RU2783171C1 - Method and apparatus for polling sensor elements of fibre bragg gratings through the end of the fibre using an annular speckle pattern - Google Patents
Method and apparatus for polling sensor elements of fibre bragg gratings through the end of the fibre using an annular speckle pattern Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783171C1 RU2783171C1 RU2021117116A RU2021117116A RU2783171C1 RU 2783171 C1 RU2783171 C1 RU 2783171C1 RU 2021117116 A RU2021117116 A RU 2021117116A RU 2021117116 A RU2021117116 A RU 2021117116A RU 2783171 C1 RU2783171 C1 RU 2783171C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fbg
- fiber
- ring
- fibre
- source
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims description 10
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 23
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 12
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 6
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 6
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится к измерительной (сенсорной) технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения деформации, температуры, давления и других физических величин.SUBSTANCE: group of inventions relates to measuring (sensor) technology, in particular to fiber-optic means for measuring deformation, temperature, pressure and other physical quantities.
Изобретение может найти применение в таких областях как: строительство зданий, сооружений, мостов и тоннелей; в энергетической отрасли - АЭС, ТЭЦ, ГЭС, трансформаторных подстанциях и др.; в горнодобывающей отрасли при разведке, строительстве и эксплуатации скважин, шахт, штолен; в нефтегазотранспортной отрасли при эксплуатации трубопроводов, хранилищ, хабов; в области вертолето- и самолетостроения при испытаниях прочностных характеристик лопастей и лопаток двигателей, элементов корпуса, а также температурных режимах работы двигателей; в области космической техники при испытании режимов работы двигателей; в других областях при наличии больших прочностных, вибрационных, радиационных и температурных нагрузок.The invention can find application in such areas as: construction of buildings, structures, bridges and tunnels; in the energy industry - nuclear power plants, thermal power plants, hydroelectric power stations, transformer substations, etc.; in the mining industry during the exploration, construction and operation of wells, mines, galleries; in the oil and gas transport industry during the operation of pipelines, storage facilities, hubs; in the field of helicopter and aircraft construction when testing the strength characteristics of the blades and blades of engines, body elements, as well as the temperature regimes of engines; in the field of space technology when testing engine operating modes; in other areas in the presence of large strength, vibration, radiation and temperature loads.
Измерение деформаций, температур, давлений имеет большое практическое значение в различных отраслях промышленности, таких как проверка пищевых продуктов, фармацевтика, разведка нефти/газа, охрана окружающей среды, высоковольтные энергетические системы, химическое производство и исследования в области океанографии. 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 для распределенных измерений.The measurement of deformations, temperatures, pressures is of great practical importance in various industries, such as food inspection, pharmaceuticals, oil / gas exploration, environmental protection, high voltage power systems, chemical production and oceanographic research. Fiber optic sensors (e.g. strain gauges, temperature gauges, flowmeters, anemometers) have proven attractive as alternatives to their traditional mechanical or electromagnetic counterparts due to their many unique advantages such as small size and weight, resistance to electromagnetic interference, remote sensing capability, stability in radiation environments and opportunities for distributed measurements.
Существует множество вариантов изготовления датчиков в оптических волокнах, использующих различные физические принципы.There are many options for manufacturing sensors in optical fibers using various physical principles.
Известен способ и устройство определения деформации и температуры, за счет сдвига частоты Релеевского рассеяния и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с помощью оптоволоконного распределенного датчика деформации и температуры (ЕР 2362190, МПК G01B 11/16, G01D 5/353, опубл. 2011-08-31). Данный способ предлагается использовать, например, для регистрации утечек на подземных газопроводах.A known method and device for determining deformation and temperature, due to the frequency shift of Rayleigh scattering and Mandelstam-Brillouin scattering using a fiber-optic distributed strain and temperature sensor (EP 2362190, IPC
Известен способ опроса оптоволоконного датчика на основе резонатора Фабри-Перо (US 10520355, МПК G01F 1/688, G01H 9/00, опубл. 2019-12-31), позволяющий фиксировать деформацию, температуру или давление в среде.There is a known method for interrogating a fiber-optic sensor based on a Fabry-Perot resonator (US 10520355, IPC G01F 1/688, G01H 9/00, publ. 2019-12-31), which allows fixing the deformation, temperature or pressure in the medium.
По патенту (RU 2319988, МПК G01D 5/353, G02B 6/00, G02B 6/34, опубл. 2008-03-20) известен оптоволоконный датчик температуры и деформации на брегговских решетках, расположенных в оптическом волокне, содержащий источник, распределенные по оптическим волокнам волоконные брегговские решетки (далее по тексту ВБР), светоделительное устройство и анализатор спектра.According to the patent (RU 2319988, IPC G01D 5/353,
Описанные в работах (Н. Ding, D. Grobnic, С. Hnatovsky, P. Lu, R.В. 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 традиционных кварцевых датчиков.Described in (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.) fiber optic temperature sensors based on Bragg gratings in crystalline fibers can be used at temperatures exceeding those of traditional quartz sensors.
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.Systems that allow recording changes in deformation, temperature, displacement, pressure, etc. are also distinguished by a significant variety of design schemes. Systems that include a source, an optical spectrum analyzer, and a processor that calculates resonant wavelengths, as well as temperatures, strains, pressures, and other physical quantities, are referred to in the literature as interrogators or spectrum analyzers.
В работе (Todd М.D., Johnson G.A., Althouse В.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.In (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. - No. 7. - P. 771.) describes a system with a Mach-Zehnder interferometer, which detects by interference the shift of the resonant wavelength of the Bragg grating.
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 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», использующая один или несколько перестраиваемых источников излучения для сканирования волоконных брегговских решеток, управляемых процессором с последующим анализом отражения.According to the patent (RU 192705 “Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings”, IPC
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 и перестраиваемой длиной волны «сканируют» волоконную брегговскую решетку по длине волны, имея максимальный коэффициент отражения на резонансной длине волны λБр связанной с периодом решетки d соотношением:All of the above systems and methods of their operation, which allow the use of fiber-optic sensors for temperature, strain, pressure, etc., according to the type of radiation source, can be conditionally divided into tunable systems and systems using sources with a wide radiation spectrum. In scanning methods, one or more sources with a narrow spectral generation width and a tunable wavelength “scan” a fiber Bragg grating along the wavelength, having a maximum reflection coefficient at the resonant wavelength λ Br related to the grating period d by the relation:
где k - порядок дифракции,. Другие способы используют один или несколько источников с широким спектром излучения, в которых при отражении определяется длина волны, равная или кратная λБр. Принцип действия такой системы поясняется на фиг. 1, где один или несколько сенсорных элементов 1 на основе брегговских решеток, записанный в одном или нескольких оптических волокнах 2, отражает или пропускает световой сигнал 3 с широким спектром, идущий от источника 4 на резонансной длине волны λБр, которая зависит от деформации или температуры датчика. Далее отраженный сигнал 5 по оптоволокну через оптоволоконное делительное устройство 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 датчикаwhere k is the diffraction order,. Other methods use one or more sources with a wide spectrum of radiation, in which the reflection is determined by a wavelength equal to or a multiple of λ Br . The principle of operation of such a system is illustrated in Fig. 1, where one or more sensor elements 1 based on Bragg gratings, recorded in one or more
Общим недостатком этих систем и способов их работы можно назвать сложность исполнения в части коммутации различных устройств, входящих в него, 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 этими источниками брегговской решетки и нахождения резонансной длины волны. Источник должен быть достаточной яркости, чтобы обеспечить чувствительность способа измерения температуры, давления, деформации и пр. Оптический анализатор спектра должен иметь определенный рабочий спектральный диапазон.A common disadvantage of these systems and methods of their operation is the complexity of execution in terms of switching the various devices included in it, the overall bulkiness and complexity of the design. In addition, in order to provide a certain wide range of measurements of temperature, pressure, etc., either a wide spectral range of the radiation source or overlapping radiation ranges of several sources is required, or one or more tunable lasers are needed to scan the Bragg grating with these sources and find the resonant wavelength. The source must be of sufficient brightness to ensure the sensitivity of the method for measuring temperature, pressure, strain, etc. An optical spectrum analyzer must have a certain operating spectral range.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ опроса сенсорных элементов ВБР (патент RU 192705 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», МПК G01M 11/00, опубл. 26.09.2019), согласно которому средства передачи света обеспечивают направление света от источника излучения к ВБР-датчикам, а отраженное от ВБР-датчиков излучение на интерферометр, подключенный через фотоприемники к процессору, который управляет процессами перестройки источника переключением оптических переключателей в составе средств передачи света и детектора и обрабатывает сигналы с фотоприемников, сопоставляя их с калибровочными данными, выдает значение текущей длины волны отражения каждого из ВБР-датчиков в линии (линиях). В качестве источника используется перестраиваемый лазерный источник (несколько лазерных источников).The closest in technical essence to the claimed invention is a method for interrogating the sensor elements of the FBG (patent RU 192705 "Multichannel signal analyzer of fiber-optic sensors based on fiber Bragg gratings", IPC
Устройство, выбранное в качестве прототипа, (патент RU192705 «Многоканальный анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брегговских решеток», МПК G01M 11/00, опубл. 26.09.2019), содержит источник излучения (перестраиваемый лазер), делительное устройство, систему фокусировки, оптические волокна, в которых размещены волоконные брегговские решетки, и вычислительный процессор.The device selected as a prototype (patent RU192705 "Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings", IPC G01M 11/00, publ. 09/26/2019), contains a radiation source (tunable laser), a splitter, a system focusing, optical fibers in which fiber Bragg gratings are placed, and a computer processor.
К основным недостаткам указанных выше способа и устройства можно отнести следующее: сложность коммутации большого числа оптических узлов и элементов, ограниченный диапазон измерений длин волн, определяемый рабочим диапазоном перестраиваемого лазера (лазеров) и невысокую скорость опроса системы, связанную с ограниченной скоростью сканирования перестраиваемым лазером рабочего диапазона спектра.The main disadvantages of the above method and device include the following: the complexity of switching a large number of optical components and elements, a limited wavelength measurement range determined by the operating range of the tunable laser (lasers) and a low system polling rate associated with the limited scanning speed of the tunable laser operating range spectrum.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании простого компактного устройства для считывания сигнала, отраженного от ВБР, а также простого способа работы этого устройства при сохранении точности измерений и увеличении быстродействия в сравнении с прототипом.The problem solved by the present invention is to create a simple compact device for reading the signal reflected from the FBG, as well as a simple way to operate this device while maintaining measurement accuracy and increasing speed compared to the prototype.
Технический результат изобретения направлен на упрощение работы способа и создание компактной схемы устройства при сохранении быстродействия опроса системы и при увеличении точности измерений.The technical result of the invention is aimed at simplifying the operation of the method and creating a compact circuit of the device while maintaining the system polling speed and increasing the measurement accuracy.
Поставленная задача и технический результат достигается тем, что способ опроса сенсорных элементов волоконных брегговских решеток через торец волокна с использованием кольцевой спекл-картины характеризуется тем, что в оптическом волокне создают, по крайней мере, одну волоконную брегговскую решетку (ВБР), свет, по крайней мере, от одного монохроматического источника излучения подают на торец оптического волокна через делительное устройство, который затем, следуя по оптическому волокну, отражается от ВБР с дифракционным максимумом под углом θ к оси волокна, и на выходе из волокна световой пучок имеет форму конуса, угловое распределение которого далее формируют на ПЗС-матрице в виде кольца и передают на вычислительный процессор, в котором анализируют изображение кольца, вычисляют его размер и вычисляют температуру, связанную с размером кольца.The set task and the technical result are achieved by the fact that the method of interrogating the sensor elements of fiber Bragg gratings through the end of the fiber using an annular speckle pattern is characterized by the fact that at least one fiber Bragg grating (FBG) is created in the optical fiber, light, at least At least one monochromatic radiation source is fed to the end of the optical fiber through a splitter, which then, following the optical fiber, is reflected from the FBG with a diffraction maximum at an angle θ to the fiber axis, and at the output of the fiber the light beam has the shape of a cone, the angular distribution which is further formed on a CCD matrix in the form of a ring and transmitted to a computing processor, in which the image of the ring is analyzed, its size is calculated, and the temperature associated with the size of the ring is calculated.
Поставленная задача и технический результат достигается также в устройстве для осуществления заявленного способа, которое содержит источник излучения, соединенный посредством оптической связи через делительное устройство с системой фокусировки, оптическим волокном с ВБР и вычислительным процессором. В качестве источника излучения используют, по крайней мере, один монохроматический источник излучения или широкополосный источник излучения со светофильтрами, а между системой фокусировки и вычислительным процессором установлена ПЗС-матрица.The set task and the technical result are also achieved in the device for implementing the claimed method, which contains a radiation source connected via optical communication through a splitter with a focusing system, an optical fiber with an FBG and a computer processor. At least one monochromatic radiation source or a broadband radiation source with light filters is used as a radiation source, and a CCD array is installed between the focusing system and the computer processor.
Кроме того, поставленная задача и технический результат достигается в способе опроса тем, что одновременно используют несколько колец, сформированных отражением одного лазерного источника от нескольких ВБР с разным периодом.In addition, the task and the technical result is achieved in the interrogation method by simultaneously using several rings formed by the reflection of one laser source from several FBGs with different periods.
Кроме того, в способе опроса одновременно в одной сенсорной точке формируют несколько колец, в результате отражения нескольких лазерных источников с различной длиной волны излучения от одной или нескольких ВБР с разным периодом. ВБР могут отличаться по периоду, и могут быть размещены в одной или различных измерительных точках. При размещении в одной измерительной точке повышается точность измерений. При размещении нескольких ВБР на расстоянии друг от друга появляется возможность распределенного измерения температуры/натяжения и других величин. Использование нескольких лазерных источников излучения на различных длинах волн для использования отраженного кольцевого сигнала от одной или нескольких ВБР необходимо для повышения точности измерения температуры/натяжения и др. физических величин и для расширения динамического диапазона такого измерения.In addition, in the interrogation method, several rings are formed simultaneously in one sensor point, as a result of the reflection of several laser sources with different wavelengths from one or more FBGs with different periods. FBGs may differ in period and may be located at the same or different measurement points. When placed in one measuring point, the accuracy of measurements increases. When several FBGs are placed at a distance from each other, it becomes possible to measure temperature/tension and other values distributed. The use of several laser radiation sources at different wavelengths to use the reflected ring signal from one or more FBGs is necessary to improve the accuracy of measuring temperature/tension and other physical quantities and to expand the dynamic range of such a measurement.
Кроме того, в способе опроса могут использовать чирпированную ВБР с непостоянным периодом, позволяющую получить кольцо большой толщины, для повышения точности измерений. При наличии в ВБР нескольких близких периодов расширяется диапазон углов дифракции, что приводит к увеличенной ширине кольца, что также повышает точность измерений.In addition, the interrogation method can use a chirped FBG with a variable period to obtain a thick ring in order to improve the measurement accuracy. If there are several close periods in the FBG, the range of diffraction angles expands, which leads to an increased ring width, which also improves the measurement accuracy.
В способе опроса могут формировать кольцевое изображение в проходящем свете, а не в отраженном, а в устройстве для реализации этого способа ПЗС-матрицу устанавливают на противоположном от входа излучения конце волокна.In the interrogation method, a ring image can be formed in transmitted light, and not in reflected light, and in the device for implementing this method, the CCD array is installed at the end of the fiber opposite from the radiation input.
Также в способе опроса анализируемое изображение в проходящем через оптическое волокно свете имеет темное кольцо, вырезанное из спекл-картины, при этом в устройстве для реализации этого способа ПЗС-матрица установлена на противоположном от входа излучения конце волокна.Also, in the interrogation method, the analyzed image in the light passing through the optical fiber has a dark ring cut out from the speckle pattern, while in the device for implementing this method, the CCD array is installed at the end of the fiber opposite from the radiation input.
Кроме того, в способе опроса свет от источника излучения могут подавать под углом к оси волокна. Изменение угла ввода излучения в волокно необходимо для управления оптической разностью хода при дифракции от элементов ВБР и управления углом этой дифракции, т.е. размерами кольца на ПЗС-матрице. Этот вариант позволит расширить динамический диапазон измерения температуры/натяжения и др.In addition, in the interrogation method, the light from the radiation source may be applied at an angle to the fiber axis. Changing the angle of input of radiation into the fiber is necessary to control the optical path difference during diffraction from FBG elements and control the angle of this diffraction, i.e. the size of the ring on the CCD matrix. This option will expand the dynamic range of temperature/tension measurements, etc.
Кроме того, в способе опроса могут использовать несколько ВБР в одной измерительной точке с разным периодом, обеспечивающих соседние диапазоны измерения температуры, давления, натяжения и других физических величин в широком диапазоне за счет перекрывания диапазонов измерения каждым кольцом. Для каждого кольца есть предельная температура/натяжение и др., определяемая предельной числовой апертурой волокна. В момент выхода кольца за пределы числовой апертуры, кольцо обеспечивающее измерение в следующем диапазоне температур, уже должно появится в числовой апертуре, что обеспечивает расширение динамического диапазона измерений температуры.In addition, the interrogation method can use several FBGs at one measuring point with different periods, providing adjacent measurement ranges of temperature, pressure, tension and other physical quantities in a wide range due to the overlapping of measurement ranges by each ring. For each ring there is a limit temperature/tension, etc., determined by the limit numerical aperture of the fiber. At the moment the ring goes beyond the numerical aperture, the ring providing measurement in the next temperature range should already appear in the numerical aperture, which provides an expansion of the dynamic range of temperature measurements.
Кроме того, в способе опроса могут использовать монохроматический источник света с разной линейной поляризацией для отражения от разных ВБР, можно кодировать отражение от них различной линейной поляризацией при возможности сохранения состояния поляризации в волокне, что дает возможность увеличения числа измерительных точек в одном оптическом волокне.In addition, the interrogation method can use a monochromatic light source with different linear polarizations for reflection from different FBGs, it is possible to encode reflection from them with different linear polarizations while maintaining the polarization state in the fiber, which makes it possible to increase the number of measurement points in one optical fiber.
Кроме того, в способе опроса могут использовать монохроматический источник света с циркулярной поляризацией, что позволит добиться большей устойчивости кольцевой структуры, а, следовательно, повысить точность измерения температуры.In addition, the interrogation method can use a monochromatic light source with circular polarization, which will make it possible to achieve greater stability of the ring structure, and, consequently, improve the accuracy of temperature measurement.
В частности, в устройстве используют модовый миксер на участке между источником и ВБР. В частности, в устройстве на участке между ВБР и ПЗС-матрицей установлен модовый фильтр. Для варьирования модового состава излучения возможно использование модового миксера и модового фильтра. Модовый миксер можно использовать на участке между источником и ВБР решеткой для обогащения модового спектра и повышения его однородности. Модовый фильтр можно использовать после отражения от ВБР для повышения точности за счет уменьшения толщины кольца виду обеднения модового спектра.In particular, the device uses a modal mixer in the area between the source and the FBG. In particular, a mode filter is installed in the device in the area between the FBG and the CCD array. To vary the mode composition of the radiation, it is possible to use a mode mixer and a mode filter. A modal mixer can be used in the region between the source and the FBG grating to enrich the modal spectrum and increase its homogeneity. A modal filter can be used after reflection from the FBG to improve accuracy by reducing the ring thickness in the form of a depleted mode spectrum.
В частности, в устройстве на участке между ВБР и ПЗС-матрицей установлена система, вызывающая механические колебания части оптического волокна. Для борьбы со спеклованностью кольца можно использовать механический гомогенизатор спекла, представляющий из себя устройство, вызывающее незначительные механические колебания любой части оптического волокна на пути от ВБР до ПЗС матрицы с частотой, превышающей частоту кадров ПЗС матрицы, что также влияет на точность измерений.In particular, in the device, in the area between the FBG and the CCD array, a system is installed that causes mechanical vibrations of a part of the optical fiber. To combat ring speckling, a mechanical speckle homogenizer can be used, which is a device that causes slight mechanical vibrations of any part of the optical fiber on the way from the FBG to the CCD array with a frequency exceeding the frame rate of the CCD array, which also affects the measurement accuracy.
Кроме того, в способе опроса могут создавать ВБР в планарном волноводе, что упростит анализ изображения и улучшит быстродействие системы.In addition, the interrogation method can create FBGs in a planar waveguide, which will simplify image analysis and improve system performance.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами: фиг. 2 - блок-схема устройства, фиг. 3 - блок-схема работы способа, фиг. 4а - изображение кольца при температуре 20°С, фиг. 4б - изображение кольца при температуре 100°С, фиг. 5 - блок-схема устройства, в котором ПЗС-камера установлена на противоположном от входа излучения конце волокна, фиг. 6а - изображение кольца на ПЗС-матрице, фиг. 6б - изображение кольца на ПЗС-матрице с использованием в схеме устройства, вызывающего механические колебания волокна, фиг. 7а - изображение кольца, сформированного отражением от чирпированной решетки, фиг. 7б - изображение кольца, сформированного отражением от решетки с постоянным периодом.The essence of the invention is illustrated by the following graphics: Fig. 2 is a block diagram of the device, FIG. 3 is a block diagram of the operation of the method, FIG. 4a - image of the ring at a temperature of 20°C, fig. 4b - image of the ring at a temperature of 100°C, fig. 5 is a block diagram of a device in which a CCD camera is installed at the end of the fiber opposite from the radiation input, FIG. 6a - image of the ring on the CCD matrix, fig. 6b - image of a ring on a CCD matrix using a device in the circuit that causes mechanical vibrations of the fiber, fig. 7a is an image of a ring formed by reflection from a chirped grating, FIG. 7b is an image of a ring formed by reflection from a grating with a constant period.
Поставленная задача достигается устройством для реализации способа, представленном на фиг. 2. Устройство содержит, например, один лазерный источник оптического монохроматического излучения 9, делительный элемент, например, полупрозрачное зеркало 10, оптическое волокно 11 с одной или несколькими ВБР 12, систему фокусировки 13, ПЗС-матрицу 14, процессор 15.The task is achieved by the device for implementing the method shown in Fig. 2. The device contains, for example, one laser source of optical
Техническая сущность способа поясняется на фиг. 3. В настоящем изобретении предлагается в качестве источника использовать монохроматический источник лазер излучения 9 или широкополосный источник излучения - лазерный диод с постоянной длиной волны λ0 и соответствующий светофильтр. Излучение этого источника через полупрозрачное зеркало 10 подается на вход оптического волокна 11 (показано на фиг. 3 пунктирной линией). При попадании света от излучения источника на ВБР 12 имеет место отражение назад с дифракционным максимумом под углом θ к оси волокна, величина которого связана с периодом ВБР d и длиной волны источника λ0 формулой (2)The technical essence of the method is illustrated in Fig. 3. In the present invention, it is proposed to use a monochromatic
где k - порядок дифракции, a n - показатель преломления среды.where k is the order of diffraction and n is the refractive index of the medium.
Таким образом, отраженный сигнал будет распространяться преимущественно под углом θ к оси волокна, возбуждая меридиональные и сагиттальные моды волокна и, на выходе из волокна при преломлении будет распространяться под углом θ'.Thus, the reflected signal will propagate predominantly at an angle θ to the fiber axis, exciting the meridional and sagittal modes of the fiber, and, at the exit from the fiber, will propagate at an angle θ' upon refraction.
Изображение углового распределения света в пучке, выходящего из торца волокна, на матрице ПЗС-камеры 14 будет иметь форму кольца, ввиду коаксиальной симметрии задачи.The image of the angular distribution of light in the beam coming out of the end of the fiber on the matrix of the
Зависимость радиуса кольца R от периода решетки d, показателя преломления волокна n, длины волны λ0 и порядка дифракции k выражается формулой (3):The dependence of the ring radius R on the grating period d, fiber refractive index n, wavelength λ 0 and diffraction order k is expressed by formula (3):
При изменении периода d, вследствие изменения температуры, деформации или давления, изменится и угол θ и, следовательно, радиус кольца на ПЗС-камере. По вычислению радиуса кольца определяется значение температуры или деформации сенсорного элемента (ВБР).When the period d changes, due to a change in temperature, deformation or pressure, the angle θ will also change and, consequently, the radius of the ring on the CCD camera. By calculating the radius of the ring, the value of the temperature or deformation of the sensor element (SBR) is determined.
Показатель преломления n и период d зависят от температуры практически линейно, согласно формулам (4) и (5)The refractive index n and period d depend on temperature almost linearly, according to formulas (4) and (5)
где α - коэффициент температурного расширения материала и β - термооптический коэффициент материала (для кварцевых волокон α=5,5*10-7К-1, β=10*10-6К-1), n0 и d0 -калибровочные значения показателя преломления и периода решетки при известной температуре. Таким образом, объединяя формулы (3), (4) и (5), получаем связь радиуса кольца и изменения температуры ΔТ, например выраженную соотношением (6):where α is the coefficient of thermal expansion of the material and β is the thermo-optical coefficient of the material (for quartz fibers α=5.5*10 -7 K -1 , β=10*10 -6 K -1 ), n 0 and d 0 are calibration values refractive index and lattice period at a known temperature. Thus, combining formulas (3), (4) and (5), we obtain a relationship between the radius of the ring and the change in temperature ΔT, for example, expressed by relation (6):
где R - радиус кольца, ΔТ - изменения температуры, n0 и d0 - калибровочные значения показателя преломления и периода решетки при известной температуре, λ0 -длина волны, k - порядок дифракции, α - коэффициент температурного расширения материала, β - термооптический коэффициент материала.where R is the ring radius, ΔT are temperature changes, n 0 and d 0 are the calibration values of the refractive index and grating period at a known temperature, λ 0 is the wavelength, k is the order of diffraction, α is the thermal expansion coefficient of the material, β is the thermo-optical coefficient material.
Представленная схема устройства компактна за счет использования таких простых узлов как ПЗС-матрица и лазерный источник излучения. В отличие от устройства-прототипа, использующего перестраиваемый лазер и сложно скоммутированную систему оптических делителей и фотодиодов. Кроме того, за счет уменьшения числа элементов и их упрощения существенно снижается стоимость устройства.The presented scheme of the device is compact due to the use of such simple components as a CCD array and a laser radiation source. In contrast to the prototype device, which uses a tunable laser and a complexly connected system of optical dividers and photodiodes. In addition, by reducing the number of elements and simplifying them, the cost of the device is significantly reduced.
Предложенный способ опроса системы обладает быстродействием, ограниченным лишь скоростью работы ПЗС-матрицы, в то время как быстродействие прототипа обусловлено скоростью сканирования спектрального окна перестраиваемым лазером.The proposed method for interrogating the system has a speed limited only by the speed of the CCD array, while the speed of the prototype is determined by the speed of scanning the spectral window by a tunable laser.
Пример 1. При длине волны λ0=532 нм, периоде решетки d=1098 нм, порядке дифракции k=6 и показателе преломления кварцевого оптического волокна n=1,4607 при комнатной температуре t=20°C кольцо имеет радиус R≈0,208 (фиг. 4а) и при R≈0,22 при температуре t=90°C (фиг. 4б).Example 1. At wavelength λ 0 =532 nm, grating period d=1098 nm, diffraction order k=6 and refractive index of quartz optical fiber n=1.4607 at room temperature t=20°C, the ring has a radius R≈0.208 ( Fig. 4a) and at R≈0.22 at a temperature of t=90°C (Fig. 4b).
Пример 2. Для чирпированной решетки, у которой период меняется плавно от 1097 до 1099 нм (фиг. 7-а) в сравнении с нечирпированной с периодом 1098 нм (фиг. 7-б) изображение кольца получается шире, что позволяет использовать больше информации при анализе изображения и позволяет повысить точность измерений.Example 2. For a chirped grating, in which the period changes smoothly from 1097 to 1099 nm (Fig. 7-a), in comparison with a non-chirped grating with a period of 1098 nm (Fig. 7-b), the image of the ring is wider, which allows using more information when image analysis and allows you to improve the accuracy of measurements.
Пример 3. При исполнении устройства с генератором механических колебаний происходит снижение спеклованности, уменьшение контраста в спеклах, спеклы разрушаются и «замыливаются». При анализе изображения это приводит к увеличению точности определения радиуса кольца и, следовательно, температуры (фиг. 6а, 6б). На (фиг. 6б) показано изображение кольца, полученное в устройстве с генератором механических колебаний, и приведено сравнение с обычным кольцом (фиг. 6а). Использование такого подхода при расчете температуры позволило снизить погрешность измерений с 3 до 1 градуса.Example 3. When the device is made with a generator of mechanical vibrations, the speckling decreases, the contrast in the speckles decreases, the speckles are destroyed and “blurred”. When analyzing the image, this leads to an increase in the accuracy of determining the radius of the ring and, consequently, the temperature (Figs. 6a, 6b). On (Fig. 6b) shows the image of the ring, obtained in the device with the generator of mechanical vibrations, and compared with a conventional ring (Fig. 6a). The use of this approach in calculating the temperature made it possible to reduce the measurement error from 3 to 1 degree.
Пример 4. Возможно формирование темного кольцевого изображения в проходящем свете, а также и светового кольца при углах дифракции близких к 180 градусам. При таком варианте исполнения способа из устройства исключается делительное устройство, а ПЗС-камера ставится на противоположном от входа излучения конце волокна - фиг. 5, что также приводит к упрощению конструкции устройства при сохранении точности измерений и быстродействия системы.Example 4. It is possible to form a dark ring image in transmitted light, as well as a light ring at diffraction angles close to 180 degrees. With this embodiment of the method, the splitting device is excluded from the device, and the CCD camera is placed at the end of the fiber opposite from the radiation input - Fig. 5, which also leads to a simplification of the device design while maintaining the measurement accuracy and system speed.
Таким образом, решена задача по созданию простого компактного устройства для считывания сигнала, отраженного от ВБР, а также простого способа работы этого устройства при сохранении точности и быстродействия в сравнении с прототипом, при снижении стоимости устройства.Thus, the problem of creating a simple compact device for reading a signal reflected from an FBG has been solved, as well as a simple way to operate this device while maintaining accuracy and speed in comparison with the prototype, while reducing the cost of the device.
Технический результат изобретения направлен на упрощение работы способа и создание компактной схемы устройства при сохранении быстродействия опроса системы и при увеличении точности измерений.The technical result of the invention is aimed at simplifying the operation of the method and creating a compact circuit of the device while maintaining the system polling speed and increasing the measurement accuracy.
Claims (21)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2783171C1 true RU2783171C1 (en) | 2022-11-09 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2819565C1 (en) * | 2023-07-05 | 2024-05-21 | Александр Михайлович Герасимов | Method of polling sensor elements of fiber bragg gratings based on use of time-of-flight distance sensor |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7864329B2 (en) * | 2004-12-21 | 2011-01-04 | Halliburton Energy Services, Inc. | Fiber optic sensor system having circulators, Bragg gratings and couplers |
DE102010016837A1 (en) * | 2009-05-12 | 2011-01-05 | General Electric Co. | Fiber Bragg grating measuring system |
RU2413259C1 (en) * | 2009-07-20 | 2011-02-27 | Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН) | Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide |
RU2602998C1 (en) * | 2015-08-27 | 2016-11-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Method of controlling spectral parameters fibre bragg grating |
US9995628B1 (en) * | 2015-05-14 | 2018-06-12 | Nutech Ventures | Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods |
RU2700736C1 (en) * | 2018-08-21 | 2019-09-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Device and method of measuring spectral characteristics of fiber-optic bragg gratings |
RU192705U1 (en) * | 2018-12-17 | 2019-09-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") | Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7864329B2 (en) * | 2004-12-21 | 2011-01-04 | Halliburton Energy Services, Inc. | Fiber optic sensor system having circulators, Bragg gratings and couplers |
DE102010016837A1 (en) * | 2009-05-12 | 2011-01-05 | General Electric Co. | Fiber Bragg grating measuring system |
RU2413259C1 (en) * | 2009-07-20 | 2011-02-27 | Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН) | Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide |
US9995628B1 (en) * | 2015-05-14 | 2018-06-12 | Nutech Ventures | Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods |
RU2602998C1 (en) * | 2015-08-27 | 2016-11-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Method of controlling spectral parameters fibre bragg grating |
RU2700736C1 (en) * | 2018-08-21 | 2019-09-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Device and method of measuring spectral characteristics of fiber-optic bragg gratings |
RU192705U1 (en) * | 2018-12-17 | 2019-09-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") | Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2819565C1 (en) * | 2023-07-05 | 2024-05-21 | Александр Михайлович Герасимов | Method of polling sensor elements of fiber bragg gratings based on use of time-of-flight distance sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Udd | Fiber optic smart structures | |
Udd | Overview of fiber optic sensors | |
US7684656B2 (en) | Fiber optic temperature and pressure sensor and system incorporating same | |
US6836578B2 (en) | System and method for measuring physical stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuning means | |
RU2511066C2 (en) | System based on brillouin scattering with multiple fbg | |
JPH0231113A (en) | Interferometer sensor and use of the same in interferometer device | |
JP2008185384A (en) | High accuracy sensing system using fbg fabry-perot type super-narrow bandwidth optical filter | |
Kreger et al. | Optical Frequency Domain Reflectometry for High Density Multiplexing of Multi-Axis Fiber Bragg Gratings | |
Voloshina et al. | Development and investigation of the sensitive element of the amplitude fiber-optic temperature sensor based on superimposed chirped Bragg gratings | |
RU2783171C1 (en) | Method and apparatus for polling sensor elements of fibre bragg gratings through the end of the fibre using an annular speckle pattern | |
CN111537010A (en) | OTDR-based F-P interference type sensing head multi-point measurement method and device | |
More et al. | Performance analysis of Strain sensor based on Fiber Bragg Grating | |
WO2011033649A1 (en) | Distributed optical fiber sensor device having a plurality of sensing regions | |
RU2319988C2 (en) | Fiber-optic multiple sensor system, temperature/deformation detector for fiber-optic multiple sensor system, and method of recording of detector (versions) | |
Wang | Intrinsic Fabry-Perot interferometric fiber sensor based on ultra-short Bragg gratings for quasi-distributed strain and temperature measurements | |
RU77420U1 (en) | UNIVERSAL FIBER OPTICAL MODULAR TELEMETRIC COMPLEX, RECORDING MODULE, SENSOR HEAD AND OPTICAL CHANNEL EXTENSION MODULE | |
KR20110043834A (en) | Demodulation system for fbg sensors using linearly arrayed photodetectors with optical dispersion devices | |
Yuan | Multiplexed, white-light interferometric fiber-optic sensor matrix with a long-cavity, Fabry-Perot resonator | |
RU2819565C1 (en) | Method of polling sensor elements of fiber bragg gratings based on use of time-of-flight distance sensor | |
CN115003988A (en) | System for measuring multiple physical parameters at a measurement point using multimode optical fiber | |
Spillman Jr et al. | Wavelength encoding long stroke fiber optic linear position sensor for actuator control applications | |
Tuv et al. | Overview of Fiber Optic Sensor Applications | |
Batchellor et al. | Some recent advances in fibreoptic sensors | |
OPTOELECTRONIC | OPTOELECTRONIC UNIT transduction point | |
Todd | Optical‐Based Sensing |