Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Сама структурная схема аналогична по своему составу схеме, приведенной в разделе 2.2.1 Однако есть принципиальное отличие- значительно более узкий рабочий спектральный диапазон, и как следствие, возможность достичь большей частоты опроса. преимуществом данного метода является сочетание относительно малая. погрешностью измерения, а также достаточно широкий рабочий спектральный диапазон, определяемый областью свободной дисперсии, которая, благодаря современным успехам в технологии приборостроения, может быть достаточно большой- до 300 нм. (2.71) Ьмин=с.тмин/(2 пв) Минимальная длительность импульса ограничена теоретически быстродействием электрооптического эффекта -10 '4 с, а практически схемотехникой.
Схемотехника для генерации 10 нс импульсов хорошо отработана (такие длительности импульса широко используются, например, в современных оптических рефлектометрах). В этих условиях минимальное расстояние между датчиками составит 1 м, что значительно больше Рис. 2.19. Структурная схема построения квази-распределенная оптико- электронной измерительной системы на основе метода временного мультиплексирования В данной схеме управляющий сигнал с ЭВМ запускает генератор импульсов, который формирует электрический импульс, следующий на электро-оптический модулятор, выполняющий функции затвора (открывается только на время прохождения импульса).
Далее световой импульс поступает в волокно, в котором расположены датчики. Отраженный обратно сигнал от датчиков приходит через промежутки времени, определяемые длиной ОВ между датчиками, и после прохождения разветвителя поступает на ФПУ Минимальное расстояние между датчиками определяется длительностью зондирующего импульса, так как иначе наложение отраженного сигнала от 2-х расположенных рядом датчиков неизбежно приведет к дополнительной погрешности измерения. 1О1 расстояния ограниченного групповой задержкой сигнала определенной в разделе 2.1, Максимальная частота следования зондирующих импульсов может быть определена из условия того, что на регистрирующем устройстве не должно быть наложения импульсов (то есть не должно возникать ситуации, когда второй (или следующий) импульс от первого датчика поступает одновременно с первым импульсом от последнего датчика.
Данное условие можно выполнить двумя методами. 1) В оптическом волокне в любой момент времени должен распространяться только один зондирующий импульс. То есть, максимальная частота следования импульсов должна определяться выражением; (2.72) где Ь- геометрическая длина ОВ до последнего датчика. При длине Ь=10 км максимальная частота следования импульсов г=- 10 кГц. 2) Зондирующие импульсы посылаются таким образом (рис.
40), что последний отраженный импульс от первого (Х-го) датчика приходит на него раньше чем, первый импульс от второго (И+1-го) датчика. Время 1, с Рис,2.20. Диаграмма, демонстрирующая метод уплотнения импульсов 102 В этом случае максимальная частота следования зондирующих импульсов будет определяться следующим выражением: т.1„„„ т„Ь, (2.73) где т„ — длительность зондирующего импульса, с- скорость света, тмаксимально допустимая скважность импульсов (отношение длительности импульса к периоду следования импульсов) Ев- общая длина волокна (расстояние до последнего датчика), 1„„„- минимальное расстояние между датчикам ~ длина волокна). В случае, если длительность импульса составляет т„=100 нс, максимально допустимая скважность импульсов т=0.5, общая длина волокна А,=10 км, 1 я=100 м, частота следования импульсов составит 50 кГц, Проанализируем потенциальные возможности данного метода регистрации по динамическому диапазону, количеству подключаемых датчиков и времени измерения).
Для этого в первую очередь зададим требуемые эксплуатационные характеристики системы: 1) диапазон измерения деформации -0„5%...+0,5% (эквивалентно диапазону перестройки 10 нм, для Хбр=1550 нм); 2) погрешность измерения ' деформации 0,001% (эквивалентно погрешности измерения длины волны 10 пм). Затем определим параметры, которые можно варьировать для достижения эксплуатационных характеристик системы: 1) ширина спектра отражения брэгговских решеток ЛХ6', 2) максимальный коэффициент отражения брэгговских решеток р; 3) шаг перестройки длины волны лазера Х„; 4) длительность импульса лазера т„; Максимальная мощность вводимого излучения в оптическое волокно, вследствие того, что ее необходимо ограничивать для предотвращения эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, составит Р„=20 мВт (методика расчета максимальной мощности накачки приведена в разделе 1,1.1).
На практике, предельная мощность перестраиваемого лазера ниже Р„=7мВт (для модели Т1.В-бб00). Тем не менее, далее будем проводить расчет, основываясь на теоретическом пределе. Шириной линией перестраиваемого полупроводникового лазера можно пренебречь, так как типичная ее величина составляет 0,05 пм, что в сотни раз меньше шага перестройки длины волны, и в тысячи раз меньше ширины спектра отражения брэгговской решетки. Рассчитаем регистрируемую ФПУ мощность отраженного излучения от Х-го датчика, для наихудшего случая (ситуации когда все резонансные длины волн Хд совпадут). По формуле: (2.74) где, а=0,2 дБ/км- типичное затухание в одномодовом оптическом волокне для длины волны 1=1550 нм, Ь; длина ОВ ( расстояние до последнего датчика), п=3,4 дБ- типовые потери в оптическом разветвителе. С учетом оптимального коэффициента отражения р=1/(2 Ф-1), отношение сигнал/шум можно рассчитать по формуле; (2.75) Если принять требуемое отношение сигнал/шум р>20, В=10 — параметр иг учитывающий, что сигнал отличен от синусоидального, Ф„,р=0,1 пВт/Гц 5=0,95 А/Вт, Ц,„,„,=100 пВ/Гц'~, Я„=50 Ом, то результаты расчета можно представить в виде таблицы 2.
Таблица 2. Результаты расчета динамического диапазона Из приведенной таблицы видно, что данный метод отличается достаточно высоким динамическим диапазоном и большим количеством подключаемых датчиков. Оценим факторы, влияющие на погрешность данной измерительной системы. Коэффициент отражения 1-го датчика можно описать при помощи следующего выражения: (2.76) где Р; мощность излучения отраженного от у-го датчика, регистрируемая ФПУ, .Ц- длина ОВ до ~-го датчика.
Как видно из выражения (2,76), погрешность определения коэффициента отражения у-го датчика зависит от погрешности определения коэффициентов отражения предыдущих датчиков и погрешности измерения мощности Р,. Брэгговская длина волны ~-го датчика может быть определена из измеренных коэффициентов отражения, например, при помощи линейного алгоритма поиска центра исходя из следующего выражения: (2.77) где Л,- длины волн лазера на которых измерялся коэффициент отражения от датчиков 1...~',,0,,- матрица измеренных коэффициентов отражения (индексу ~ соответствует номер датчика, индексу 1- номер длины волны).
Из анализа выражений (2.76) и (2.77) следует, что на погрешность измерения длины волны оказывают влияние следующие факторы: 1) погрешность измерения коэффициентов отражения; 2) погрешность измерения (воспроизведения) длины волны; 3) отношение ширина спектра брэгговской решетки/шаг перестройки длины волны. На погрешность измерения коэффициентов отражения влияют следующие факторы: 1) мощность лазера; 2) нестабильность мощности лазера (шумы интенсивности лазера); 3) амплитуда шума ФПУ (зависит от длительности импульса, шума фотодиода, шума предусилителя); 4) относительная погрешность измерения мощности импульсов; 5) потери на разветвителях и затухание в ОВ; 6) исходная погрешность определения формы огибающей спектральной отражательной способности датчиков; 7) количество датчиков; 8) спектральное распределение брэгговских длин волн датчиков; 106 Определение аналитической зависимости суммарной погрешности определения брэгговских длин волн датчиков от всех источников погрешности является сложной задачей.
Более рациональным способом является метод численного моделирования. Для этого: 1)для каждого источника погрешности определяется значение его неопределенности (доверительный интервал); 2) при помощи генератора случайных чисел, генерируются значение для каждой величины; 3)система рассчитывается для сгенерированных значений; 4)операции 1-3 повторяются многократно, при этом запоминается максимальная погрешность измерения длины волны; 5)определяется максимальная погрешность измерений по всем циклам измерений, а также СКО.
Промоделируем погрешность измерений для следующих начальных условий: Таблица 3. Начальные условия для моделирования Наименование 1.1 Мощность лазера 1.2 Шумы интенсивности лазера 1.3 Амплитуда шума ФПУ (для длительности импульса 100 нс) 1.4 Относительная погрешность измерения мощности импульсов 1.5 Потери на разветвителях и затухание в ОВ 1.6 Исходная погрешность определения формы огибающей спектральной отражательной способности датчиков Значение 20мВт 0.5% 14 нВт 0,5,4 40 дБ; ЗбдБ; 28 дБ 1% Таблица 3.
Х-Х р ехр(-2- ~ ) ЬЯ 20;15;10;5 1.9 Количество датчиков 5 пм ЛХ~Ю.„=10 Структурная схема алгоритма моделирования представлена на рис. 2,21 П одолжение 1.7 Аналитическое выражение описывающее огибающую спектральной отражательной способности датчиков 1,8 Спектральное распределенйе брзгговских длин волн датчиков 2. Погрешность измерения ~воспроизведения) длины волны; 3. Отношение ширина спектра брэгговс кой решетки/шаг перестройки длины волны Л,=1550...1550,5 нм; АХ~=0,25 нм р=0,01...0,5 Длины волн распределены случайным образом в диапазоне 2 ЬХ6 108 Выполняемые операции Генерирование матрицы пгчмов ФПУ Рис.2,21, Структурная схема алгоритма для моделирования квази- расйределенной ВлкнОптчОЭИзмС с временным мультиплексированием сигнала Генерирование массива истинных значений бпэгговских длин волн Генерирование массива значений длин волн на которых предполагается измерять коэффициенты Генерирование массива измеренных (установленных) значений длин волн на которых буд Генерирование массива истинной мощности лазера для каждой длины волны на которой производится измерение Генерирование матрицы истинных коэффициентов отражения на истинных длинах волн Генерирование матрицы погрешности измерения мощности РЩ=1...Х„1=1...К)= СЗвД 0...80 нВт РМЕ(1=1...Х;1=1 ..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
