Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Этот вид датчиков не требует электропитания, чувствительная зона преобразователя по существу совмещена с волоконно-оптическими линиями передачи измерительной информации. Степень воздействия условий внешней среды, электромагнитных помех, высоковольтного напряжения, агрессивных сред на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, использующие электрическое преобразование измерительной информации. Кроме того, волоконно-оптические датчики, значительно меньшую погрешность измерения деформации, чувствительность.
а также более высокую Именно по этим причинам, разработка оптико-электронных измерительных систем (ОЭИзмС) на основе распределенных и квази- распределенных волоконно-оптических датчиков, является важной и актуальной задачей Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка оптико-электронной измерительной системы на основе квази- распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, предназначенной для мониторинга деформации элементов конструкций инфраструктурных объектов. Достижение поставленной цели потребует решения в диссертации следующих основных научно-исследовательских задач: - детального анализа возможных методов регистрации сигнала с квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических датчиков; - обоснование принципов и технических путей построения ОЭИзмС на основе волоконно-оптических брэгговских датчиках; -разработка методик регистрации сигналов, формируемых волоконнооптическими брэгговским преобразователями; -разработки функциональной схемы квази-распределенной оптико- электронной измерительной системы, и анализа источников погрешности; - разработки макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы и анализа ее метрологических характеристик; разработки системы метрологического обеспечения для квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы; В'соответствии с вышеизложенными задачами диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Первая глава посвящена анализу возможности создания оптико- электронных измерительных систем на основе квазираспределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков. В этой главе проводится сопоставительный анализ двух различных типов, систем- квази- распределенных и распределенных, основой которых являются так называемые частотные волоконно-оптические датчики. Во второй главе приводятся. методики расчета потенциальных характеристик для.
различных методов построения измерительных систем, В данной главе проводится анализ двух основных методов построения-'квази- распределенных оптико-электронных измерительных систем на основе .' спектрального мультиплексирования датчиков и на основе, временного уплотнения сигналов с преобразователей. В' данной главе проводится как. теоретический анализ, так и проводится численное моделирование данных систем. ® Третья, глава посвящена разработке и исследованию квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе выбранного метода. измерения. В данной главе производится анализ основных элементов. Разрабатывается методика анализа погрешности измерения резонансных длин волн волоконно-оптических брэгговских датчиков.
Проводятся исследования, разрабатываемого макета оптико-электронной измерительной системы. Также в данной главе осуществляется разработка системы метрологического обеспечения квази-распределенной оптико- электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков. В заключении формулируются основные результаты исследований. 1О ГЛАВА 1.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОПТИКОЭЛЕКТР ОНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ 1.1. Анализ волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна Волоконно-оптические датчики благодаря таким конструктивным особенностям, как нечувствительность к внешним электромагнитным полям, пожаро- и взрывобезопасность (из-за того, что носителем сигнала является маломощное оптическое излучение), химическая инертность являются весьма перспективными для использования их в качестве чувствительных элементов в распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных системах (ВлкнОптчОЭИзмС) осуществляющих реконструкции распределения физических полей во времени и пространстве.
В ВлкнОптчОЭИзмС внешнее физическое воздействие модулирует какой-либо параметр оптического излучения — частоту (или спектр отраженного излучения (пропущенного)), амплитуду (интенсивность), фазу, состояние поляризации. В дальнейшем термином «распределенные ВлкнОптчОЭИзмС» будем' обозначать класс измерительных систем, в которых волоконно-оптические ® преобразователи могут быть соединены последовательно оптическим волокном (ОВ) (или в которых распределенным чувствительным элементом является ОВ) и сигнал с которых без промежуточного преобразования (оцифровки) передается на систему обработки.
ВлкнОптчОЭИзмС можно разделить на два вида: 1)распределенные - в которых измерения осуществляются по всей длине ОВ; 2)квази-распределенные (термин квази-распределенные широко используется в зарубежной литературе — <1иая-<11я~пЬц1е<1, в отечественной литературе этот термин впервые использовал академик ДВО РАН Ю. Н. Кульчин)- в которых 11 измерения осуществляются на отдельных участках, где расположены датчики физических параметров (деформации, температуры, давления и т.п.) В соответствии с модул ируемым параметром излучения, ВлкнОптчОЭИзмС подразделяются на четыре типа: 1)амплитудные 2)фазовые, 3) поляризационные, 4) частотные, ВлкнОптчОЭИзмС амплитудного типа, как правило, работают на основе принципа импульсно-временной рефлектометрии, то есть измеряют зависимость интенсивности рассеянного или отраженного излучения от времени после запуска импульса.
Приборы такого типа нашли широкое применение в волоконнооптических системах передачах информации (ВОСПИ) для целей измерения распределения затухания оптического сигнала вдоль длины кабеля и, в настоящее время, парк таких приборов только в РФ составляет около 5000 штук. Также к системам данного типа можно отнести рефлектометрические приборы на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, которые измеряют распределение соотношения интенсивностей стоксовой и антистоксовой составляющих (данное соотношение меняется в зависимости от температуры оптического волокна) рассеянного излучения в зависимости ® от времени после запуска импульса.
Приборы данного типа активно используются для измерения температуры протяженных объектов за рубежом, однако в РФ приборы данного типа, пока не используются, хотя в 2003 г во ФГУП ВНИИОФИ была проведена НИР (Ц, посвященная вопросу метрологии средств измерения данного типа, по итогам которой были разработаны программа испытаний и методика поверки для приборов данного типа.
Принцип работы ВлкнОптчОЭИзмС фазового типа (или интерференционных ВлкнОптчОЭИзмС, как их часто называют) основан на использовании эффекта изменения фазы направляемого в ОВ излучения в результате внешнего воздействия. Вследствие того, что изменение фазы излучения носит интегральный характер (на каком либо отрезке волокна), ВлкнОптчОЭИзмС данного типа относятся к квази-распределенным. Подобные системы используются для измерения акустического давления в таких приложениях, как, например, охрана морских границ (2, с.15б1, Поляризационные ВлкнОптчОЭИзмС основаны на эффекте изменения состояния поляризации рассеянного или отраженного (реже прошедшего) излучения в результате наведенного под внешним воздействием двулучепреломления.
Для детектирования сигнала, как правило, как и в амплитудных ВлкнОптчОЭИзмС, используется метод импульсно-временной рефлектометрии (измеряется зависимость интенсивности излучения Э прошедшего через поляризатор, в зависимости от времени). Широкого применения данные устройства не получили, однако есть сообщения в публикациях [31 о применении средств измерения данного типа для оценки деформации (с разрешением 0,002Ы) и температуры (с разрешением 0,05') с пространственным разрешением до 2 м при длине чувствительно ОВ 80 м. Из всех видов ВлкнОптчОЭИзмС наиболее устойчивыми к внешним помехам являются датчики частотного типа, так как амплитуда, фаза и состояние поляризации очень чувствительны к состоянию среды, в которой распространяется оптическое излучение, а частота без учета нелинейных эффектов практически не меняется. Среди ВлкнОптчОЭИзмС данного типа можно выделить распределенные- на основе нелинейного оптического эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и квази- распределенные на основе эффекта резонансного отражения от волоконнооптических брэгговских решеток (структуры с периодически изменяющимся показателем преломления вдоль оси волокна).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
