Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В распределенных волоконно-оптических датчиках, где чувствительным Э элементом является волокно, диапазон измеряемых величин ограничен возможностью внутренней структуры волокна выдерживать воздействие внешних факторов (деформация до 0,5М, температура — 50+140 'С). Кроме того, в зависимости от метода измерения и используемой аппаратуры, могут существовать еще и дополнительные аппаратные ограничения на диапазон измеряемой величины, Характерной особенностью распределенных волоконно-оптических датчиков на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна является то, что точность измерения не зависит от диапазона измеряемой величины (из-за линейной зависимости сдвига частоты от деформации и температуры), Совсем иначе дело обстоит с зависимостью точности измерения от пространственной разрешающей способности.
Рассмотрим эту зависимость. Разрешающая способность Ж, определяется длительностью импульса накачки т: АЬ=с.Ф2п- при рефлектометрическом методе. Однако чем меньше длительность импульса, тем шире его спектр и меньше мощность рассеянного излучения, что неизбежно отрицательно сказывается на точности нахождения центральной частоты рассеяния. Спектр рассеяния Мандельштама-Бриллюэна тоже уширяется и его форма начинает отклоняться от лоренцовой кривой.
Нормированный спектр отражения может быть описан при помощи следующего выражения: (1.27) ИР(а) = Н(а) / Н(0), где функцияН(а) описывается формой1121: (а'-1)-ехр(-А) ~(а' — Ц сох(А.а)+2и ят(Аа)~ Н(а) = —,б ° 1+ 11.28) а'+1 А~ аг +1) где а-относительный сдвиг частоты при бриллюэнновском рассеянии, определяется из формулы г,1.29) а=2 (ч — ч,)/Лн„, где гЬ,-ширина спектра рассеяния бриллюэна (по уровню 0,5) Спектры рассеяния для различных длительностей импульса приведены на рис.1.5 1 Ф 3 $ $05 В о. и а о. О 0 -10 -5 0 5 !О 15 15 -15 О~ Нормированная частота Рис. 1.5.
Спектры рассеянного излучения для различных длительностей импульса Из графика видно, что для длительности импульса 1 нс контур уширяется в 10 раз. Зависимость нормированной пиковой мощности 1спектральная плотность мощности на центральной частоте, пронормированная на 27 коэффициент усиления дб) от длительности импульса описывается при помощи функции Н(0)% ~ зависимость приведена на рис.1,6). 10 10' 10 10' Длительность импульса, с График зависимости нормированной погрешности измерения центральной частоты а=АЯЛ в~~2) от т приведен на рис. 1.7 Рис. 1.6.
Зависимость нормированной пиковой мощности от длительности импульса Как видно из рис. 1.6, при уменьшении длительности импульса в 1000 раз, интенсивность рассеяния Мандельштама-Бриллюэна уменьшается в 10000 28 10 Длительность импульса, нс Рис. 1.7. Зависимость нормированной погрешности от длительности импульса. при единичном измерении Из графика видно, что при длительности импульса 1 нс погрешность измерения более чем в 10 раз больше, чем при длительности импульса 100 нс.
Отсюда следует, что при увеличении пространственной разрешающей способности ухудшается точность измерения. Поэтому для каждой ф конкретной задачи требуется поиск компромисса между точностью и разрешающей способностью. В результате проведенного анализа методов построения ВлкнОптчОЭИзмС на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна было выявлено, что для волоконно-оптических датчиков характерны следующие метрологические характеристики и их типовые значения: - пространственное разрешение ~1 м...100м); - диапазон измерения напряжения/температуры (-40... +120'Сl -1,5...1,5%)- определяется прочностью ОВ; - абсолютная погрешность измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама — Бриллюэна 1МГц, что эквивалентно погрешности измерения температуры +1 С /деформаций 0,0017%); -динамический диапазон 17...24 дБ (для длительности импульса 1 мкс); Приведенные метрологические характеристики, в общем случае не являются независимыми величинами.
Диапазон длин зависит от разрешающей способности и, поэтому его значение приводится при определенной длительности импульса. Абсолютная погрешность измерения зависит от пространственного разрешения и затухания излучения в волокне, а также количества измерений, поэтому, значение абсолютной погрешности должно приводиться при 3-х параметрах (значение затухания в кабеле;- разрешение, количество измерений).
Максимальная погрешность должна приводиться при потерях, соответствующих динамическому диапазону и наилучшей разрешающей способности при определенном времени измерений (количеством усреднен ий), Еще одной проблемой распределенных измерительных волоконнооптических датчиков на основе эффекта рассеяния МандельштамаБриллюэна является то, что они измеряют по существу сдвиг частоты, а ® коэффициенты, по которым происходит пересчет измеряемой характеристики в общем случае разные, и зависят от состава и содержания легирующих добавок в сердцевине волокна. Поэтому для обеспечения максимальной точности, при эксплуатации, должна быть применена только та марка волокна, на которой проводилась калибровка. Кроме того, ВлкнОптчОЭИзмС на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна не способны различить влияние температуры и деформации.
Таким образом, результаты проведенного анализа позволяют сделать вывод о том, что использование ВлкнОптчОЭИзмС на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна целесообразно только в тех случаях, когда частота опроса датчиков может быть составлять несколько минут, а также когда априорно известно распределение температуры в оптическом волокне. 1.2.
Исследование возможности создания квази-распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе брэгговских решеток Первые брэгговские решетки были созданы в 1978 г. Г. Хиллом 1131. Тогда было показано, что ОВ обладают фоточувствительностью, то есть при воздействии ультрафиолетового излучения в германосиликатных стеклах возникает наведенный показатель преломления, остающийся в отсутствии электромагнитного поля. Также было продемонстрировано, что структуры с периодической модуляцией показателя преломления отражают излучение в окрестности резонансной длины волны (пропорциональной периоду решетки) и пропускают излучение с минимальными потерями в других спектральных диапазонах.
Так как поведение электромагнитного поля в данных структурах подчиняется законам Брэгга, данные решетки были названы брэгговскими решетками. 1.2.1. Влияние деформаций и температуры волоконного световода на спектр отражения брэгговской решетки Именно чувствительность к температуре и деформации брэгговской решетки и позволяет использовать ее в качестве чувствительного элемента в составе ВлкнОптчОЭИзмС. Центральная длина волны брэггов ской решетки зависит от эффективного показателя преломления и от периода решетки. Откуда, следует: дп, дЛ дл ~ дЛ ЬХд =21'Л вЂ” '~+и, — )М+2~Л вЂ” ~+и„— )ЬТ д1 '~ д1 дТ "~ дТ (1.58) Первое слагаемое дает значение сдвига длины волны в зависимости от деформации (удлинения), второе в зависимости от температуры.
Зависимость центральной отраженной длины волны от деформации также может быть представлена в следующем виде ~141: (1.59) З1 где р; константа деформации оптического волокна определяемая из следующего выражения: Л,= —" ~Р— (Л +Р 4 (1.60) рд и рд — коэффициенты Поккельса в тензоре оптических напряжений, ~- коэффициент Пуассона. Для типового волокна рай=0,113, рд=0,252 ~0,1б, и п,~,4,=1,4682 (151 Исходя из этих значений чувствительность для длины волны 1~=1550 нм составляет 12 нм/Ы. Второе слагаемое дает зависимость сдвига волны от температуры. Длина волны изменяется от температуры из-за следующих факторов- теплового расширения оптического волокна (удлиняется период брэгговской оптической длины решетки). Откуда следует, что зависимость сдвига длины волны от температуры может быть описана следующим выражением; ЬХб=Хб '(О л+ О4 'Ы (1.61) где ил- тепловой коэффициент расширения (ал=0,55 10 - для плавленого -6 кварца ~16~), а„- термо-оптический коэффициент (а„=8,6 10 для оптического -6 волокна с легированным герман нем).
Исходя из этих значений чувствительность к температуре брэгговской решетки для длины волны ° Ха=1550 нм составит 13,7пм/'С. Из (1.59) и (1.61) следует, что если 2 решетки с разным периодом подвергнуть одинаковому воздействию, как по температуре, так и по деформации, получится линейная система уравнений, из которой можно будет определить и температуру и деформацию- то есть разделить влияние на сдвиг спектра температуры и деформации.
В тоже время в ВлкнОптчОЭИзмС на эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна разделить влияние деформации и температуры затруднительно, ® решетки (изменение механической длины решетки)), а также изменения показателя преломления волокна в зависимости от температуры (изменение 32 1.2.2. Параметрический анализзависимости коэффициентов отражения и пропускания брэгговских решеток Для описания электромагнитных полей при прохождении брэгговской решетки используются методы, аналогичные методам анализа распространения электрического и магнитного полей в оптических волноводах. По тематике оптических волноводов, написано множество монографий, Однако по вопросу описания поля в волоконной брэгговской решетке работ крайне мало.
К числу таких работ можно отнести монографии ~17], 118], однако и в этих публикациях не все рассмотрено достаточно подробно. Поэтому представляется актуальным и важным проанализировать основные свойства волоконных решеток с учетом применения их в квази-распределенной измерительной системе. В рамках проводимого анализа распределения поля в оптическом волокне используем следующие допущения: 1) оптическое волокно не имеет потерь; 2) показатель преломления имеет ступенчатый профиль и описывается сис функциями, центры которых совпадают; 3) материал является оптически изотропным; 4) волокно является одномодовым в исследуемом спектральном диапазоне (то есть в волокне могут распространяться только 2 фундаментальные моды — одна в прямом направлении другая в противоположном); 5) волокно является слабонаправляющим, т.
е. и;п,~«л„' В ~17] показано, что если ОВ является слабонаправляющим, то векторы электрического и магнитного полей практически поперечны оси ОВ, то есть продольная составляющая поля много меньше поперечной составляющей, Из сделанных допущений 2), '3) и 4) можно сделать вывод, что поляризационными эффектами также можно пренебречь (при распространении излучения в ОВ состояние поляризации сохраняется). Электрическое поле можно записать как суперпозицию прямой и обратно распространяющихся мод: Е(х,у„г,г) =(Ь„(г) ехр(~.~3 г) Ч'(х,у)+Ь,(г) ехр(-3 Р.г) Ч>(х,уЯ.ехр( — ь т г) (1.30) где ~3=2 к п„~р Х- константа распространения в отсутствии возмущения в ОВ, Ь.>~(г), Ь |(г)- функции, определяющие зависимость поля от координаты г, Ч'(х,у)- функция, определяющая поперечное распределение поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
