Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Х)= С3вД -0,01...0.01 109 Расчет матрицы значений измеренной мощности сигнала отраженных от датчиков Расчет матрицы значений измеренных коэффициентов отражения Расчет массива значений измеренных брэгговских длин волн Расчет массива значений погрешности измерения брэгговской длины волны и максимальной ошибки для данной реализации Цикл по М=1000 реализациям Поиск максимальной ошибки измерения во всех реализациях Вывод результатов моделирования Рис.2.21.
Продолжение 110 Входными данными для программы являются коэффициент отражения на брэгговской длине волны К(Хбр), потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ (при прохождении излучения от лазера до последнего датчика) и количество датчиков в линии. В результате расчета получены следующие зависимости (рис.2.22-2.28) максимальной погрешности измерения брэгговских длины волн датчиков среди 1000 реализаций в зависимости от коэффициента отражения на брэгговской длине волны (делается допущение, что все решетки на хб, имеют одинаковый коэффициент отражения 1~16~бр1)= 1~2Рбр2)= %3Р брз)= ° "= %~0"бра)).
140 [: л 120 х о с д 100 с еб к ВО БО Ц 40 2 =-1 20 С= о 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 О,В КоэФФициент отражения брэгговских решеток Рис. 2.22. Зависимость максимальной погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков среди 1000 случайных реализаций, от коэффициента отражения К(Хбр). Количество датчиков- 5, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ -40 дБ 111 18 Л! ~ 1В Х с о й 12 $10 Ф в И а в о В1 4 $ Р,ЗВ 0,4 0,4В Коэффициент отражения брэгговских решеток Рис.
2.23. Зависимость погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков, от коэффициента отражения К(Хвр). Количество датчиков 5, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ -36 дБ. зо Е 28 л о х 24 к 22 О. 20 й Я 18 О 18 Ф 14 о 12 0,04 О,ОВ 0,08 Р,1 0,12 0„14 0,18 0,18 0,2 Р„22 0,24 Коэффициент отражения брэгговских решеток Рис. 2.24, Зависимость погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков, от коэффициента отражения К(Хвр). Количество датчиков 10, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ- 36 дБ. 112 14 х 12 о О) л Й 1О % й о л о х з О) а .о о,оа о,1 о,ы о,2 о,2о а,з КоэФфициент отракения брэгговских решеток Рис. 2.25. Зависимость погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков, от коэффициента отражения К(Хбр). Количество датчиков 10, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ- 32 дБ.
11З 120 с Ь 100 о В л 60 5 х 60 р 40 о о 20 $ о Г: 0 0 0,1 0,2 О,З 0,4 0,6 0,6 0,7 0,6 Коэффициент отражения брэгговских решеток Рис. 2.26. Зависимость погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков, от коэффициента отражения К(Хар). Количество датчиков 15, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ- 32 дБ. 16 417 о ш ф16 Й $15 р14 Й л Ь1З о в р12 о с: 11 0,04 0,05 0,06 0,07 0,06 0,09 0,1 0,11 Коэффициент отражения брэгговских решеток Рис. 2.27. Зависимость погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков, от коэффициента отражения К(Хбр). Количество датчиков 20, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ- 32 дБ 114 14 л о Е 12 т о 1ГО ~Т р 6 л 66 о Х э Ф о.
о 4 с: 002 004 006 006 01 012 014 Коэффициент отражения брэгговских решеток Рис. 2.28. Зависимость погрешности измерения брэгговских длин волн датчиков, от коэффициента отражения К(Хбр), Количество датчиков 20, потери мощности излучения на разветвителях и затухание в ОВ- 28 дБ. Анализируя результаты моделирования можно сделать следующие выводы: 1) Динамический диапазон, рассчитанный методом моделирования получился ниже в среднем на 4 дБ, чем при расчете аналитическим методом, так как было учтено взаимное влияние погрешностей измерения амплитуд импульса, а также были учтены остальные источники погрешности (нестабильность мощности лазера, погрешности измерения длин волн, погрешность формы огибающей спектральной отражательной способности) 2) Оптимальный коэффициент отражения, полученный по результатам моделирования отличается от оптимального коэффициента отражения полученного путем поиска максимума отраженного сигнала — Я.
(1-Л)'~"-О = О. дА ( 2,79) 115 Полученный по результатам моделирования оптимальный коэффициент отражения: (2,80) Такое существенное различие можно объяснить тем, что в первом случае учитывались лишь энергетические характеристики, и оптимизация проводилась с целью обеспечения максимума сигнала, а во втором случае, анализ проводился с учетом значительно большего количества факторов, а оптимизация проводилась по минимуму ошибки. Последним неопределенным значением осталась частота опроса датчиков. Как было уже показано в разделе 2.2.1, частота опроса определяется отношением скорости сканирования длины волны к рабочему спектральному диапазону. Однако сама скорость перестройки длины волны будет ограничена, требованием к максимальной скорости следования импульсов.
(2.81) где т„— длительность зондирующего импульса, и- максимально допустимая скважность импульсов (отношение длительности импульса к периоду следования импульсов) Хв- общая длина волокна (расстояние до последнего ~р датчика), 1„„„- минимальное расстояние между датчикам ( длина волокна),тскважность импульсов. Соответственно, максимальная частота опроса датчиков будет определяться из выражения: (2.82) где ЛХ- рабочий спектральный диапазон. Так для Ы,=10 нм, Х„=10000 м 7„„„=100 м, ЬХ„=25 пм, т„=100 нс максимальная частота опроса составит 125 Гц.
Необходимо отметить еще и то, что в данном методе можно, увеличивать частоту опроса датчиков, если брэгговские длины волн датчиков мало отличаются друг от друга. То есть, если, например, объект испытывает 116 малые деформации, частота опроса значительно датчиков значительно выше, но как только деформация увеличивается 1',увеличивается требуемый спектральный диапазон снижается. Так для АХ=0,5 нм, 1,=10000 м 1„„„=100 м, ЬХ„=25 пм, т„=100 нс максимальная частота опроса составит 2,5 кГц. На основе проведенных исследований можно сделать выводы при помощи данного метода можно реализовать измерительные системы, которые обладают: 1) сравнительно хорошими метрологическими характеристиками (доступна погрешность измерения резонансной длины волны менее 5 пм); 2) большим динамическим диапазоном, который уступает только аналогичному методу со спектральным уплотнением; 3) высокой частотой опроса датчиков.
Все указанные преимущества рационально использовать для контроля больших удаленных объектов, на которых, требуется к тому же отслеживать динамику деформаций. 2.4. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе пространственно-временного мультиплексирования В предыдущем разделе был проанализирован метод пространственного распределения на основе временного мультиплексирования. Было продемонстрировано, что погрешность измерения длины волны возрастает при увеличении количества датчиков из-за взаимного влияния погрешностей измерения коэффициентов отражения датчиков.
Для устранения указанной погрешности в был предложен метод на основе пространственно-временного мультиплексирования. 117 овь, Рис. 2.29. Структурная схема метода пространственно-временного уплотнения датчиков В данном методе, состав и принцип работы аппаратуры для обработки сигнала аналогичен, тому, что приведен на рис.
2.29 и описан в разделе 2.2. Разделение сигнала от датчиков достигается, тем, что длина волокна до каждого датчика различна и, вследствие этого, импульсы, отраженные от датчиков 1...Х, возвращаются в регистрирующую систему в различные моменты времени. В результате достигается некоторая степень аналогии с методом описанным в разделе 2.2, но есть кардинальное отличие, заключающееся в следующем: отсутствует взаимное влияние погрешности измерений коэффициентов отражения предыдущих датчиков, на результат измерений так как каждый датчик находится в своем индивидуальном измерительном канале и, поэтому спектр излучения при распространении до датчика фактически не меняется.
Для оценки эффективности рассматриваемого метода определим основные характеристики измерительной системы Наилучшие образцы сплавных разветвителей 1хХ обладают следующими характеристиками ~50~: 118 Таблица 4. Характеристики разветвителей Соответственно, потери на прохождение сигнала до датчика и обратно, составят в два раза большую величину (в дБ).
Исходя из этого, суммарное. ослабление мощности сигнала, при увеличении количества датчиков в 2 раза, составляет 7,2 дБ (теоретический предел составляет 6 дБ). Потери на прохождение излучения от лазера до, последнего датчика составят: а, т„с а „= ' " +2т1,„+2~ Ш (2.8З) на разветвителе, входящем в состав измерительной аппаратуры, и на разветвителе 1хХ соответственно. Максимальная частота опроса датчиков будет определяться таким же образом, как и в предыдущем разделе. Проведем анализ погрешности при помощи компьютерного моделирования (аналогично тому, как моделирование проводилось в предыдущем разделе, с той лишь разницей; что в программе выбирается количество датчиков И=1 (соответствует одному датчику в канале), а затухание выбирается исходя из реального количества датчиков). Промоделируем погрешность измерений для следующих начальных условий." ° где а,=0,25 дБ/км- коэффициент ослабления излучения в оптическом волокне, т„- длительность импульса, т- скважность импульсов, т1 =4 дБ, пр,- потери 119 Таблица 5.
Наименование Значение 1.1 Мощность лазера 20мВт 0,5% 32;64;128 0,5 1% р ехр(-2 " ) ЬЛ Л„=1550...1550,5 нм; 616=0,25 нм; р=0,5...0,99 Длины волн распределены случайным образом в диапазоне 2 ЛХ6 5 пм ЬХ6/БХ„=10 Результаты моделирования приведены на рис. 2,30-2.32 Начальные условия для моделирования 1.2 Шумы интенсивности лазера 1.3 Амплитуда шума ФПУ ~для длительности импульса 100 нс) 1.4 Относительная погрешность измерения мощности импульсов 1,5 Количество датчиков 1.б. Скважность импульсов 1.7 Исходная погрешность определения формы огибающей спектральной отражательной способности датчиков 1.8 Аналитическое выражение, описывающее огибающую спектральной отражательной способности датчиков ! .9 Спектральное распределение брэгговских длин волн датчиков 1,10Количество датчиков в одном канале 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
