Многоканальная волоконно-оптическая система детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии Российский патент 2021 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных систем, используемых для диагностики внутреннего состояния различных конструкций и детектирования внешних ударных воздействий. В системе используется двойное преобразование внешнего воздействия: первичный сенсор осуществляет акустооптическое преобразование (преобразует акустическое колебание в объекте в изменение свойств оптического излучения), далее в блоке-регистраторе осуществляется вторичное преобразование свойств оптического излучения в электрический сигнал. Физически в схеме используется интерференционная методика измерения колебаний фазы оптической волны одновременно в двух спектральных каналах.

Известны различные конструкции датчиков акустической эмиссии (АЭ) и систем на их основе. Наиболее распространены системы, построенные на базе пьезоэлектрических преобразователей АЭ. (RU 2012126743 A, RU 96102359 А). Во всех таких конструкциях сигнал АЭ преобразуется в колебания элемента из пьезокерамики. Возникающее в результате пьезоэлектрического эффекта напряжение на электродах элементы, считывается системой регистрации.

Недостатком пьезоэлектрических преобразователей является необходимость использования металлических проводов для передачи сигнала, что резко снижает помехозащищенность конструкции, особенно в условиях сложной электромагнитной обстановки. Кроме того, пьезоэлектрические ПАЭ обладают сильно неравномерной АЧХ с ярко выраженными резонансами, что затрудняет спектральный анализ широкополосных сигналов.

Существуют распределенные оптические сенсоры акустической эмиссии US 2010315630 (А1). В таких конструкциях используется зависимость рэлеевского либо рамановского рассеяния от внешних воздействий на волокно. Их недостатком является сложность и дороговизна аппаратуры, а также сложность количественного анализа сигналов.

Наиболее близкими с точки зрения конструкции и технической сущности датчиков и системы обработки являются модели US 5832157 А и ЕР 3669146 (А1), взятые за прототип. В обоих случаях датчиков имеет вид интерферометра Фабри-Перо. В первом варианте резонатор формируется в воздушном зазоре между двумя торцами оптического волокна. Вся конструкция собирается в капилляре. Недостатком такой схемы является низкий оптический контраст такого резонатора и сложность его изготовления.

Во втором случае в качестве датчика АЭ используются две волоконные брэгговские решетки, также формирующие резонатор Фабри-Перо. Недостатком данного варианта является частотная зависимость коэффициента отражения зеркал от температуры ВОД.

В качестве системы обработки в обоих случаях предложено применять либо качающийся по длине волны лазер, либо спектрометр, либо внешнюю линию задержки. Недостатком данных схем являются сложность их реализации и ограничение в быстродействие. Характерные частоты сканирования спектрометра или длины волны лазера не превышают единиц килогерц.

По сравнению с прототипом новое устройство имеет ряд преимуществ:

- простота конструкции;

- источники света работают в стационарном режиме без модуляции;

- большой динамический диапазон;

- калибровка датчиков непосредственно в устройстве;

- нерезонансный характер АЧХ системы ВОД + схема обработки.

Задача изобретения состоит в реализации технического решения, позволяющего упростить конструкцию волоконно-оптической системы детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии и создать систему регистрации, малочувствительную к дрейфу длины резонатора.

Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптическая система детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии содержит два лазерных диода, подключенных к мультиплексору DWDM, выход которого подключен к оптоволоконному делителю, каждый выход которого подключен к первому порту оптического циркулятора, а ко второму порту указанного циркулятора подключен волоконно-оптический датчик, представляющий собой волоконный интерферометр, выход оптического циркулятора подключен к DWDM демультиплексору, выходы указанного демультиплексора соединены с входами двух оптоволоконных фотоприемников, причем рабочие длины волн лазерных диодов выбираются так, чтобы разность их значений составляла не менее одного периода стандартной сетки частот DWDM, при этом разность длин плеч интерферометра подбирается таким образом, чтобы при воздействии на него гармонических механических колебаний в рабочем диапазоне частот разность фаз сигналов напряжения на выходах оптоволоконных фотоприемников составляла π/2.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на фиг. 1 которого приведена когерентная схема с квадратурным каналом, а на фиг. 2 представлена зависимость чувствительности датчика при изменении длины резонатора.

Два лазерных диода 1 подключены к мультиплексору DWDM 2. Выход мультиплексора 2 подключен к оптоволоконному делителю 1×N3. Каждый выход делителя 3 подключен к первому порту оптического циркулятора 4, а ко второму порту циркулятора 4 подключен волоконно-оптический датчик акустической эмиссии (ВОД АЭ) 5, представляющий собой двухлучевой интерферометр с необходимой разностью длин плеч.

Разность длин плеч интерферометра подбирается таким образом, чтобы удовлетворялось условие квадратуры с нужной точностью. Выход циркулятора 4 подключен к DWDM демультиплексору 6, а выходы демультиплексора 6 соединены со входами двух оптоволоконных фотоприемников 7. Рабочие длины волн лазерных диодов 1 выбираются так, чтобы разность их значений составляла не менее одного периода стандартной сетки частот DWDM.

Свет от двух лазерных диодов 1 и 2, сдвинутых по длине волны на один либо несколько периодов стандартной сетки частот DWDM, с помощью мультиплексора DWDM 2 объединяется в одно оптическое волокно. Далее, с помощью оптоволоконного делителя 1×N 3 свет делится на нужное число каналов. Свет, отраженный от ВОД АЭ 5, поступает на DWDM демультиплексор 6 и разводится на два фотоприемника 7, по одному на каждый спектральный канал.

Опишем принцип действия двухволновой системы для регистрации малых акустических импульсов. Коэффициент отражения от любого двухлучевого интерферометра имеет следующую зависимость:

где k=2π/λ, где λ - длина волны, n - показатель преломления, d - длина резонатора.

Пусть имеется два источника с небольшим сдвигом длины волны. Каждый фотоприемник принимает сигнал на своей длине волны. Тогда напряжения на выходах фотоприемников, которые пропорциональны отраженной от резонатора мощности света, будут иметь вид:

Отметим, что в данном случае приведены выражения для нормированных значений напряжения, что всегда можно реализовать на практике предварительной калибровкой каналов.

Пусть d=d₀+Δd, где d₀ - текущая длина резонатора, Δd - малые колебания длины резонатора, вызванные прохождением акустической волны, причем Δd<<d₀. Тогда выражение (2) можно переписать как:

где Δλ - сдвиг по длине волны между каналами.

Учитывая малость сдвига длины волны и малость колебаний резонатора, вызванных сигналами АЭ, выражение для сигналов можно, путем несложных преобразований, привести к виду:

В выражении (4) видно, что сигналы на фотоприемниках отличаются слагаемым под косинусом, которое не зависит от Δd. В результате всегда можно подобрать такую Δλ, чтобы выполнялось условие:

В этом случае (4) примет вид:

Используя то, что Δd<<d₀, выражение (6), раскладывая синус и косинус, можно преобразовать:

Отсюда

В реальных условиях требование (5) выполняется с конечной точностью, причем дрейф длины резонатора приводит к колебаниям значения Δϕ. Однако небольшие отклонения Δϕ от π/2 будут приводить к небольшим колебаниям чувствительности, что обеспечивает конечный рабочий диапазон такой схемы. На фиг. 2 приведена зависимость глубины модуляции (изменения чувствительности) γ при изменении d₀.

Уменьшение чувствительности датчика вдвое происходит при изменении оптической длины резонатора примерно на 42 мкм, что соответствует относительной деформации (для датчика 7 мм)

Таким образом, предложенная методика должна позволить создать систему регистрации, малочувствительную к дрейфу длины резонатора.

В качестве ВОД АЭ может быть использован любой ВОД, представляющий собой двухлучевой интерферометр, либо

низкодобротный многолучевой. При этом для устойчивой работы системы необходимо производить отбор ВОД таким образом, чтобы ВОД, используемые на одном элементе конструкции и обрабатываемые одной системой, отличались друг от друга по разности длин плеч менее, чем на 10% от максимальной допустимой деформации.

Отбор датчиков может быть осуществлен с помощью той же измерительной системы за счет подачи небольшого возбуждения и проверки выполнения условия квадратуры по фазовому сдвигу регистрируемых колебаний в спектральных каналах.

Использование: для детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии посредством волоконно-оптической системы. Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптическая система детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии содержит два лазерных диода, подключенных к мультиплексору DWDM, выход которого подключен к оптоволоконному делителю, каждый выход которого подключен к первому порту оптического циркулятора, а ко второму порту указанного циркулятора подключен волоконно-оптический датчик, представляющий собой волоконный интерферометр, выход оптического циркулятора подключен к DWDM демультиплексору, выходы указанного демультиплексора соединены с входами двух оптоволоконных фотоприемников, причем рабочие длины волн лазерных диодов выбираются так, чтобы разность их значений составляла не менее одного периода стандартной сетки частот DWDM, при этом разность длин плеч интерферометра подбирается таким образом, чтобы при воздействии на него гармонических механических колебаний в рабочем диапазоне частот разность фаз сигналов напряжения на выходах оптоволоконных фотоприемников составляла π/2. Технический результат: обеспечение возможности упрощения конструкции волоконно-оптической системы детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии и обеспечение возможности создания системы регистрации, малочувствительной к дрейфу длины резонатора. 2 ил.

Волоконно-оптическая система детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии, содержащая два лазерных диода, подключенных к мультиплексору DWDM, выход которого подключен к оптоволоконному делителю, каждый выход которого подключен к первому порту оптического циркулятора, а ко второму порту указанного циркулятора подключен волоконно-оптический датчик, представляющий собой волоконный интерферометр, выход оптического циркулятора подключен к DWDM демультиплексору, выходы указанного демультиплексора соединены с входами двух оптоволоконных фотоприемников, причем рабочие длины волн лазерных диодов выбираются так, чтобы разность их значений составляла не менее одного периода стандартной сетки частот DWDM, при этом разность длин плеч интерферометра подбирается таким образом, чтобы при воздействии на него гармонических механических колебаний в рабочем диапазоне частот разность фаз сигналов напряжения на выходах оптоволоконных фотоприемников составляла π/2.