Диссертация (1091115), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Излучение широкополосного оптическогоисточника сравнительно высокой мощности вводится в сенсорную системуВБР-датчиков, после чего отраженный сигнал анализируется. При помощи37данной методики достигается точность измерения резонансной длины волныВБР в 1 пм. Для увеличения числа ВОД используется оптическийпереключатель. Габариты регистрирующего модуля оптимизированы длястойки 19’’. Внешний вид регистрирующего модуля FBG-Scan представленна рисунке 1.2. В целом по своим характеристикам данные регистрирующиемодули близки к аналогичным устройствам других компаний.Рисунок 1.2.
Внешний вид регистрирующего модуля FBG-Scan 816фирмы FBG-SРегистрирующий модуль с относительно высокой частотой опросадатчиков представлен фирмой FBG-S моделью FBG-ScanX04D. Приотносительно невысоком по сравнению с другими регистрирующимимодулями количестве регистрируемых в секунду спектров, данная модельподдерживает работу с большим количеством сенсорных элементов (до 10 в4х оптических каналах).Внешний вид регистрирующего модуля FBG-Scan804D изображен нарисунке 1.3.Рисунок 1.3. Внешний вид регистрирующего модуля FBG-Scan 804фирмы FBG-S38Следует отметить, что и регистрирующий модуль 804D обладает темиже характеристиками точности измерения резонансной длины волны.Регистрирующий модуль Bragg METER разработан компанией FiberSensing[47].Основнымегоэлементомявляетсяперестраиваемыйузкополосный лазер, в ходе одного такта измерения изменяющий рабочуюдлину волны в диапазоне 1500 – 1600 нм.
Принцип работы данногорегистрирующегомодуляаналогиченпринципуработыsm225-800,описанному выше.Меньшее по сравнению с другими аналогичными устройствами числооптических каналов в данном регистрирующем модуле может бытькомпенсировано использованием в сенсорной системе дополнительныхоптических переключателей, что довольно не удобно. Регистрирующиймодуль Bragg METER выпускается в двух основных модификациях – FS2100и FS2200, различающихся частотой регистрации спектров и динамическимдиапазоном измерения.
Корпус также имеет две модификации – стандартную(рисунок 1.4.а) и оптимизированную для крепления в 19-дюймовую стойку(рисунок 1.4.б).Рисунок 1.4. Внешний вид регистрирующего модуля Bragg METERРегистрирующий модуль Bragg SCOPE фирмы Fiber Sensing совмещаетвсебемощныйширокополосныйисточникизлученияинабортонкопленочных спектральных фильтров, что позволяет производитьнепрерывный опрос 4х ВБР-датчиков с частотой до 10 Гц. Регистрирующиймодульсодержитвстроенныйкомпьютерныймодуль,позволяющийосуществлять первичную обработку данных и передачу их на удаленныйкомпьютер.
К недостаткам регистрирующего модуля можно отнести39сравнительно малые возможности мультиплексирования и невысокийдиапазон вариации длин волн сенсорных головок, что связано, по-видимому,с фиксированной полосой пропускания тонкопленочных фильтров. Внешнийвид регистрирующего модуля Bragg SCOPE приведен на рисунке 1.5.Рисунок 1.5.
Внешний вид регистрирующего модуля Bragg SCOPEТаким образом, рассмотрев существующие волоконно-оптическиеквазираспределенныеметодытехническойдиагностикистатическогооборудования, можно сделать следующие выводы:• Современные квазираспределенные методы технической диагностикиобладают лучшими техническими характеристиками в сравнении сраспределенными методами.• Наиболее подходящей и практически применимой для решения такихзадач является волоконно - оптическая система на основе ВБР, основаннаяна измерении спектральной характеристики ВБР, однако и такая системане лишена недостатков для решения задач точной и надежнойтехнической диагностики:• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры имеетмалый спектральный и динамический диапазон работы, не обладаетдостаточной скоростью опроса ВОД, что необходимо для техническойдиагностики больших объектов;• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры так жене имеет нормировки опорного сигнала, что приводит к систематическимошибкам в измерениях;40• Современные ВОД температуры имеют высокую погрешность и малыйдиапазон работы (до 150°С), хотя в большинстве приложений требуетсяизмерение температуры до 500°С с погрешностью измерений не хуже±1°С.• Современные ВОД деформации имеют малый диапазон работы (до 0.5%),хотя в большинстве приложений требуется измерение относительногорастяжения / сжатия объекта до ±1%.Проведенныйанализволоконно-оптическихквазираспределенныхметодов, в частности работающих на основе ВБР, показал, что эти методыдавно известны и широко используются для измерения температуры идеформации различных объектов.
Актуальной проблемой является созданиеновых типов квазираспределенных методов и аппаратуры для техническойдиагностики промышленных объектов, позволяющих проводить мониторингна кардинально новом уровне, а именно, проводить измерения с высокойточностью, с возможностью гибкого формирования системы мониторинга, свозможностью отслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно исразу в большом количестве.1.2.4. Выводы и постановка задачи исследованийПервая глава работы посвящена обзору и анализу современныхметодик и аппаратуры для технической диагностики промышленногооборудования.В результате выполненного анализа в связи с поставленной задачейдиссертационных исследований сделаны следующие выводы:Рассмотрев современные методики для технической диагностикипромышленных объектов, можно сделать вывод, что использование иприменениеволоконно-оптическойквазираспределенногометодаметодики,позволяеттребования и качество проводимых измерений.обеспечитьвчастностинеобходимые41Наиболее подходящей и практически применимой для решения такихзадачявляетсякомплекса,волоконныхразработкаоснованногорешетокнаБрэгга.волоконно-оптическогоизмерениителеметрическогоспектральнойСуществующаянахарактеристикисегодняшнийденьаппаратура имеет целый ряд недостатков:• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры имеетмалый спектральный и динамический диапазон работы, не обладаетдостаточной скоростью опроса датчиков, что необходимо для техническойдиагностики больших объектов;• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры неимеет нормировки опорного сигнала, что приводит к систематическимошибкам в измерениях;• Современныеволоконно-оптическиедатчикитемпературыимеютвысокую погрешность и малый диапазон работы (до 150°С), хотя вбольшинстве приложений требуется измерение температуры до 500°С спогрешностью измерений не хуже ±1°С.• Современные волоконно-оптические датчики деформации имеют малыйдиапазон работы (0.5% относительной деформации), хотя в большинствеприложений требуется измерение относительной деформации объекта до2%.Важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно –оптического телеметрического комплекса, является повышение диапазоновработыдатчиковтемпературыидеформации,адаптацииихкпромышленному применению, проведение измерений в большом количестветочек одновременно, с высокой частотой, точностью и надежностью длябыстрого реагирования в случае преждевременного выхода из строя объектаили оборудования, снижения риска аварийных и опасных ситуаций.Таким образом, разработка методик и аппаратуры для техническойдиагностики промышленного оборудования с использованием волоконнооптического телеметрического комплекса является актуальной задачей.42ГЛАВА 2.
Теоретические исследования квазираспределеннойволоконно-оптической методики определения температуры идеформации и разработка алгоритмов обработки измерений2.1. Волоконно - оптические решетки Брэгга и их основныепараметрыВолоконная решетка Брэгга (ВБР) представляет собой участокодномодового волоконного световода, в структуре которого наведенапериодическая структура показателя преломления с периодом Λ, имеющаяопределенное пространственное распределение, схематически показанное нарисунке 2.1 [2, 26, 58].Рисунок 2.1. Схематическое изображение ВР (1 – сердцевина, 2 –кварцевая оболочка световода)Наибольшеераспространениефотоиндуцированныерешеткивнастоящеепоказателявремяполучилипреломления,которыезаписываются достаточно мощным УФ-излучением. В результате такогооблучения в фоточувствительной сердцевине волоконного световода (1)происходит стабильное изменение показателя преломления (n), величинакоторогоотносительноневелика(∆~10−4 ÷ 10−2 ),апоказательпреломления нелегированной кварцевой оболочки (2) остается неизменным.Такаяструктураобладаетуникальнымиспектральнымихарактеристиками, определяющими ее широкое применение в различныхустройствах волоконной оптики.Наиболее важным свойством ВБР является узкополосное отражениеоптического излучения на определенной длине волны ВБР , спектральнаяширина которого составляет ~0.2нм.43СтруктураВБР выбирается таким образом, чтобы обеспечитьрезонансное взаимодействие между определенными модами волоконногосветовода [2].Взаимодействие мод чаще всего описывается с помощью теориисвязанныхмод.
Наопределеннойдлиневолнытолькодвемодыудовлетворяют условию фазового синхронизма и, таким образом, могутэффективно передавать друг другу энергию. Поля мод в присутствии слабогопериодического возмущения остаются неизменными.НаВБРосновнаямодасветоводавзаимодействуетсмодой,распространяющейся в противоположном направлении. Это взаимодействиеосуществляется при выполнении условия фазового синхронизма:2 = 2⁄Λ ,(2.1)где β – постоянная распространения рассматриваемых мод, N – целоечисло, характеризующее порядок, в котором реализуется межмодовоевзаимодействие. Постоянная распространения основной моды выражаетсясоотношением = 2 ⁄ ,(2.2)где – эффективный показатель преломления основной модысветовода, λ – длина волны в вакууме.Резонансное взаимодействие рассматривается в первом порядке(N = 1), а уравнение фазового синхронизма (2.1) для выражения резонанснойдлины волны ВБР можно записать в более простом и наиболеераспространенном виде:ВБР = 2 Λ , (2.3)Для записи образцов ВБР использовалась лабораторная установкаНаучного Центра Волоконной Оптики (НЦВО РАН), схема которойпредставлена на рисунке 2.2 [3, 57, 59, 82].Установка основана на применении интерферометра Ллойда длясозданияинтерференционнойкартиныУФ-излучениявобластифоточувствительной сердцевины световода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
