Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 22
Текст из файла (страница 22)
На этой стадии к сигналам добавляется сл айный м 14,15 Корректировка предполагаемых значений длин волн по реперным точкам калибратора (операция осуществляется подпрограммой, состоящей из множества команд, которые осуществляют фильтрацию и об аботк сигнала Таблица 9. Комментарии к алгоритму моделирования и оптимизации проектируемой системы 155 Таблица 9.
П одолжение 17 Вычисление резонансных длин волн брэгговских датчиков ~операция осуществляется подпрограммой, состоящей из множества команд, которая осуществляет локальные максимумы сигнала, формируемого ФПУ1 в окрестности которых по линейному алгоритму определяются езонансные длины волн датчиков ) Вычисление погрешности измерения резонансных длин волн путем с авнения с исходными езонансными длинами волнами. Определяется максимальная погрешность определения резонасной длины волны с еди И=100 еализаций Для заданных значений разрешения интерферометра Фабри-Перо и коэффициента отражения отражателя, определяется минимальное значение коэффициента отражения брэгговской решетки, при котором погрешность измерения резонасной длины волны датчика по 100 еализациям не превышает 10 пм.
20 Определение такого соотношения разрешения интерферометра Фабри- Перо, и коэффициента отражения отражателя при которых достигается самый малый коэфф отражения брэгговской решетки, при котором погрешность измерения резонасной длины волны датчика по 100 реализациям не превышает 10 пм. 21,22 3.3.2. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей Проведем исследование влияния на метрологические характеристики системы каждого из параметров.
1. Влияние дискретности регистрации сигнала приведено на рис. 3.12 На основании данного алгоритма были получены следующие характеристики: минимальный коэффициент отражения 0,018 получается для СЛД высокой мощности (Р=10 мВт), разрешения интерферометра Фабри-Перо ЬХ,рп=30 нм, и коэффициенте отражения отражателя В =5%. 15б 18' Ш х 14 63 63 гт 12 и О Ш Б 10 2 3 4 Б 6 7 8 Э 10 Дискретность регистрации спгнепе, пм Рис. 3.12. Влияние дискретности сигнала на динамический диапазон, при котором погрешность измерения резонансной длины волны не превышает 10 пм.
Как видно из рис. 3,12 дискретность оказывает существенное влияние на динамический диапазон. На рис.3.13 продемонстрировано отношение сигналов с ФПУ 2 к ФПУ 1 (именно на основе этого сигнала, разработанный алгоритм корректирует предполагаемые значения длин волн) для двух случаев дискретность перестройки 1 пм и 10 пм (все остальные параметры одинаковые). Как видно из рис. 3.13 б) при высокой дискретности неглубокие пики поглощения цианида водорода фактически сливаются с уровнем шумов. В то время как, при дискретности регистрации 1 пм, все пики достаточно четко видны. Поэтому при большом шаге дискретизации приходится значительно увеличивать энергетические характеристики сигнала, что приводит к необходимости увеличения минимально допустимого коэффициента отражения брэгговской решетки, 157 66 И66 Ше ео тшт тма ВНЗ Нп тшв Ии ЕП Ме Д пиесе с и ам стс тси шв таш тсв гесз таи твн 5.и тше ннг 76ш Дениев, .н Рнс.
3.13. Отношение снгншюв с ФПУ 2 к ФПУ1 в)дпв дискретизации! пм; б) дш дискретшации 1О пм. 2, Влшшне рнрспиюшей сшшобнсоти интеррерометра Фвбри -Перо на динамический лиапазан макета Влияние разрешаюшей способности вктерферометтм Фабрп-Перо на динамический диапазон приведено парис. Зйс оо ч о 185 18 Р 15.5 15 С:~ 14.5 14 13.5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Раорешающаи способность иитерферометра Фабри-Перо,пм Рис. 3.14. Влияние разрешающей способности интерферометра ФабриПеро на динамический диапазон, при котором погрешность измерения резонансной длины волны не превышает 10 пм ~ Как видно из рис.
3.14 разрешающая способность интерферометра ФабриПеро влияет на энергетические характеристики сигнала не так сильно, как дискретность перестройки, что позволяет при выборе интер фером стра пользоваться стандартным рядом фактора резкости производителя — 16000, 8000, 4000,2000 (эквивалентно разрешению 12,5 пм, 25 пм, 50пм, 100 пм) и вследствие этого существенно снизить стоимость компонента (стоимость устройства из стандартного ряда значительно ниже) и несущественно ухудшать энергетические характеристики системы. 3. Влияние коэффициента отражения отражателя Коэффициент отражения отражателя влияет на уровень несущей составляющей сигнала (рис.
3,15), которая модулируется пиками поглощения калибратора (пики вниз ), и сигналами от датчиков 1'пики вверх), И если бы у источника отсутствовала спектральная модуляции (вызванная остаточными модами резонатора), то коэффициент отражения отражателя 159 было бы выгодно выбрать максимально большим. В то же время наличие спектральной модуляции при высоких коэффициентах отражения приводит к тому, что сигнал от брзггов ских датчиков становится фактически неразличимым на фоне несущей составляющей сигнала (рис.
3.15). 2,8 Ш 2,75 > С: 2,7 2,65 2,6 Ф ~ Я2.55 2,5 2,4Б 2,35 1560 1560,5 1561 1561,5 1562 1562,5 1563 Длина волны, нм Рис. 3.15. Сигнал, формируемый ФПУ1, при коэффициенте отражения отражателя В,„=0,2 Кар=0,018 Малые же значения коэффициента отражения отражателя приводят к тому, что пики поглощения калибратора становятся фактически не видимыми из-за шумов. Зависимость минимально допустимого коэффициента отражения отражателя (для обеспечения погрешности измерения длины волны 10 пм) в зависимости от коэффициента отражения отражателя была также исследована при помощи численного моделирования и приведена на рис.
160 ~4 3 14 12 о ю 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Коэффициент отражения отражатепя Рис. 3.16. Влияние коэффициента отражения отражателя на динамический диапазон, при котором погрешность измерения резонансной длины волны не превышает 10 пм. Как видно из рис,3.16 динамический диапазон системы не меняется существенно при изменении коэффициента отражения от 0,02 до 0,014, что дает возможность реализовать отражатель при помощи полировки торца волокна под углом 90' (френелевское отражение в этом случае составит 3-4%), 4.
Влияние шумов ФПУ на динамический диапазон макета Исследование влияние уровня шумов проводится с целью выявления потенциала частоты опроса системы (так как шумы растут пропорционально корню из частоты сигнала). В данной системе, где для одного цикла измерение необходимо осуществить регистрацию сигнала в 35000 точках (отношение ширины рабочего спектрального диапазона к дискретности) минимальный уровень шума 20 пВт соответствует частоте опроса 1 Гц (частота информационного сигнала 35кГц, удельные шумы ФПУ 0,11 пВт/Гц'~ — соответствуют паспортным характеристикам ФПУ 161 РЕМТОЬАВ 1531). Соответственно анализ динамического диапазона системы для больших в 10 раз шумов, зто анализ системы имеющей в 100 раз большую частоту опроса датчиков. На рис.
3.17 представлены результаты моделирования системы для различных уровней шумов. М3 "с 1 ж Я 3 . 2 3 1П рт 8 П 20 40 ез И3 100 120 140 1Ю 1Ю 200 Швы ФПУ, пВт Рис. 3.17. Влияние уровня шума на динамический диапазон, при котором погрешность измерения резонансной длины волны не превышает 10 пм, Как видно из результатов моделирования зависимость динамического диапазона от уровня шумов не подчиняется линейному закону. Также из результатов моделирования видно, что в диапазоне 20...90 пВт характеристика системы фактически линейна и изменяется несущественно, что позволяет потенциально реализовать систему с частотой опроса датчиков 20-25 Гц с приемлемым динамическим диапазоном (10 дБ).
Предельная частота измерений по результатам моделирования оказалась в 3 раза меньше по сравнению с результатами полученными в 2.2.2 несмотря на то, что использовался более мощный источник излучения. Такое отличие результатов 162 можно объяснить тем, что в качестве калибратора использовалась кювета с цианидом водорода, имеющая значительно менее контрастные пики поглощения, по сравнению с интерферометром Фабри-Перо, а также тем, что при моделировании учитывалось большее количество факторов.
Из полученных результатов моделирования, можно сделать выводы, что наиболее существенно на динамический диапазон влияют дискретность регистрации сигнала, шумы ФПУ, и коэффициент отражения отражателя. Причем для коэффициента отражения отражателя характерно оптимальное значение, при котором достигается максимум динамического диапазона. 3.4. Экспериментальные измерения деформации объектов с помощью макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков Для экспериментального исследования деформации разработан стенд, структурная схема которого представлена на (рис.
3.18). '1 $ 1 1 1 Макет квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе ВОБП 3 Термостабилизированное помещение Рис. 3.18. Структурная -схема установки для исследования деформации с помощью макета квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе ВОБП В данной установке к макету измерительной системы были последовательно подсоединены 3 брэгговских датчика со следующими резонансными длинами 163 волн 153б,325 нм, 1545,547 нм, 1554,257 нм.
Последовательно каждый из датчиков подсоединялся к экстензометру 3590НК, у которого погрешность измерения удлинения составляет 0,4мкм, что для датчика с базой 80 мм эквивалентно погрешности 0,0005% (в два раза лучше чем, предполагаемые характеристики измерителя деформации). Для исследований макета первоначально измерялась чувствительность каждого датчика (коэффициент, связывающий изменение деформации с изменением длины волны). Для этого для каждого на калибраторе деформаций датчика задавалась деформация эквивалентная 0,1% и измерялся сдвиг длины резонансной волны, На основе измерения ® сдвигов резонансных длин волн определялись коэффициенты чувствительности датчиков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
