способ измерения параметров физических полей

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров физических полей, включающий пропускание через контролируемую зону зондирующих сигналов, которые затем подвергают обработке, включающей томографическое восстановление распределения параметров физического поля в пределах контролируемой зоны, отличающийся тем, что зондирующие сигналы пропускают через измерительные каналы, которые предварительно формируют в контролируемой зоне, при этом в качестве измерительных каналов используют волоконные световоды, а в качестве зондирующих сигналов используют когерентное световое излучение, при этом из световодов формируют основную и дополнительную измерительные сети, для чего световоды основной измерительной сети размещают по меньшей мере по двум направлениям, предпочтительно таким образом, чтобы каждый световод одного направления пересекал все световоды другого направления, кроме того, в плоскости основной измерительной сети вдоль каждого из световодов основной измерительной сети, на расстоянии от них, меньшем расстояния, на котором изменяются параметры исследуемого поля, размещают дополнительные световоды, предпочтительно по ломаной линии, составленной из равных отрезков, каждый из которых расположен под углом к основному световоду, при этом одновременно фиксируют изменения параметров светового излучения, одновременно пропускаемого по всем световодам основной и дополнительной измерительных сетей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что участки дополнительного световода размещают под одинаковыми углами к основному, предпочтительно равными 45^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам измерения параметров физических полей, предпочтительно динамических, по характеру, например, сейсмических, магнитных, тепловых и т.п.

Известен способ измерения параметров физического поля, включающий использование систем передачи информации с асинхронным циклическим опросом, позволяющим при сравнительно простой конструкции обеспечить достаточно высокую информационную гибкость системы [1]

Известен способ измерения параметров физического поля, включающий формирование дискретной измерительной сети из элементов чувствительных к измеряемому параметру и фиксацию измеряемых параметров в пределах апертуры измерительной сети [2]

Недостаток этих технических решений в сложности организации большого числа независимых и помехозащищенных каналов передачи информации между дискретной системой элементов, чувствительных к измеряемому параметру, и устройствами обработки информации (высока трудоемкость и материалоемкость измерительной сети).

Известен также способ измерения параметров физических полей, включающий пропускание через контролируемую зону зондирующих сигналов, которые затем подвергают обработке, включающей томографическое восстановление распределения параметров физического поля в пределах контролируемой зоны [3]

Основной недостаток такого технического решения в невозможности измерения параметров векторных физических полей. Кроме того, сама по себе последовательность измерений, предусматривающая последовательное зондирование контролируемой зоны из разных точек по ее периметру, не отвечает требованиям измерения динамических по характеру процессов, поскольку приводит к существенному уменьшению размеров контролируемой зоны или к существенному повышению материалоемкости и усложнению измерительных сетей аппаратурного комплекса, потребного для реализации способа, особенно при увеличении размеров контролируемой зоны.

Задача, решаемая изобретением, выражается в обеспечении возможности измерения параметров векторных физических полей.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности измерения параметров векторных физических полей, в увеличении размеров измерительных зон, уменьшении материалоемкости измерительной сети и трудоемкости и продолжительности ее развертывания-свертывания при обеспечении возможности контроля динамичных процессов. Кроме того, обеспечивается возможность формирования измерительной сети внутри контролируемого объекта (например, гидротехнического сооружения) в процессе его монтажа (например, размещая сеть на каком-либо уровне с последующим замоноличиванием).

Для решения поставленной задачи способ измерения параметров физических полей, включающий пропускание через контролируемую зону зондирующих сигналов, которые затем подвергают обработке, включающей томографическое восстановление распределения параметров физического поля в пределах контролируемой зоны, отличается тем, что зондирующие сигналы пропускают через измерительные каналы, которые предварительно формируют в контролируемой зоне, при этом в качестве измерительных каналов используют волоконные световоды, а в качестве зондирующих сигналов используют когерентное световое излучение, при этом из световодов формируют основную и дополнительную измерительные сети, для чего световоды основной измерительной сети размещают по меньшей мере по двум направлениям, предпочтительно таким образом, чтобы каждый световод одного направления пересекал все световоды другого направления, кроме того, в плоскости основной измерительной сети вдоль каждого из световодов основной измерительной сети на расстоянии от них, меньшем расстояния, на котором изменяются параметры исследуемого поля, размещают дополнительные световоды, предпочтительно по ломаной линии, составленной из равных отрезков, каждый из которых расположен под углом к основному световоду, при этом одновременно фиксируют изменения параметров светового излучения, одновременно пропускаемого по всем световодам основной и дополнительной измерительных сетей. Кроме того, участки дополнительного световода размещают под одинаковыми углами к основному, предпочтительно равными 45^o.

Cопоставительный анализ с известными аналогами и прототипом показывает, что заявленный способ соответствует критерию "новизна".

Приведенные в отличительной части формулы изобретения признаки решают следующие функциональные задачи.

Признак ". зондирующие сигналы пропускают через измерительные каналы, которые предварительно формируют в контролируемой зоне." обеспечивает возможность формирования измерительной сети внутри инженерных объектов из материала, непроницаемого для зондирующих импульсов. Кроме того, создаются условия для обеспечения высокой помехозащищенности линий связи.

Признаки ".в качестве измерительных каналов используют волоконные световоды, а в качестве зондирующих сигналов используют когерентное излучение." обеспечивают высокую помехозащищенность и создают предпосылки для использования томографических методов обработки измерительных сигналов, что в свою очередь позволяет упростить измерительную сеть.

Признаки ".из световодов формируют измерительные сети, для чего световоды основной измерительной сети размещают по меньшей мере по двум направлениям, предпочтительно таким образом, чтобы каждый световод одного направления пересекал все световоды другого направления." обеспечивают возможность "привязки" измерительных данных о параметрах физического поля по площади контролируемой зоны.

Признаки ".в плоскости основной измерительной сети вдоль каждого из световодов основной измерительной сети на расстоянии от них, меньшем расстояния на котором изменяются параметры исследуемого поля, размещают дополнительные световоды, предпочтительно по ломаной линии, составленной из равных отрезков, каждый из которых расположен под углом к основному световоду." обеспечивают в совокупности с предыдущим признаком возможность измерения векторных физических полей.

Признак ". одновременно фиксируют изменения параметров светового излучения, одновременно пропускаемого по каждому из измерительных каналов." обеспечивает работу измерительной сети в динамическом режиме.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают упрощение обработки зафиксированных измерительных сигналов в процессе восстановления пространственного распределения физических полей.

Основные физические принципы, лежащие в основе предлагаемого способа: особенность применения волоконных световодов для сбора интегральной информации состоит в том, что последние способны направлять оптическое излучение по сложной, наперед заданной траектории. В том числе возможно ввести в схему сбора интегральной информации новую измерительную линию (ИЛ), которая бы направляла излучение по траектории, проходящей вблизи исходного контура -L(p,), но которая бы не являлась прямой линией. Тогда сигнал, снимаемый с такой измерительной линии, будет нести новую информацию о распределении параметров исследуемого поля для заданных значений координат р и у. Например возможно уложить новую ИЛ по контуру L₁, представляющему пилообразную последовательность отрезков малой протяженности, каждый из которых образует угол 45^o или 90^o с направлением L (см.чертеж). Сигнал на выходе такой ИЛ будет равен



где (x,y) проекция вектора Р на направление L₁ в точке (x,y).

Если максимальная отстройка контура L₁ от L ( на чертеже) не превышает расстояния, на котором происходит изменение параметров исследуемого поля, то после преобразований получаем, что сигнал на выходе новой измерительной линии L₁ оказывается равным



В результате получаем следующие выражения для декартовых компонентов вектора Р

P_x(x,y) R^-1[(1/c)A(p,)]

P_y(x,y) R^-1[(1/c)B(p,v)]

где величины А и В могут быть получены в виде:

A [U_La₂₁ - a₁₁]/[a₁₂a₂₁ a₂₂a₁₁]

B [U_La₂₂ - a₁₂]/[a₁₂a₂₁ а₂₂ a₁₁]



R^-1 обозначение обратного преобразования Радона.

Как видно, при введении в томографическую схему дополнительных измерительных каналов, проложенных через объект по определенным образом выбранным траекториям, оказывается возможным восстановление пространственного распределения параметров исследуемого векторного поля, в частности, распределения механического напряжения в сечении объектов.

На чертеже показана схема устройства используемого для реализации способа.

При реализации способа используют следующий комплект аппаратуры: комплект квазираспределенных волоконнооптических датчиков, каждый из которых представляет из себя волоконный световод 1, концы которого снабжены разъемными оптическими соединителями 2 и 3. При этом каждый датчик 1 снабжен узлом подстройки рабочей точки 4. Кроме того, в комплект аппаратуры включены источник когерентного излучения 5, волоконнооптический разветвитель 6 и устройство обработки данных 7. На чертеже дополнительная измерительная сеть показана пунктиром.

В качестве световодов основной и дополнительной измерительных сетей использованы стандартные волоконные световоды, конструктивно одинаковые и предпочтительно сплошные. Разъемные оптические соединители 2 и 3 конструктивно аналогичны и представляют из себя стандартные соединители, обычно применяемые для соединения оптического волокна типоразмера, соответствующего использованному в конструкции датчика 1.

При измерении параметров физических полей, не способных существенно влиять на параметры светового сигнала проходящего по световоду (такие, например, как тепловые, магнитные и т.п. ), по длине световода располагают (или формируют) чувствительные элемент 8, которые чувствительны к измеряемому физическому параметру и способны преобразовывать его в воздействие, к которому будет чувствителен световой сигнал (предпочтительно механическое). Так, например, при измерении параметров магнитного поля на участках по длине световода формируют (например, напылением) покрытие из материала, обладающего магнитострикционным эффектом.

Узел подстройки рабочей точки 4 выполнен в виде механизма, обеспечивающего контролируемое растяжение одного из участков световода, например, в виде механической пары с одной степенью свободы, ползун и направляющая, которой жестко связаны каждый с одной точкой на световоде. В качестве источника 5 когерентного излучения использован лазер, предпочтительно полупроводниковый. В качестве волоконнооптического разветвителя 6 использовано стандартное устройство, обеспечивающее разделение сигнала лазера 5 на число каналов, соответствующее числу квазираспределенных датчиков 1.

Устройство обработки данных 7 содержит входные ячейки, каждая из которых включает последовательно размещенные фотоэлектрический преобразователь 9, выход которого через соответствующий ему запоминающий элемент 10 (управляемый тактовым генератором 11) связан с компьютером 12. Каждый фотоэлектрический преобразователь 9 содержит два фотодиода, установленных на входе преобразователя, при этом выходы фотодиодов подключены на входы дифференциального усилителя, выход которого является выходом преобразователя. В качестве запоминающего элемента использованы стандартные радиоэлектронные устройства, например, на основе микросхем 155 РУ 1. В качестве тактового генератора 11 использовано любое известное устройство, способное обеспечить синхронизацию по времени работы запоминающих элементов.

Устройство обработки данных 7 подключено непосредственно к мини-ЭВМ 12, для чего выводы всех входных ячеек собраны в одну колодку, подключаемую непосредственно на входную колодку компьютера.

Способ осуществляется следующим образом.

Формируют основную измерительную сеть, для чего в пределах измерительного участка двумя группами размещают распределенные датчики 1. В каждой группе датчики размещают линиями, параллельными друг другу, причем длину датчиков принимают больше линейного размера участка по линии размещения датчика. Датчики второй группы размещают так, чтобы каждый датчик второй группы "пересекал" все датчики первой группы, предпочтительно под прямым углом. Затем вдоль каждого датчика (световода) 1 основной сети в плоскости основной измерительной сети размещают по дополнительному датчику, каждый из которых располагают в виде зигзагообразной линии, состоящей из малых отрезков одинаковой длины, которые размещают под углом 45^o к направлению соответствующего ему основного датчика. Выход лазера 5 через оптический разветвитель 6 и оптические разъемы 2 связывают с каждым распределенным датчиком 1 обеих измерительных сетей. Вторые концы датчиков 1 через оптические разъемы 3 связывают с соответствующими входами входных ячеек устройства обработки данных 7, которое подключают к компьютеру.

Выбор направления осей распределенных датчиков осуществляется с учетом предполагаемого углового распределения в спектре пространственных частот исследуемой функции распределения параметров физического поля в пределах измерительного участка. Число измерительных линий определяет ту часть пространственных частот, о которых будет получена информация, что в конечном счете обуславливает качество восстановления исследуемой функции распределения.

Далее посредством узла подстройки рабочей точки выводят каждый датчик на линейный участок его рабочей характеристики (соответственно растягивая часть световода, зафиксированную внутри узла подстройки рабочей точки).

Перечисленная последовательность операций по подготовке измерительной сети будет повторена при необходимости измерений на новых участках. Вместе с тем при необходимости измерений в искусственно сооружаемых объектах (типа железобетонных конструкций) измерительную сеть формируют как стационарную, замоноличивая ее в соответствующей плоскости внутри объекта. Поэтому в этом случае в процессе измерений будет отсутствовать операция по разворачиванию распределенных датчиков измерительной сети.

Способ рассматривается на примере определения интенсивности колебаний контролируемой поверхности объекта.

Измерительную сеть разворачивают вышеописанным образом и подключают ее к лазеру и устройству обработки данных (целесообразно обеспечить качественную связь сети в ее узловых точках с измерительной плоскостью, например, подтянув световоды к плоскости шпильками). Включив лазер в работу, одновременно пропускают его излучение через все распределенные датчики сети. Вследствие колебаний измерительной поверхности, с которой связаны датчики, будет иметь место модуляция фазы направляемого по световодам излучения. Поэтому на выходах датчиков будет изменяться распределение интенсивности в интерференционной картине. При этом сигнал на выходе датчика будет пропорционален сумме квадратов амплитуд (сумме интенсивностей) колебаний поверхности в точках фиксации с ней датчиков. Оптические сигналы с выходов датчиков поступают на фотоэлектрический преобразователь, где преобразуются в электрические, а затем фиксируются в запоминающих элементах устройства обработки данных, откуда они одновременно подаются в компьютер, обеспечивающий обработку сигналов с помощью томографических методов. В результате этого получают функцию распределения интенсивности колебаний поверхности исследуемого объекта.