Способ опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток, основанный на использовании времяпролетного датчика расстояния Российский патент 2024 года по МПК G01J3/18 H04B10/71 

Изобретение относится к измерительной (сенсорной) технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения деформации, температуры, давления и других физических величин.

Изобретение может найти применение в таких областях, как строительство зданий, сооружений, мостов и тоннелей; в энергетической отрасли для АЭС, ТЭЦ, ГЭС.

Волоконно-оптические датчики (например, датчики деформаций, температуры, расходомеры, анемометры) доказали свою привлекательность в качестве альтернативы своим традиционным механическим или электромагнитным аналогам благодаря своим многочисленным уникальным преимуществам, таким как малый размер и вес, устойчивость к электромагнитным помехам, возможность дистанционного зондирования, устойчивость в радиационных средах и возможности проведения распределенных измерений.

Существует множество вариантов изготовления датчиков в оптических волокнах, использующих различные физические принципы.

Известен способ определения деформации и температуры, за счет сдвига частоты Релеевского рассеяния и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с помощью оптоволоконного распределённого датчика деформации и температуры (EP2362190, МПК G01B11/16, G01D5/353, опубл. 2011.08.31, RU2482449C2). Данный способ предлагается использовать, например, для регистрации утечек на подземных газопроводах.

Известны распределенные датчики температуры на основе сдвига частот комбинационного (Рамановского) рассеяния (GB2608076 (A), опубл. 2022-12-21).

Известен способ опроса оптоволоконного датчика на основе резонатора Фабри-Перо (US10520355, МПК G01F1/688, G01H9/00, опубл. 2019.12.31), позволяющий фиксировать деформацию, температуру или давление в среде.

По патенту RU 2319988 (МПК G01D5/353, G02B6/00, G02B6/34, опубл. 2008-03-20) известен оптоволоконный датчик температуры и деформации на брегговских решетках, расположенных в оптическом волокне, содержащий источник, распределенные по оптическим волокнам ВБР, делитель света и анализатор спектра.

Описанные в работах (H. Ding, D. Grobnic, C. Hnatovsky, P. Lu, R. B. Walker and S. J. Mihailov, Sapphire fiber Bragg grating coupled with graded-index fiber lens //Photonics North (PN), Quebec City, QC, Canada. – 2019 –. pp. 1-1, doi: 10.1109/PN.2019.8819550.) волоконно-оптические датчики температуры на брегговских решетках в кристаллических волокнах могут применяться в условиях температур, превышающих температуры использования датчиков на кварцевых волокнах.

Системы, позволяющие регистрировать изменения деформации, температуры, смещения, давления и др. также отличаются значительным разнообразием схем исполнения. Системы, включающие в себя источник, оптический анализатор спектра и процессор, вычисляющий резонансные длины волн, а также температуры, деформации, давления и другие физические величины, в литературе называются интеррогаторами или анализаторами спектра.

В работе (Todd M. D., Johnson G. A., Althouse B. L. A novel Bragg grating sensor interrogation system utilizing a scanning filter, a Mach-Zehnder interferometer and a 3×3 coupler //Measurement science and technology. – 2001. – V. 12. – №7. – P. 771.) описана система с интерферометром Маха-Цендера, по интерференции детектирующая сдвиг резонансной длины волны брегговской решетки.

По патенту (RU 192705 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», МПК G01M 11/00, опубл. 26.09.2019) известна система, использующая один или несколько перестраиваемых источников излучения, управляемых процессором, с последующим анализом отражения для сканирования волоконных брегговских решеток.

Все указанные выше системы и способы их работы, позволяющие использовать оптоволоконные датчики температуры, деформации, давления и пр. по типу источника излучения можно условно разделить на перестраиваемые и системы, использующие источники с широким спектром излучения. В сканирующих способах один или несколько источников с узкой шириной генерации спектра, перестраивая длину волны, «сканируют» волоконную брегговскую решетку, получая максимальный коэффициент отражения на резонансной длине волны , связанной с периодом решетки соотношением:

(1)

где - порядок дифракции.

Другие способы используют один или несколько источников с широким спектром излучения, которое отражаясь от ВБР попадает в спектральный прибор (анализатор спектра), с помощью которого определяется длина волны, равная или кратная . Принцип действия такой системы поясняется на фиг.1, где один или несколько сенсорных элементов 1 на основе брегговских решеток, записанных в одном или нескольких оптических волокнах 2, отражают или пропускают световой сигнал 3 с широкополосного от источника 4 на резонансной длине волны , которая зависит от деформации или температуры датчика. Далее отраженный сигнал 5 по оптоволокну через оптоволоконный делитель света 6, либо прошедший сигнал 7, напрямую поступает в оптический анализатор спектра 8, который отслеживает положение спектрального пика в спектре отражения или провала в спектре пропускания и позволяет определить деформацию или температуру датчика

Общим недостатком этих систем и способов их работы можно назвать сложность исполнения в части коммутации различных устройств, входящих в них, общая громоздкость и сложность конструкции. Кроме того, для того чтобы обеспечить определенный широкий диапазон измерения температуры, давления и пр. необходим либо широкий спектральный диапазон источника излучения или накладывающиеся диапазоны излучения нескольких источников, либо один или несколько перестраиваемых лазеров для сканирования излучением этих источников брегговской решетки и нахождения резонансной длины волны. Источник должен быть достаточной яркости, чтобы обеспечить высокую чувствительность способа измерения температуры, давления, деформации и пр. Оптический анализатор спектра должен иметь соответствующий источнику рабочий спектральный диапазон и высокое разрешение.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ работы интеррогатора, описанный в работе [Wang Y. et al. A large serial time-division multiplexed fiber Bragg grating sensor network //Journal of Lightwave Technology. – 2012. – Т. 30. – №. 17. – С. 2751-2756], в котором свет от перестраиваемого лазера осуществлял сканирование длиной волны большого числа волоконных брегговских решеток (около 1000 штук), находящихся на разном расстоянии от источника. Частотное сканирование лазером обеспечивало регистрацию отраженного от волоконных брегговских решеток (далее ВБР) сигнала, а скоростной приемник излучения (фотодиод) позволял определять по времени от какой именно решетки из 1000 штук произошло то или иное отражение в спектре. Недостатки данной системы заключены в использовании в качестве источника перестраиваемого лазера. Использование такого источника ввиду низкой спектральной эффективности перестраиваемого лазера потребовало использование трёх волоконных эрбиевых усилителей и перестраиваемого полосового фильтра для подавления помех, вызванных усилителями. Все эти дополнительные элементы значительно увеличивают габариты системы/устройства и сложность изготовления конструкции в части сопряжения множества оптических элементов. Заявленная точность в осуществлении способа составляет в определении температуры 2°C для 80% ВБР. Быстродействие работы способа ограничено частотой перестраиваемого лазера с диапазоном длин волн 50 нм и скоростью перестраивания длины волны 20 нм/с и составляет 0,4 Гц. Виброустойчивость такой системы также невелика ввиду сложности и громоздкости конструкции и большого числа сопряженных оптических элементов.

Технический результат изобретения направлен на упрощение работы способа при увеличении быстродействия опроса системы и точности измерений в сравнение с прототипом.

Поставленный технический результат достигается тем, что способ опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток характеризуется тем, что в оптическом волокне создают, по крайней мере, одну волоконную брегговскую решетку (ВБР), на которую направляют свет, по крайней мере, от одного источника излучения, а отраженный от ВБР сигнал подают на приемник излучения, передающий его далее на вычислительный процессор, в котором путем применения времяпролетного метода определяют расстояние до попавших в резонанс ВБР, а по изменениям этого расстояния рассчитывают изменение температуры или натяжения в точке нахождения ВБР.

В частном случае реализации способа в качестве источника излучения используют монохроматический источник. В частном случае реализации способа в качестве источника монохроматического излучения используют лазер или лазер со стабилизацией длины волны для повышения точности измерений. В частном случае реализации способа используют несколько источников излучения на одной или разных длинах волн.

Технический результат достигается также тем, что на этапе передачи сигнала от источника в оптическое волокно и далее при подаче отраженного от ВБР сигнала на приемник, используют делитель света для разделения света, испускаемого источником и отраженного от ВБР, направляемого в детектор. При этом, в частности, в качестве делителя света используют волоконный оптический делитель.

В частном случае реализации способа в качестве источника излучения и приемника излучения используют dTOF-сенсор.

В частном случае реализации способа используют одну или несколько волоконных брегговских решеток, до которых, в случае изменения условий резонансного отражения от них, определяют расстояние для построения теплового поля объекта или эпюры его деформаций.

В частном случае реализации способа используют серии волоконных брегговских решеток с близкими перекрывающимися спектрами, позволяющими в одной точке измерить температуру или натяжение с множеством градаций серого

В частном случае реализации способа в качестве источника излучения и приемника излучения используют iTOF-сенсор.

В частном случае реализации способа используют одну или несколько волоконных брегговских решеток, до которых, в случае изменения условий резонансного отражения от них, определяют среднее расстояние с учетом веса каждой волоконной брегговской решетки, определяемого её коэффициентом отражения.

В частном случае реализации способа используют волоконные брегговские решетки, расположенные в дополнительном плече волоконного делителя.

В частном случае реализации способа используют чирпированные волоконные брегговские решетки.

Сущность изобретения поясняется далее графическими материалами:

- фиг. 1 – схема устройства состояния техники для осуществления способа опроса ВБР с анализатором спектра;

- фиг. 2 – схема устройства для осуществления заявленного способа;

- фиг. 3 –схема устройства для реализации настоящего способа с оптическим делителем, где позициями обозначено: 1 – ВБР, 2 – оптическое волокно, 4 – источник, 9 – приемник, 10 – процессор, 11 – оптический делитель;

- фиг. 4 –график зависимости сигнала TOF (time of flight) от координаты ВБР «среагировавших» на температуру/натяжение в образце;

- фиг. 5 – график зависимости спектрального отклика ВБР внутри одной серии решеток с перекрытием спектров отражения;

- фиг. 6 – схема устройства с каскадом серий ВБР для адресного определения температуры или натяжения, где позициями обозначено: 1 – серии ВБР, 2 – оптическое волокно, 4 – источник, 9 – приемник, 10 – процессор, 11 – оптический делитель;

- фиг. 7 – схема устройства с решеткой сравнения, где позициями обозначено: 1 – ВБР, 2 – оптическое волокно, 4 – источник, 9 – приемник, 10 – процессор, 11 оптический делитель (Y-сплиттер), 12 – ВБР сравнения.

фиг. 8 – схема устройства с Х-сплиттером и решетками сравнения в одном из плеч, где позициями обозначено: 1 – измерительные ВБР, 2 – оптическое волокно, 4 – источник, 9 – приемник, 10 – процессор, 11 – оптический делитель (Х-сплиттер), 12 – ВБР сравнения.

фиг. 9 – график зависимости определяемого ITOF средневзвешенного расстояния до контрольной ВБР (1700 мм) и опорной ВБР (200 мм) в зависимости от натяжения контрольной ВБР;

фиг. 10 – график взаимного расположения чирпированной решетки и спектра источника при нагреве/растяжении;

фиг. 11 – график взаимного расположения чирпированной решетки и спектра источника при охлаждении/сжатии.

На фиг. 2 представлена общая схема устройства, реализующего заявленный способ. В нём свет от источника (4) попадает в оптическое волокно (2), содержащее одну или несколько ВБР (1), способных при определенных температурных изменениях или деформациях резонансно отражать свет источника и посылать его на приемник (9), после чего в процессоре (10) с использованием времяпролетного метода определяют расстояние до попавших в резонанс ВБР и пересчитывают температуру или деформацию в области нахождения каждой из ВБР. Если сигнал источника не соответствует резонансной длине волны ВБР, то свет источника не отражается от неё, и не попадает в расчет времяпролетного метода, который перестает воспринимать данную ВБР как «препятствие».

Технический результат достигается использованием монохроматического источника излучения, позволяющего повысить точность измерения за счет малой ширины спектра. Кроме того, использование монохроматического источника значительно упрощает конструкцию устройства опроса в сравнение с прототипом и снимает ограничения на быстродействие системы, связанное с работой перестраиваемого лазера в прототипе. В качестве источника монохроматического излучения также можно использовать лазер, длина волны которого может быть стабилизирована для дальнейшего повышения точности измерения. Низкая стоимость, малый размер и узкополосность спектра излучения лазера позволяют сократить размеры, увеличить быстродействие и повысить виброустойчивость устройства для реализации способа. Использование нескольких источников позволит повысить точность измерения за счет сравнения результатов, полученных для разных длин волн, длительностей импульса и ширины их спектра.

Кроме того, возможно использование оптического делителя для разделения пучков света, входящего и выходящего из волокна с тем, чтобы выходящий пучок направлять непосредственно на приемник излучения. В качестве оптического делителя может использоваться волоконно-оптический делитель (сплиттер), что позволяет сделать устройство компактным, упростить его конструкцию и снизить его стоимость. Схема с оптическим делителем представлена на фиг. 3. Так, свет, испущенный источником (4), попадает через оптический делитель (11) в оптическое волокно (2), и отражаясь от одной или нескольких ВБР (1), направляется через оптический делитель (11) на приемник излучения (9), после чего в процессоре (10) путем применения времяпролетного метода определяется расстояние до находящихся в резонансе с источником ВБР. Это расстояние позволяет определять температуру или натяжение в точках расположения ВБР. Использование оптического делителя позволит отделить свет, отраженный от торца оптического волокна (2), и не направлять его в приемник излучения, что повышает точность определения расстояния до ВБР, т.к. в противном случае торец волокна будет восприниматься времяпролетным методом как препятствие, до которого необходимо вычислить расстояние.

Также решение поставленной задачи достигается использованием TOF (Time Of Flight) сенсора для реализации времяпролетного метода определения расстояния до нескольких ВБР. TOF сенсор, объединяющий в себе импульсный когерентный источник и скоростной приемник излучения, позволяет повысить быстродействие способа, добиться улучшения виброустойчивости и позволяет вычислять расстояние до каждой ВБР, от которой отразился сигнал источника, как показано на фиг. 4. Наличие отраженного сигнала обозначает, что ВБР вошла в резонанс с источником по причине изменения температуры или натяжения в области нахождения ВБР. Так, изображенный на фиг. 4 сигнал показывает, что ВБР, расположенные на расстоянии 1000, 1700, 2600, 3500 и 4200 мм вошли в резонанс, т.е. достигли определенного значения температуры или натяжения. Наличие множества отраженных сигналов позволяет рассчитать карту распределения температур или эпюры напряжений, или деформаций внутри исследуемого образца. Чтобы повысить точность определения температуры или деформации в заданной области можно воспользоваться либо анализом амплитуды отраженного от ВБР сигнала, которая будет меняться по мере смещения спектра отражения ВБР относительно спектра источника, либо использовать серии ВБР, расположенные в одной и той же точке исследуемого образца, но при этом расположенные на разном расстоянии от источника (что может быть обеспечено особой прокладкой волокна). Спектры отражения ВБР внутри такой серии могут быть перекрывающимися (см. фиг. 5) для обеспечения непрерывного контроля за температурой или натяжением в заданном диапазоне. Количество серий определяется необходимостью измерения температуры или деформации в нескольких точках образца. Серии расположены друг от друга на расстояниях много больше, чем расстояние между ВБР внутри одной серии как показано на схеме (см. фиг. 6).

Также решение поставленной задачи достигается использованием iTOF (indirect TOF) сенсора в качестве источника и приемника излучения для реализации времяпролетного метода определения расстояния до ВБР. Данный вариант исполнения TOF сенсора отлично подходит для исполнения с одной единственной ВБР, при этом позволяет также добиваться компактности и виброустойчивости устройства для реализации способа, при сохранении точности и увеличении быстродействия. iTOF сенсор на выходе выдает одно значение расстояния до препятствия. Если препятствий несколько, и они полупрозрачны для источника, то на выходе iTOF сенсора будет средневзвешенное значение расстояния до препятствий, с весами, определяемыми количеством света, отраженного от препятствия. При использовании iTOF сенсора без специальной волоконной части, свет от источника имеет большую угловую расходимость, что приводит к уменьшению интенсивности света, дошедшего до препятствия. Чем дальше расположено препятствие от источника, тем меньше света отразится от него и вернутся в приемник. При использовании в качестве передающего свет тракта оптическое волокно мы избегаем таких потерь интенсивности, связанных с расстояние до объекта. В случае использования нескольких ВБР результатом вычисления расстояния до них будет среднее расстояние с учетом веса отражения от каждой из ВБР, зависящим от близости резонансной длины волны ВБР к спектру источника. Данный вариант можно реализовать с помощью ВБР сравнения, расположенной на небольшом расстоянии от источника, как показано на фиг.7, и, притом, термо- и тензостабилизированной и дающей небольшой коэффициент отражения от источника. Далее в образце расположены одна или несколько ВБР, которые в случае резонансного вхождения их спектра отражения в спектр источника будут «перетягивать» на себя результат вычисления расстояния до ВБР ввиду малого веса решетки сравнения.

Также решение поставленной задачи достигается использованием решеток сравнения в дополнительном плече оптического делителя, как показано на фиг. 8. В случае использования, например, волоконного делителя 2 в 2 (X-сплиттер) можно использовать второе плечо и расположить в нём ВБР сравнения. Во-первых, с их помощью можно сравнивать и уточнять данные о температуре и деформации в заданных точках в случае нестабильности длины волны источника. Если длина волны источника изменится, синхронно поменяются коэффициенты отражения решеток сравнения и измерительных решеток. Если длина волны источника стабильна, то поменяются коэффициенты отражения только измерительных решеток, а коэффициенты отражения решеток сравнения останутся неизменными. Во-вторых, с помощью таких решеток сравнения, расположив их в одном месте с решетками в основном измерительном плече, можно разделить вклады температуры и деформации в случае одновременного воздействия этих полей. В-третьих, использование дополнительных ВБР в свободном, не измерительном плече, может позволить увеличить точность и количество градаций серого определения температур и деформаций при невозможности расположения одного волокна с нужным количеством измерительных точек ввиду ограничений по изгибу самого волокна. Например, в ходе проведенного эксперимента была использована такая конфигурация с дополнительной ВБР в неизмерительном плече на расстоянии 200 мм от источника, которая давала слабый отраженный сигнал с коэффициентом отражения порядка 1%, который, будучи взвешенным с основным сигналом от ВБР не в резонансе с коэффициентом отражения около 7%, расположенном на расстоянии 1700 мм от источника, давал значение в определении расстояния до ВБР на уровне 1505-1510 мм. Затем оптическое волокно в области второй ВБР деформировалось, решетка входила в резонанс, и увеличивался ее коэффициент отражения до 40%. Натяжение волокна контролировалось динанометром в диапазоне весов от 0 до 0,68 кг, что соответствует натяжению до 540 МПа или относительному удлинению 0,75%, что для кварцевого волокна находится внутри границ применимости закона Гука и составляет примерно 1/10 от его удлинения до разрушения и соответствует изменению температуры на 800°С. В результате была получена зависимость определенного расстояния от натяжения, показанная на фиг. 9. Данная зависимость имеет линейный характер, а моменты отклонения от линейной зависимости возникают из-за проскальзывания волокна в зажимах.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что могут быть использованы чирпированные ВБР или ВБР с переменным периодом для расширения диапазона измерения температур и деформаций и повышения точности.

Использование чирпированной решетки позволяет расширить диапазон измерения за счет большей ширины склона спектрального отклика ВБР и дифференциации температуры или деформации в зависимости от коэффициента отражения, что повышает точность измерения. При использовании ВБР «на нагрев» или «на растяжение» спектральный отклик ВБР располагается относительно спектра источника со стороны коротких волн и имеет форму, показанную на рисунке фиг. 10. При использовании ВБР «на охлаждение» или «на сжатие» спектральный отклик ВБР располагается относительно спектра источника со стороны длинных волн и имеет форму, показанную на фиг. 11. При изменении температуры или деформации в области ВБР спектр источника сканируется широким фронтом чирпированной ВБР и обеспечивает больший диапазон измерения. Кроме того, использование чирпированной ВБР длины много большей чем точность определения расстояния времяпролетным методом может позволить создать распределенный датчик изменения температуры или деформации с указанием точного места возникновения такого изменения.

Изобретение относится к измерительной (сенсорной) технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения деформации, температуры, давления и других физических величин. Заявленный способ опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток характеризуется тем, что в оптическом волокне создают, по крайней мере, одну волоконную брегговскую решетку (ВБР), на которую направляют свет, по крайней мере, от одного источника излучения, а отраженный от ВБР сигнал подают на приемник излучения, передающий его далее на вычислительный процессор, в котором путем применения времяпролетного метода определяют расстояние до попавших в резонанс ВБР. По изменениям этого расстояния рассчитывают изменение температуры или натяжения в точке нахождения ВБР. Технический результат - упрощение работы способа при увеличении быстродействия опроса системы и точности измерений в сравнении с прототипом. 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток, характеризующийся тем, что в оптическом волокне создают, по крайней мере, одну волоконную брегговскую решетку (ВБР), на которую направляют свет, по крайней мере, от одного источника излучения, а отраженный от ВБР сигнал подают на приемник излучения, передающий его далее на вычислительный процессор, в котором путем применения времяпролетного метода определяют расстояние до попавших в резонанс ВБР, а по изменениям этого расстояния рассчитывают изменение температуры или натяжения в точке нахождения ВБР.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют монохроматический источник.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве источника монохроматического излучения используют лазер.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве источника монохроматического излучения используют лазер со стабилизацией длины волны для повышения точности измерений.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют несколько источников излучения на одной или разных длинах волн.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе передачи сигнала от источника в оптическое волокно и далее при подаче отраженного от ВБР сигнала на приемник используют оптический делитель для разделения света, испускаемого источником и отраженного от ВБР, направляемого в детектор.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве оптического делителя используют волоконный оптический делитель.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения и приемника излучения используют dTOF-сенсор.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют одну или несколько волоконных брегговских решеток, до которых, в случае изменения условий резонансного отражения от них, определяют расстояние для построения теплового поля объекта или эпюры его деформаций.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют серии волоконных брегговских решеток с близкими перекрывающимися спектрами, позволяющими в одной точке измерить температуру или натяжение с множеством градаций серого.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения и приемника излучения используют iTOF-сенсор.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют одну или несколько волоконных брегговских решеток до которых, в случае изменения условий резонансного отражения от них, определяют среднее расстояние с учетом веса каждой волоконной брегговской решетки, определяемого её коэффициентом отражения.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют волоконные брегговские решетки, расположенные в дополнительном плече волоконного оптического делителя.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют чирпированные волоконные брегговские решетки.