 11 определения параметра физического поля.

Устройство может быть выполнено с использованием источника двухчастотного лазерного излучения 1 на основе двухчастотного лазерного излучателя, а также с использованием источника двухчастотного лазерного излучения 1 на основе опорного одночастотного лазерного излучателя и электрооптического модулятора типа интерферометра Маха-Цендера, рабочая точка модуляционной характеристики которого задана таким образом, чтобы сдвиг фаз на выходе был равен π. Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 4 на основе волоконной решетки Брэгга, интерферометра Фабри-Перо, тонкопленочного фильтра. В некоторых случаях устройство может быть выполнено так, что длина третьего волоконно-оптического кабеля 6 равна сумме длин первого 3 и второго 5 волоконно-оптических кабелей.

Недостатком данного изобретения является использование двухчастотной схемы измерения и следовательно невозможности снятия полного спектра получаемого с датчиков. Таким образом, невозможно мультиплексировать несколько датчиков на одном волокне.

Известно изобретение «Метод и аппарат для высокочастотного оптического датчика передачи сигнала» (WO 2008028138 (А2), МПК: G01B 9/02, дата публикации 2008-03-06), в котором описаны способы измерения с помощью оптического датчика, в соответствии с которыми изменение длины волны в оптическом датчике преобразуется в измеримое изменение силы света, датчик может калиброваться и использоваться для измерения изменения оптической длины волны, а также изменений окружающей среды, например, для измерения температуры или деформации, которые влияют на длину волны датчика. В настоящем изобретении применяются настраиваемые оптофильтры Фабри-Перо в качестве избирательного мультиплексора длины волны для преобразования длины волны в силу света. Оптический широкополосный источник (BBS, 5), такой как источник ASE или SLED, испускает широкий спектр оптического сигнала. Этот сигнал разделяется между несколькими (N) параллельными каналами измерения (например, 3а) с 1×N спектрально плоским оптическим ответвителем (4). Результирующий оптический сигнал на каждом канале измерения (3а, 3б, 3в, 3 … 3N) идентичен оригинальным BBS спектральной формы, только с уменьшенной амплитудой, соизмеримой с разделением ответвителя. Помимо оптического пути каждого измерительного канала, спектры BBS связаны в единый входной порт (7) оптического циркулятора (6). Двунаправленного распространения оптический циркулятор (8) связан с оптическим датчиком, который включает волоконные решетки Брэгга (11а) в качестве чувствительного элемента. Принимаются меры с FBG датчика, чтобы отражение широкополосного сигнала от слоя (торцы, разъемы, соединители, и т.п.) сводятся к минимуму. Узкий спектр отражения группы от датчика FBG (центр или отражение волны) возвращается в порт (8) через оптический циркулятор (6) и выходит через один выходной порт (9). Часть света, отраженная BBS FBG датчиком через оптический ответвитель (12) передается на выход (13) ответвителя, который напрямую связан с опорным каналом (14), содержащим фотодетектор (17), например фотодиод. Другой выход (15) ответвителя соединяется с активным каналом (16), который включает в себя перестраиваемый фильтр Фабри-Перо (20), и затем фотоприемник (19), например фотодиод. Измерения выполняются как фотодиодами, и в результате соотношение измеренных сигналов между двумя каналами откалиброваны и интерпретируется как динамическое изменение длины волны датчика (или ВБР). Как правило, данные рассматриваются как изменения длины волны сигнала в зависимости от времени. Одним или несколькими оптическими датчиками этой системы можно обнаружить изменение температуры или напряжения. В предпочтительном варианте устройство на фиг.1 измеряет динамические напряжения.

Изобретение обеспечивает высокую измерительную чувствительность к небольшим амплитудам, высокочастотную модуляцию длины волны центра волоконного датчика и позволяет использовать либо частотный режим, либо переменную разрешающую способность по времени сеансов модуляции.

Недостатком данного изобретения является использование в качестве анализатора спектра перестраиваемого фильтра Фабри-Перо. Перестройка идет за счет электромеханических пьезоэлектрических устройств. Наличие механических перемещений снижает надежность во время длительной эксплуатации и скорость измерения.

Данное изобретение является ближайшим аналогом заявляемого изобретения, т.е. прототипом.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и скорости измерения, упрощение устройства.

Данная задача решается созданием по варианту 1 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающейся тем, что перестраиваемый элемент выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.

Также эта задача решается созданием по варианту 2 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающейся тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр, причем второй вход циркулятора соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптической измерительной системы по варианту 1.

На фиг.2 представлена схема перестраиваемого элемента по варианту 2.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг.1) содержит широполосный источник излучения 1, оптический разветвитель на несколько каналов 2, циркулятор 3, оптический приемник 5, оптоволоконный датчик 4, блок управления и обработки 6, перестраиваемый элемент 7, при этом выход широкополосного источника излучения 1 соединен с оптическим ответвителем 2, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора 3, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком 4, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом 7, который в свою очередь соединен с оптическим приемником 5, подключенным к блоку управления и обработки 6, а управляющие выходы с процессорного блока 6 соединены с перестраиваемым элементом 7, при этом перестраиваемый элемент 7 выполнен на основе электрооптического модулятора 8, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг.2) отличается тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор 9 и электрооптический перестраиваемый фильтр 10, причем второй вход циркулятора 9 соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра 10.

Устройство по варианту 1 и 2 работает следующим образом.

Широполосный источник излучения 1 соединен с ответвителем 2, который направляет световую энергию по разным каналам, каждый канал соединен с циркулятором 3, куда излучение попадает на первый вход и выходит на втором выходе, соединенным с одним или несколькими датчиками Фабри-Перо и/или решетками Брегга 4. Излучение, отразившись от датчиков и изменив свой спектр, попадает на второй выход циркулятора 3, выходит на третьем выходе и попадает на перестраиваемый элемент 7, который представляет собой по варианту 1 несбалансированный интерферометр Маха-Цендера 8, изготовленный на электрооптическом кристалле типа ниобата лития, а по варианту 2 из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра 10. При подаче с блока управления и обработки 6 на перестраиваемый элемент 7, например, линейно нарастающее напряжение пропорционально изменяется разность фазы между плечами интерферометра 8 и таким образом производится сканирование спектра. Излучение, проходя по плечам электрооптического модулятора 8, интерферирует на его выходе и попадает на оптический приемник 5, электрический сигнал с которого принимается блоком управления и обработки сигнала 6.

По варианту 2 излучение с выхода циркулятора 3 попадает на перестраиваемый элемент 7, который состоит из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра на основе брегговской решетке 10. Излучение, попадая на первый вход циркулятора 9, проходит на второй его вход и попадает на электрооптический перестраиваемый фильтр 10, отражаясь от которого, снова проходит через циркулятор 7 и выход на третьем выходе. При подаче от блока управления и обработки напряжения, например, пилообразной формы, происходит изменение спектра отражения фильтра 9 и таким образом, производится сканирование спектра излучения, отраженного от датчиков 4.

Поскольку отсутствуют механические перемещения, то возрастает надежность устройства, а также скорость измерения.

Широкополосным источником излучения может быть стандартный суперлюминесцентный светоизлучающий диод, работающий на центральной длине волны 1.55 мкм.

Все компоненты: ответвитель, циркулятор, оптический приемник, являются стандартными для телекоммуникационных применений.

Блок управления и обработки может быть выполнен с использование стандартной микропроцессорной техники или на программируемых логических матрицах.

Перестраиваемый элемент по варианту 1 на основе несбалансированного электрооптического интерферометра Маха-Цендера может быть выполнен на электрооптическом кристалле типа ниобата лития или танталата лития стандартным методом получения интегрально-оптических схем.

Перестраиваемый элемент по варианту 2 может быть выполнен на основе электрооптического перестраиваемого фильтра типа Брегговской решетки на электрооптическом кристалле, например на ниобате лития или танталате лития, стандартным методом получения интегрально-оптических схем.

Технический результат достигается за счет использования в качестве перестраиваемого элемента на оптоэлектронных интегрально-оптические схемы на электрооптических кристаллах, что дает возможность создания компактного спектрометра, который не имеет распределенных в пространстве элементов и не имеет механически двигающихся частей, тем самым повышается надежность схемы, увеличивается скорость измерения, а также происходит упрощение устройства.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике. Система содержит широкополосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки и перестраиваемый элемент. Перестраиваемый элемент согласно первому варианту устройства выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. Перестраиваемый элемент согласно второму варианту содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр. Перестраиваемые элементы выполнены на основе электрооптического кристалла типа ниобата лития или танталата лития. Технический результат - повышение надежности и скорости измерения, упрощение устройства за счет исключения механически двигающихся частей. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, цепочку оптоволоконных датчиков, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с цепочкой оптоволоконных датчиков, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающаяся тем, что перестраиваемый элемент выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.

2. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, цепочку оптоволоконных датчиков, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с цепочкой оптоволоконных датчиков, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающаяся тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр, причем первый и третий вход циркулятора являются соответвенно входом и выходом перестраиваемого элемента, а второй вход циркулятора соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра.