Волоконно-оптическая измерительная система Российский патент 2024 года по МПК G01D5/26 G01B9/02 

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа регистрации параметров, получаемых с датчиков основанных на волоконных Брэгговских решетках (ВБР).

Известен способ контроля спектральных параметров волоконной брэгговской решетки (патент RU 2602998 С1), предполагающий использование перестраиваемого по длине волны излучения лазера, измерение отраженного от ВБР излучения, преобразование измеренного излучения в спектр ВБР с помощью предварительно построенной нормировочной кривой, характеризующей временную динамику изменения центральной длины волны излучения лазера. Техническим результатом данного способа является простота оптической схемы устройства и высокая точность измерений.

Недостаток этого устройства заключается в ограниченной скорости сканирования по спектру, и, как следствие, скорости опроса ВБР-датчиков, наличии существенной величины оптических потерь.

Известна также волоконно-оптическая измерительная система (патент RU 2520963 C2), содержащая широкополосный источник излучения облучающий ВБР-датчики широким спектром и перестраиваемый элемент, установленный перед фотоприемником, осуществляющий селекцию по длинам волн и таким образом ведущий поиск центральной длины волны отражения от ВБР-датчика. 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.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого устройства заключается в низкой скорости работы системы из-за присутствия в ней электрооптических сканирующих элементов.

Технический результат изобретения заключается в повышений скорости работы волоконно-оптическая измерительная системы, которая ограничивается только амплитудно-частотной характеристикой применяемых первым и вторым фотоприемником и скоростью обработки данных блоком управления и обработки, что достигается отсутствием в системе электрооптических сканирующих элементов.

Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптической измерительной системе, включающей широкополосный источник излучения, первый оптический разветвитель, с по меньшей мере двумя оптоволоконными выходами, по меньшей мере один циркулятор, содержащий по меньшей мере один оптоволоконный выход для подключения ВБР-датчиков, первый фотоприемник и блок управления и обработки, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с первым оптическим разветвителем, один из выходов которого соединен с входом циркулятора, прямой выход которого соединен с волоконно-оптическими датчиками, а обратный выход - с приемным трактом, с помощью которого происходит селекция по длине волны отраженного сигнала, и подключенным к первому фотоприемнику, который в свою очередь подключен к блоку управления и обработки, приемный тракт представлен в виде второго оптического разветвителя, который в свою очередь соединен с первым спектральным фильтром и вторым спектральным фильтром, каждый из которых соответственно соединены с первым фотоприемником и вторым фотоприемником.

На прилагаемых графических материалах изображена схема волоконно-оптической измерительной системы.

Волоконно-оптическая измерительная система включает широкополосный источник излучения 1 и первый оптический разветвитель 2, с по меньшей мере двумя оптоволоконными выходами. В качестве широкополосного источника излучения 1 можно использовать, например перестраиваемый лазер UCI TL8500. В качестве первого оптического разветвителя 2 можно использовать, например разветвитель PCE-PLC-OM 1×4 Модель 05 производства ООО «Оптел». Волоконно-оптическая измерительная система включает также по меньшей мере один циркулятор 3, содержащий по меньшей мере один оптоволоконный выход для подключения ВБР-датчиков 4. В качестве циркулятора 3 можно использовать, например циркулятор CIR-3-15 производства AFW TECHNOLOGIES. В качестве ВБР-датчиков 4 можно использовать, например датчики серии OS4300 производства MicronOptics, США. Волоконно-оптическая измерительная система включает также первый фотоприемник 5 и блок управления и обработки 6. В качестве первого фотоприемника 5 можно использовать, например фотодиод серии 2651Е производства компании EMCORE. В качестве блока управления и обработки 6 можно использовать, например блок управления и обработки, содержащий, по меньшей мере, схемы управления перестраиваемым лазером 1, схемы усиления сигнала с фотоприемников 5 и 10 и аналогово-цифровой преобразователь для преобразования сигналов. При этом выход широкополосного источника излучения 1 соединен с первым оптическим разветвителем 2, один из выходов которого соединен с входом циркулятора 3, прямой выход которого соединен с волоконно-оптическими датчиками 4, а обратный выход - с приемным трактом, с помощью которого происходит селекция по длине волны отраженного сигнала, и подключенным к первому фотоприемнику 5. При этом первый фотоприемник 5, в свою очередь, подключен к блоку управления и обработки 6. В качестве отличительных признаков приемный тракт представлен в виде второго оптического разветвителя 7, который в соединен с первым спектральным фильтром 8 и вторым спектральным фильтром 9. В качестве второго оптического разветвителя 7 можно использовать, например разветвитель PCE-PLC-OM 1×2 Модель 05 производства ООО «Оптел». В качестве первого спектрального фильтра 8 и второго спектрального фильтра 9 можно соответственно использовать, например, длинноволновые, коротковолновые или краевые светофильтры, например NorthumbriaOpticalCoatingsLimited SLWP-1492-001491 и SSWP-1544-001374 соответственно. При этом первый спектральный фильтр 8 и второй спектральный фильтр 9 соединены с первым фотоприемником 5 и вторым фотоприемником 10. Причем в качестве второго фотоприемника 10 можно использовать, например фотодиод серии 2651Е производства компании EMCORE.

То, что приемный тракт представлен в виде второго оптического разветвителя 7, который в свою очередь соединен с первым спектральным фильтром 8 и вторым спектральным фильтром 9, которые также соединены с первым фотоприемником 5 и вторым фотоприемником 10 приводит к тому, что скорость работы системы повышается, благодаря отсутствию в системе механических и электрооптических сканирующих элементов.

Устройство работает следующим образом. Широкополосный источник излучения 1 формирует непрерывное излучение в широком спектральном диапазоне и направляет его по оптоволокну на первый оптический разветвитель 2, который разделяет излучение в равных пропорциях на каждый из своих выходов, формируя несколько каналов распространения излучения, работающих идентично. Каждый из выходов первого оптического разветвителя 2 подключается к циркулятору 3, который пропускает излучение, распространяющееся в прямом направлении от первого оптического разветвителя 2 к ВБР-датчикам 4, а в обратном направлении - от ВБР-датчиков 4 к первому фотоприемнику 5. ВБР-датчики 4 на основе волоконной брегговской решетки, отражают узкую спектральную полосу излучения в обратную сторону - на циркулятор 3. Остальная спектральная область излучения проходит дальше по оптическому волокну, где могут быть установлены аналогичные ВБР-датчики 4, второй, третий и т.д. ВБР-датчики. Причем, центральная длина волны спектральной полосы отражения пропорциональна периоду решетки ВБР-датчиков 4, а при внешних воздействиях на ВБР-датчики 4, период его решетки изменяется. Таким образом, центральная длина волны отраженного от ВБР-датчиков 4 узкополосного спектра пропорциональна внешнему воздействию на ВБР-датчики 4. Отраженное от ВБР-датчиков 4 излучение попадает на циркулятор 3 и проходит его в направлении второго оптического разветвителя 7. Второй оптический разветвитель 7 разделяет сигнал от ВБР-датчиков 4 в соотношении 50%/50% по амплитуде. К каждому из выходов второго оптического разветвителя 7 подключены соответственно первый спектральный фильтр 8 и второй спектральный фильтр 9, а также первый фотоприемник 5 и второй фотоприемник 10. Причем, первый спектральный фильтр 8 и второй спектральный фильтр 9 могут быть выполнены как в качестве отдельных элементов, так и в качестве покрытия на входных окнах первого фотоприемника 5 и второго фотоприемника 10. Спектральные характеристики первого спектрального фильтра 8 и второго спектрального фильтра 9 подбираются таким образом, чтобы при изменении длины волны падающего излучения, регистрируемая амплитуда сигнала на первом фотоприемнике 5 и втором фотоприемнике 10 менялась разнонаправлено. Например, при увеличении длины волны, амплитуда сигнала падала на первом фотоприемнике 5 и увеличивалась на втором фотоприемнике 10, или наоборот. Таким образом, используя известные спектральные характеристики первого спектрального фильтра 8 и второго спектрального фильтра 9 в качестве калибровочных кривых, изменения регистрируемых первым фотоприемником 5 и вторым фотоприемником 10 амплитуд, можно однозначно перевести в длину волны, которая пропорциональна внешнему воздействию на ВБР-датчиках 4.

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа регистрации параметров, получаемых с датчиков, основанных на волоконных Брэгговских решетках (ВБР). Заявленная волоконно-оптическая измерительная система включает широкополосный источник излучения (1), первый оптический разветвитель (2), с по меньшей мере двумя оптоволоконными выходами, по меньшей мере один циркулятор (3), содержащий по меньшей мере один оптоволоконный выход для подключения ВБР-датчиков (4), первый фотоприемник (5) и блок управления и обработки (6). При этом выход широкополосного источника излучения (1) соединен с первым оптическим разветвителем (2), один из выходов которого соединен с входом циркулятора (3), прямой выход которого соединен с волоконно-оптическими датчиками (4), а обратный выход - с приемным трактом, с помощью которого происходит селекция по длине волны отраженного сигнала, и подключенным к первому фотоприемнику (5), который, в свою очередь, подключен к блоку управления и обработки (6). Приемный тракт представлен в виде второго оптического разветвителя (7), который, в свою очередь, соединен с первым спектральным фильтром (8) и вторым спектральным фильтром (9), которые также соединены с первым фотоприемником (5) и вторым фотоприемником (10). Технический результат - повышение скорости работы системы. 1 ил.

Волоконно-оптическая измерительная система, включающая широкополосный источник излучения (1), первый оптический разветвитель (2), с по меньшей мере двумя оптоволоконными выходами, по меньшей мере один циркулятор (3), содержащий по меньшей мере один оптоволоконный выход для подключения ВБР-датчиков (4), первый фотоприемник (5) и блок управления и обработки (6), при этом выход широкополосного источника излучения (1) соединен с первым оптическим разветвителем (2), один из выходов которого соединен с входом циркулятора (3), прямой выход которого соединен с волоконно-оптическими датчиками (4), а обратный выход - с приемным трактом, с помощью которого происходит селекция по длине волны отраженного сигнала, и подключенным к первому фотоприемнику (5), который, в свою очередь, подключен к блоку управления и обработки (6), отличающаяся тем, что приемный тракт представлен в виде второго оптического разветвителя (7), который, в свою очередь, соединен с первым спектральным фильтром (8) и вторым спектральным фильтром (9), которые также соединены с первым фотоприемником (5) и вторым фотоприемником (10).