Оптоволоконная мультисенсорная система, датчик температуры/деформации для оптоволоконной мультисенсорной системы, способ записи датчика (варианты)

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения пространственного распределения температуры/деформаций протяженных объектов, и может найти применение, например, в нефтяной отрасли, энергетике, автомобиле- и самолетостроении, мониторинге деформаций конструкций мостов, опор, зданий. Система состоит из оптически связанных источника излучения, которым служит лазер, оптического волокна (диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 12-20 мкм) с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток, отражающими свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства и анализатора спектра, которым служит фотоприемник. Датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы. Запись датчиков в толстом оптическом волокне производится излучением лазера с длиной волны 240-270 нм, мощностью более 0,5 Вт, или через находящуюся на световоде защитную полимерную оболочку излучением лазера с длиной волны 270-450 нм и мощностью более 1 Вт. Технический результат - создание оптической системы более надежной и прочной, более протяженной, более простой и дешевой, повышение однородности и стабильности записанной брэгговской решетки, увеличение эффективности взаимодействия с решеткой света, распространяющегося по волокну, повышение быстродействия и чувствительности решетки к внешним воздействиям. 4 н.п. ф-лы, 2ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к оптоволоконным средствам измерения пространственного распределения температуры/деформаций протяженных объектов, и может найти применение в нефтегазовой отрасли (нефте- и газопроводы, хранилища, скважины и др.), горнодобывающей промышленности (элементы шахтных конвейеров и др.), энергетике (конвейеры и элементы оборудования ТЭЦ, ГЭС, АЭС), автомобиле- и самолетостроении (испытания конструктивных элементов), мониторинг деформаций конструкций мостов, опор, зданий и других крупных промышленных и гражданских объектов.

Известны оптоволоконные системы для измерения распределения температуры (деформаций), в которых в оптическом волокне имеется необходимое количество датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (БР), в качестве источника излучения используется широкополосный лазерный диод (или набор диодов), в качестве детектора - оптический анализатор спектра (или спектрометр на основе дифракционной решетки) A.Othonos, K.Kalli "Fiber Bragg Gratings; Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing", Artech House Publishers, 1999, c.301-389 /1/. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001, с.149-179 /2/.

Принцип действия основан на том, что датчик на основе БР, записанный в оптоволокне, отражает световой сигнал на резонансной (Брэгговской) длине волны, зависящей от температуры (деформации) датчика; сигнал по оптоволокну через волоконный ответвитель поступает в спектральный прибор (детектор), который по положению спектрального пика позволяет определить температуру датчика.

К недостаткам данной системы можно отнести сложность и высокую стоимость спектрального прибора типа оптического анализатора спектра или дифракционного спектрометра. К тому же стандартные методы записи оптоволоконных датчиков ограничивают прочность датчиков и системы в целом из-за использования тонкого оптического волокна (обычно стандартного одномодового волокна с диаметром стеклянной оболочки 100-150 мкм и диаметром сердцевины 5-10 мкм) и необходимости снятия полимерной оболочки при записи БР.

Наиболее близкой к предлагаемой является оптическая система, использованная в известном способе спектрального мультиплексирования датчиков, защищенном патентом US 5426297, June 20, 1995. Multiplexed Bragg grating sensors /3/. Способ заключается в том, что в одном оптоволокне записывается некоторое количество датчиков на БР, которые отражают световые сигналы, каждый на своей оптической частоте (длине волны); сигналы по оптоволокну через волоконный ответвитель поступают в оптический анализатор спектра, который после компьютерной обработки позволяет определить температуру каждого датчика.

Этот способ и система имеет те же недостатки и предусматривает также использование тонкого (стандартного одномодового) оптического волокна.

Задачей настоящего изобретения является создание оптической системы более надежной и прочной, включая как сами датчики, так и несущее оптическое волокно, что позволяет также сделать систему более протяженной, а в сочетании с новыми решениями по мультиплексированию и детектированию сигналов датчиков сделать систему более простой и дешевой, и одновременно имеющей улучшенные технические характеристики. Кроме того, кроме прочности, увеличение сердцевины приводит к улучшению других характеристик, таких как однородность и стабильность записанной брэгговской решетки. Увеличение поперечного размера решетки увеличивает эффективность взаимодействия с решеткой света, распространяющегося по волокну, а также быстродействие и чувствительность решетки к внешним воздействиям (например, температурным), которое обычно передается на сердцевину через оболочку (при том же размере оболочки, расстояние от внешней границы волокна до границы сердцевины меньше), а также большей чувствительности к изгибным и пр. деформациям. Задействованный интервал диаметра сердцевины позволяет при определенных условиях (выбор показателя преломления сердцевины и т.п.) еще работать в одномодовом режиме или близком к нему (где отсутствуют проблемы многомодовости и т.п.), а при этом появляются дополнительные плюсы в сравнении с обычным одномодовым волокном.

Поставленная задача решена за счет того, что в известной оптоволоконной мультисенсорной системе, состоящей из оптически связанных источника излучения, оптического волокна с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных БР, отражающих свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства (типа ответвителя или циркулятора) и анализатора спектра, источником излучения служит лазер, перестраиваемый по длине волны, датчики выполнены в оптическом волокне диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 3-20 мкм, датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы, анализатором спектра служит фотоприемник, сопряженный с перестраиваемым элементом лазера.

Использование перестраиваемого лазера (например, полупроводникового или эрбиевого) в качестве анализатора спектра позволяет совместить источник излучения и анализатор спектра в одном элементе системы и, таким образом, упростить и удешевить систему, а также повысить надежность ее работы.

Перестраиваемым элементом лазера может быть перестраиваемая брэгговская решетка или любой другой селектор частоты.

Предлагаемое чередование датчиков, в особенности групп датчиков, различающихся коэффициентами отражения, с датчиками с разной шириной (или специальной формой спектра) позволяет отслеживать группы и каждый датчик внутри группы и таким образом позволяет расширить отслеживаемый диапазон изменения температуры (деформаций) каждого датчика или увеличить количество датчиков в системе при фиксированном диапазоне.

Известные способы изготовления датчиков состоят в записи волоконных БР в оптоволокне диаметром менее 150 мкм со снятием защитной полимерной оболочки и последующим покрытием волоконного световода полимерной пленкой /1/, /2/.

Предлагаемый способ позволяет записывать БР в оптоволокне диаметром 150-600 мкм с диаметром сердцевины 3-20 мкм, в т.ч. через полимерную защитную оболочку.

Это достигается использованием лазера с длиной волны 270-450 нм повышенной мощности (более 1 Вт), а со снятием и перепокрытием полимерной оболочки - лазером 240-270 нм мощностью более 0,5 Вт.

Сущность изобретения состоит в том, что применение для записи датчиков мощного УФ лазера и установленные режимы позволяют записывать датчики в толстом волокне (в том числе, без снятия защитной полимерной оболочки), что делает возможным значительно увеличить прочностные характеристики датчиков и системы в целом.

Описание системы поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема, на фиг.2 - характерные спектры отражения света от БР датчиков.

Система состоит из источника излучения - лазера 1 с перестраиваемым элементом 2, протяженного оптического волокна 3, датчиков на основе брэгговских решеток 4 (БР датчики), записанных в оптоволокне (пронумерованы от 1 до N), волоконного ответвителя 5, фотоприемника 6, сопряженного с перестраиваемым элементом 2 лазера 1 через электронный модуль 7 (при необходимости сопряженный с персональным компьютером).

На фиг.2: R - коэффициент отражения в зависимости от длины волны света λ для БР датчиков (пронумерованы 1...N на фиг.1): λ₁, λ₂, ..., λ_N - соответствующие брэгговские длины волн при комнатной температуре То, Δ_T˜(Т-То) - температурный сдвиг спектра, группы 1...К отличаются шириной (формой) спектра (Δ₁...Δ_K соответственно), датчики внутри групп 1...М отличаются по амплитуде (R₁...R_M соответственно).

Описание создания и работы оптоволоконной мультисенсорной системы.

В оптоволокне диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 3-20 мкм с помощью УФ лазера мощностью >1 Вт, работающего на длинах волн 270-450 нм через полимерную оболочку записывают БР датчики в точках измерения (1...N), либо лазером 240-270 нм мощностью более 0,5 Вт со снятием и перепокрытием защитной полимерной оболочки. Датчик отражает свет на брэгговской длине волны, которая задается в процессе его записи.

Таким образом, каждый датчик имеет свою резонансную длину волны отражения λ₁, λ₂, ..., λ_N (см. фиг.2). При изменении температуры одного из датчиков его спектр сдвигается на величину Δ_T, пропорциональную изменению температуры Т-То (при λ˜1.5 мкм изменению на 1°С соответствует сдвиг спектрального пика на величину ˜0.01 нм). Для абсолютной калибровки сдвига один из датчиков может быть термостабилизирован и служить репером. Если используемая спектральная полоса (определяется источником излучения) составляет ˜100 нм, то в ней можно записать ˜100 датчиков с интервалом Δ_i,i+1˜1 нм. В этом случае отслеживаемые изменения температуры каждого датчика составят Т-То˜100°С без "перепутывания" датчиков.

Для увеличения отслеживаемого изменения температуры и/или увеличения количества датчиков с заданным диапазоном отслеживания датчики разбиваем на последовательные группы (1...К), отличающиеся шириной спектра отражения (Δ₁,...Δ_K соответственно), при этом группы могут последовательно повторяться. Внутри каждой группы (состоящей из 1, 2, ...М датчиков) спектральные отклики имеют разную амплитуду коэффициента отражения (R₁...R_M соответственно). Такое "кодирование" (или "маркировка") датчиков по амплитуде и ширине (или форме) спектра отражения позволяет различать группы и каждый датчик внутри группы. При этом отслеживаемый диапазон изменения температуры каждого из датчиков увеличится в М×К раз без их "перепутывания" с одним (общим) спектральным декодером. Например, при использовании спектрального интервала в ˜100 нм и спектральном разделении датчиков на Δ_i,i+1˜1 нм можно увеличить количество датчиков до МхКх100 с диапазоном измерений ˜100°С и точностью ˜1°С (при ширине спектра отражения БР ˜0.1 нм) для каждого датчика, или при заданном количестве датчиков (N=100) увеличить диапазон измерений до М×К×100°С для каждого датчика, или одновременно увеличить произведение количества датчиков на диапазон измерений каждого датчика в М×К раз.

Созданная вышеуказанным способом система работает следующим образом.

При включении лазера 1 его излучение распространяется по оптоволокну 3 до БР датчиков 4, закрепленных на исследуемом объекте. БР является узкополосным селективным отражателем, положение пика которого определяется температурой (и/или деформаций), т.е. может служить датчиком температуры (или деформаций).

Длина волны лазера 1 сканируется с помощью перестраиваемого элемента 2. Световые сигналы последовательно отражаются от датчиков, пронумерованных от 1 до N (каждый со своей длиной волны, см. фиг.2). Отраженные сигналы по оптоволокну 3 через ответвитель 5 поступают на фотоприемник 6 и далее на электронный модуль 7, который сопряжен с перестраиваемым элементом 2, дающим информацию о длине волны. Таким образом определяется зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны (фиг.2), которая позволяет определить температуру каждого датчика с высокой точностью по сдвигу соответствующего спектрального пика, поскольку его положение зависит от температуры датчика (или деформации объекта, к которому прикреплен датчик).

Источники информации

1. A.Othonos, K.Kalli "Fiber Bragg Gratings; Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing", Artech House Publishers, 1999, с.301-389.

2. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001, с.149-179.

3. Патент US 5426297, June 20, 1995. Multiplexed Bragg grating sensors.

1. Оптоволоконная мультисенсорная система, состоящая из оптически связанных источника излучения, оптического волокна с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток, отражающих свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства и анализатора спектра, отличающаяся тем, что источником излучения служит лазер, перестраиваемый по длине волны, датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы, анализатором спектра служит фотоприемник, сопряженный с перестраиваемым элементом лазера.

2. Датчик температуры/деформации на основе волоконной брэгговской решетки, предназначенный для использования в оптоволоконной мультисенсорной системе, отличающийся тем, что диаметр сердцевины оптического волокна, в которой записана брэгговская решетка, составляет 12-20 мкм.

3. Способ записи датчика по п.2, отличающийся тем, что запись осуществляют излучением лазера с длиной волны 240-270 нм, мощностью более 0,5 Вт.

4. Способ записи датчика температуры/деформации на основе волоконной брэгговской решетки, отличающийся тем, что запись осуществляют в оптическом волокне с диаметром сердцевины 12-20 мкм, покрытом полимерной защитной оболочкой, излучением лазера с длиной волны 270-330 нм, мощностью более 1 Вт без снятия защитной полимерной оболочки.