Диссертация (Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно­оптического телеметрического комплекса), страница 12

В соответствии с заложеннымпринципом методы регистрации этого смещения подразделяются на группы,в которых реализуется преобразование смещения длины волны в тот илииной измеряемый параметр излучения: амплитуду, частоту, фазу, временнуюзадержку и др. [31, 50].Несмотрянамногообразиепринциповизмерения,наибольшеераспространение получили наиболее простые в идейном отношенииметодики, в которых реализуется непосредственная регистрация спектра ВБР[4, 7, 9, 10]. Эти методики позволяют в полной мере реализовать достоинстваВБРкакизмеренийчувствительныхиобработкиэлементовполученныхсистеммониторингаданных,достаточно(простотавысокоебыстродействие, мультиплексирование большого числа датчиков, и др.) и внастоящее время обеспечивают высокую чувствительность и надежностьизмерений.Наиболеесущественнымнедостаткомметодовпрямойспектральной регистрации является относительно высокая стоимость,связанная с высокой стоимостью спектроанализаторов или перестраиваемыхлазерных источников [49, 103].75Базовые структуры соединения ВОДТ в ВоТК представлены на рисунке3.2.

Штриховые линии на рисунке 3.2. означают, что возможны оба вариантаподсоединения приемника излучения к системе.Рисунок 3.2. Основные виды сенсорной системы на основе ВБРа) последовательная архитектура;б) последовательная архитектура с двумя каналами;в) звездообразная архитектура;г) древовидная архитектура;Стоитотметить,ограничиваетсячтобазовымиархитектуравариантамитакойсистемыпостроения,нодалекочащеневсего76представляет их комбинацию. В качестве примера на рисунке 3.3.

болеедетально приведена структура ВоТК с четырех канальным УРМ в качествеосновного прибора. Для разработки ВоТК была принята именно такаяархитектура.Рисунок 3.3. Принципиальная архитектура ВоТК3.2.1. Принцип действия и конструктивные особенности УРМНесмотря на большое разнообразие методов измерения сигналов ВОД внастоящеевремявпрактическомиспользовании(реализованывкоммерческом исполнении) находятся лишь некоторые из них.Унифицирующий регистрирующий модуль (УРМ) включает в себяисточник оптического излучения, анализатор спектра, электронный модульхранения и передачи данных, взаимодействующий в ходе измерения с77управляющимкомпьютером,некотороеколичествооптическихпереключателей и систему их синхронизации и управления; системуоптических каналов, циркуляторов и разветвителей, связывающих основныеэлементы УРМ с его оптическими выходами.

Принципиальная оптическаясхема процедуры измерения с помощью УРМ приведена на рисунке 3.4.Рисунок 3.4. Принципиальные оптические схемы измеренияВкачествеисточникаизлучения,какправило,используетсяперестраиваемый лазер или широкополосной источник, работающий вспектральном окне 1500 – 1600 нм. Выбор этого спектрального диапазонаопределяется тем обстоятельством, что в данном диапазоне оптическиепотери в стандартных волоконных световодах минимальны, кроме того, онпрактически совпадает с диапазоном работы широко распространенныхисточников излучения и усилителей на основе световодов, легированныхионами эрбия.Оптоэлектронная схема унифицированного регистрирующего модуля(УРМ) представлена на рисунке 3.5.78Рисунок 3.5.

Оптоэлектронная схема УРМИзлучениециркулятораисточникапопадаеткоммутирующийпосредствомнаопорноетрехпортовоговолоконно-оптическийиизмерительноеоптическогопереключатель,плечи.Управлениепереключателем осуществляется с помощью встроенного в УРМ ПК вавтоматическом и ручном режимах. В опорном плече расположен световод сперпендикулярнымкраспространениюсветаторцом(зеркало),обеспечивающим широкополосное отражение для измерения опорногоспектраисточника.Измерительноеплечослужитдляподключенияволоконно-оптических датчиков (ВОД) на основе волоконных брэгговскихрешеток (ВБР). Отраженное излучение (с опорного и измерительного канала)посредствомтрехпортовогооптическогоциркуляторапопадаетнаспектроанализатор I-MON, с помощью которого производится измерениеспектров.

После оцифровки измеренные спектры обрабатываются ПК дляполучения данных о температуре и деформации ВОД.Типичная процедура нормировки сигнала требует проведения передначалом цикла измерений двух дополнительных процедур, а именнорегистрации спектра темнового сигнала N(λ) (сигнал при выключенномисточнике, т.е. сумма темнового и шумового сигнала системы) и спектраисточника излучения L(λ), который часто снимается с помощью оптического79патчкорда типа FC/PC – FC/APC [8, 36].

Спектр отражения сенсорнойсистемы S(λ) при этом вычисляется по формуле:(λ) =(λ)−(λ)(λ)−(λ)(3.1),где I(λ) – сигнал, полученный непосредственно регистрирующиммодулем. Для повышения точности измерения РДВ, в течение длительноговремени должна быть предусмотрена функция автоматического взятияспектров N(λ) и L(λ) через определенные равные промежутки времени(например, раз в час). При этом для их регистрации один или два оптическихканала регистрирующего модуля могут быть зарезервированы. Примерыспектров I(λ), L(λ), N(λ) и S(λ) приведены на рисунке 3.6.Рисунок 3.6. Примеры спектров I(λ), L(λ), N(λ) и S(λ)ПосколькучислоВОД,которыеможноустановитьводномспектральном канале, ограничено характеристиками регистрирующегомодуля, необходимо размещать их в разные оптические каналы.

При этомпереключение между каналами должно осуществляться при помощиоптических переключателей.Наиболее простым алгоритмом переключения между оптическимиканалами сенсорной системы является циклическое переключение междуканалами, содержащими сенсорные элементы. При этом каждый из каналов80будет опрашиваться с одной и той же частотой, что обеспечит одинаковуюпогрешность измерений и упростит упорядочивание снятых системойданных.3.2.2. Принцип действия и конструктивные особенности ВОДТИзмерение температуры при помощи датчиков на основе ВБР являетсянаиболее простой технической задачей, так как температура являетсяединственным параметром, требующим измерения.

Вместе с тем, следуетиметь ввиду, что если ВБР, использующиеся в составе ВОД, прикреплены кнекоторым поверхностям или внедрены в состав корпуса датчика, товозможнадополнительнаядеформацияВБРвследствиетепловогорасширения материала.Волоконно-оптическийдатчиктемпературыпредставляетсобойволоконный световод с одной записанной решеткой Брэгга ВБР (1) сподавленным обратным отражением от торца световода (8). Датчикпредназначен для контактного измерения температур на промышленныхобъектах. Он упакован в металлическую трубку (2) из нержавеющей стали,для защиты волокна от механических повреждений.

Металлическая трубка(2) зажата цанговым патроном (3) в гайке корпуса (4) с одной стороны, сдругой – герметично запаяна (9). В гайку корпуса (4) закрученаприсоединительная гайка (5), для обеспечения возможности креплениядатчика к объекту измерений. В торцевой части корпуса датчика (6) имеетсяотверстие, в котором закреплена оптическая розетка типа FC/APC (7) , длявнешнегообеспеченияоптическогоподключениядатчикакрегистрирующему модулю. Общая конструкция ВОД показана на рисунке3.7.81Рисунок 3.7. Конструкция ВОД температурыДля изготовления ВОД температуры используется одномодовыйсветоводSMF.28химическимпокрытыйвоздействием,полиимиднымзащищающимпокрытием,волокноотстойкимкмеханическихповреждений, и имеющим температурную стойкость до 400°С [5].ВБР, записанная в волокне является узкополосным отражателем, а попричине того что источник света имеет широкий спектр излучения, то весьтот свет, который не отразила ВБР, отразится от торца световода, такоеотражение будет иметь характер шумов, мешающих прецизионной работе сотражением ВБР.

Была предложена следующая схема и методика, котораяпозволяет полностью устранить данный эффект [18].На рисунке 3.8. представлена схема волоконного световода с ВБР дляВОД температуры.82Рисунок 3.8. Схема волоконного световода с ВБРВолокно зачищается от полиимидного покрытия, производится прямойскол так, чтобы остался 1 мм зачищенного участка. Волокно с ВБРскалывается под прямым углом вблизи ВБР. Производится оптическая сварка(максимальные потери не должны превышать 0.05dBm).После этого производится прямой скол вблизи другого конца ВБР.Опытным путем было выявлено, что на сварочном аппарате в ручном режимесветоводы необходимо съюстировать так, чтобы по координате «Х» у нихбыло совмещение диметров сердцевин равное ¼. Подается дуга сварки дляполучения аттенюатор (ATT) с минимальным отражением назад и потерямина прохождение 14-18dBm.

После сварки производится скол таким образом,чтобы длина ATT составляла 1 мм (Рисунок 3.9). Аналогичным способомпроизводится второй ATT.Рисунок 3.9. Схема юстировки световодов для получения аттенюатораПосле успешно проведенных вышеуказанных операций необходимоподварить CAP (CAP представляет собой короткий, порядка 400мкм, участоксветовода без сердцевины). Сварка производится в автоматическом режиме,83потери на сварки не должны превышать 0.05dBm.

После этого лишнийучасток волокна скалывается таким образом, чтобы длина CAP не превышала0.5 мм. Опытным путем были получены данные, что длина САР должнанаходится в диапазоне 325-475мкм для наилучшего вывода излучения изсветовода.Были проведены эксперименты для оценки эффективности работытакой методики уменьшения паразитного обратного отражения от торцасветовода.Первыйэкспериментпроводилсянаунифицированномрегистрирующем модуле (УРМ) в котором источником излучения являетсяэрбиевый источник света с полушириной спектра 90нм. На рисунке 3.10показан результат данного эксперимента.Рисунок 3.10.

– Экспериментальная оценка аттенюатораСиним цветом показан спектр эрбиевого источника, красным изеленым - полученный сигнал с ВБР. Красным цветом показано отражение отВБР, после которой сделан прямой скол на торце световода. Как видно награфике, имеется большое количество шумов, явно повторяющих формусигнала источника, но меньших по интенсивности, что и характеризует84отражение от торца световода спектра источника излучения.

Зеленым цветомпоказано отражение от ВБР, после которой сделан АТТ по методике, котораяописана выше. Как видно на графике кроме отражения самой ВБР приемникничего не зарегистрировал, как следствие можно судить об уменьшениипаразитного отражения.Для качественной оценки снижения паразитного отражения даннымметодом был проведен аналогичный эксперимент, но приемником являлсяспектрометр с высокой чувствительностью и разрешением (Рисунок 3.11).Рисунок 3.11. Качественная оценка аттенюатораСиним цветом представлен сигнал источника излучения, зеленым –отражение от ВБР с прямым сколом на торце световода, а красным –отражение от ВБР с АТТ на торце световода. По спектральной картине(зеленый) отражения от ВБР с прямым сколом на торце световода видно, чтопаразитное отражение хоть и мало, но имеет ярко выраженный характер.

Накрасном спектре кроме отражения от ВБР хорошо выделяются лишь шумы,что обуславливается наличием шумов приемника такого низкого сигнала.Таким образом, используя методику формирования АТТ на торцесветовода ВОД температуры, появляется возможность отфильтровать85большую часть паразитного отражения для эффективной работы только синформативным спектром отражения от ВБР.Процедура подготовки ВБР для долговременной работы при высокихтемпературах заключается в предварительном ее отжиге до температур болеевысокихкоторой(на100 - 200°С),предполагаетсячеммаксимальнаяиспользованиедатчика.температура,Такаяпритермическаяобработка приводит к отжигу наведенного ПП в световоде, температурнаястойкость которого ниже максимальной рабочей температуры, вместе с темоставшаяся после отжига часть наведенного ПП обладает достаточной дляработы датчика термостойкостью.Расчет необходимой температуры и времени отжига, а такжепрогнозирование долговременной стабильности ВБР, подвергнутой такойзакалке, подробно описаны в литературе [55, 59].