диагностическая система с оптическими датчиками (варианты)

Формула изобретения

1. Диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник (9) светового излучения, генерирующий световое излучение (44) с возможностью перестраивания длины волны этого излучения в соответствии с управляющим сигналом (40) перестройки длины волны и направляющий его в световод (52), по крайней мере, один оптический датчик (54,58), расположенный на пути светового излучения (44), каждый из которых выполнен с возможностью пропускания светового излучения (60) с длиной волны, соответствующей собственному пропускному минимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на датчик (54,58) возмущения, оптический вентиль (48), установленный на пути распространения светового излучения (44) с перестраиваемой длиной волны между перестраиваемым источником (9) светового излучения и датчиками (54,58) для изолирования источника светового излучения от светового излучения, отражаемого датчиками, оптический детектор (64), расположенный на пути распространения светового излучения (60), пропускаемого каждым из датчиков (54,58) и предназначенный для регистрации пропускаемого светового излучения (60) и выработки электрического сигнала (66) интенсивности этого светового излучения (60), контур (42) перестройки длины волны и выработки сигнала переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник (9) светового излучения, контур (68) обработки сигналов и приема электрического сигнала (66) от оптического детектора, при этом перестраиваемый источник (9) светового излучения предназначен для генерирования светового излучения с длиной волны, равной длине волны пропускного минимума каждого из датчиков (54,58) для индивидуального освещения каждого датчика, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны пропускного минимума датчика, вызванного упомянутого возмущения и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах возмущения на каждом из датчиков (54,58), а контур (42) перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения (124), принимающую электрический сигнал (74) с оптического детектора и использующего его для регулирования управляющего сигнала (41) перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения (44) подстраивается к пропускному минимуму каждого из датчиков (54,58) и перестраивается путем отслеживания статических сдвигов этих пропускных минимумов.

2. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя модулятор (130,132), модулирующий управляющий сигнал (40) перестройки длины волны на заранее определенной частоте модуляции.

3. Диагностическая система по п.2, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя демодулятор (76), работающий на упомянутой частоте модуляции, демодулирующий электрический сигнал (66) от оптического детектора и выдающий демодулированный сигнал (78), несущий информацию о сигнале, полученном из оптического детектора.

4. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80), измеряющий частоту и амплитуду динамических сдвигов длины волны пропускного минимума.

5. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (84), измеряющий статические сдвиги длины волны пропускного минимума.

6. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя логическую схему поиска (104), принимающую электрический сигнал (74) от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала (40) перестройки длины волны, а также для поиска значений длины волны пропускного минимума каждого датчика (54,58), на которые необходимо перестроить источник светового излучения.

7. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины включает в себя генератор функций (94), выполняющий сканирование управляющим сигналом перестройки длины волны для последовательного излучения перестраиваемым источником (9) света с длиной волны, соответствующей пропускному минимуму каждого датчика (54,58), а контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80), использующий величину управляющего сигнала (40) перестройки длины волны для определения текущей длины волны светового излучения (44) и конкретного датчика (54, 58) освещаемого источником светового излучения, с определением сдвига длины волны пропускного минимума светового излучения, пропускаемого этим датчиком.

8. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя генератор функций (94), выполняющий сканирование управляющим сигналом (40) перестройки длины волны для последовательного излучения перестраиваемым источником (9) света с длиной волны, соответствующей пропускному минимуму каждого датчика (54,58), и вырабатывающий сигнал синхронизации (90,40), несущий информацию о моменте начала процесса упомянутого сканирования управляющим сигналом перестройки длины волны, а контур обработки сигналов включает в себя процессор (80,84), использующий сигнал синхронизации для определения конкретного датчика (54,58), освещаемого в данный момент источником светового излучения, с определением упомянутого сдвига длины волны пропускного минимума этого датчика.

9. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере, один из датчиков (54,58) включает в себя, по крайней мере, одну решетку Брэгга.

10. Диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник (9) светового излучения, генерирующий световое излучение (44) с возможностью перестраивания длины волны этого излучения в соответствии с управляющим сигналом (40) перестройки длины волны и направляющий его в световод (52), по крайней мере, один оптический датчик (54,58), расположенный на пути светового излучения (44), каждый из которых отражает световое излучение (55) с длиной волны, соответствующей локальному отражательному максимуму и изменяющийся в зависимости от воздействующего на датчик (54,58) возмущения, оптический вентиль (48), установленный на пути распространения светового излучения (44) с перестраиваемой длиной волны между перестраиваемым источником (9) светового излучения и датчиками (54,58) для изолирования источника светового излучения от светового излучения (55), отражаемого датчиками, оптический детектор (250,64), расположенный на пути распространения упомянутого светового излучения (55), отражаемого каждым из датчиков (54,58), и предназначенный для регистрации отражаемого светового излучения и выработки электрического сигнала (66), несущего информацию об интенсивности этого отражаемого светового излучения (55), контур (42) перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал (40) переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света (44), и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник (9) светового излучения, контур (68) обработки сигналов, принимающий электрический сигнал (66) от оптического детектора, при этом перестраиваемый источник (9) светового излучения предназначен для генерирования светового излучения с длиной волны, равной длины волны локального отражательного максимума каждого из датчиков (54,58) для индивидуального освещения каждого датчика, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны отражательного максимума датчика, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах возмущения, а контур (42) перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения (124), принимающую электрический сигнал (66) с оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала (40) перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения (44) подстраивается к отражательному максимуму каждого из датчиков (54,58) и перестраивается путем отслеживания статических сдвигов этих отражательных максимумов.

11. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя модулятор (130,132), модулирующий управляющий сигнал перестройки длины волны на заранее определенной частоте модуляции.

12. Диагностическая система по п.11, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя демодулятор (76) работающий на упомянутой частоте модуляции, демодулирующий электрический сигнал (66) от оптического детектора и выдающий демодулированный сигнал (78), несущий информацию о сигнале, полученном из оптического детектора.

13. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80), измеряющий частоту и амплитуду динамических изменений длины волны отражательного максимума.

14. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что контур обработки включает в себя процессор (84), измеряющий статические сдвиги упомянутой длины волны отражательного максимума.

15. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя логическую схему поиска (104), принимающую электрический сигнал (74) от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала (40) перестройки длины волны, а также для поиска длины волны отражательного максимума каждого датчика (54,58), на которые необходимо перестроить источник светового излучения.

16. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя генератор функций (94), выполняющий сканирование управляющим сигналом (40) перестройки длины волны для последовательного излучения перестраиваемым источником (9) света с длиной волны, соответствующей отражательному максимуму каждого датчика (54,58), а контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80), использующий величину управляющего сигнала перестройки длины волны для определения текущей длины волны светового излучения (44) и конкретного датчика (54,58), освещаемого источником светового излучения, с определением сдвига длины волны отражательного максимума светового излучения (55), отражаемого этим датчиком.

17. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя генератор функций (94), выполняющий сканирование управляющим сигналом (40) перестройки длины волны для последовательного излучения перестраиваемым источником (9) света с длиной волны, соответствующей отражательному максимуму каждого датчика (54,58) и вырабатывающий сигнал синхронизации (90), несущий информацию о моменте начала процесса упомянутого сканирования управляющим сигналом (40) перестройки длины волны, а контур обработки сигналов включает в себя процессор (80,84), использующий сигнал (90) синхронизации для определения конкретного датчика (54,58), освещаемого в данный момент источником светового излучения, с определением сдвига длины волны отражательного максимума светового излучения (55), отражаемого этим датчиком.

18. Диагностическая система по п.10, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один из датчиков (54,58) включает в себя, по крайней мере, одну решетку Брэгга.

19. Диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник (9,10,12,14) светового излучения, генерирующий световое излучение (44) с возможностью перестраивания длины волны этого излучения в соответствии с управляющим сигналом (40) перестройки длины волны и имеющий передний отражатель (34) светового излучения с переменной длиной волны, являющийся одной границей резонатора источника, световод (32,52), проводящий генерируемое световое излучение (44), по крайней мере, один оптический датчик (54,58), расположенный на пути светового излучения (44), каждый из которых (54,58) характеризуется длиной волны, соответствующей его отражательному максимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на этот датчик возмущения, оптический детектор (64), расположенный на пути распространения выходящего из связанного резонатора светового излучения и предназначенный для регистрации светового излучения, выходящего из каждого связанного резонатора, ограниченного с одной стороны одним из датчиков (54,58), а с другой - передним отражателем (34) источника, а также для выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности светового излучения на выходе из связанных резонаторов, контур (42) перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал (40) переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник (9,10,12,14) светового излучения, контур (68) обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, при этом световое излучение, усиливаемое связанным резонатором и выходящее из него, имеет длину волны, соответствующую отражательному максимуму датчика, ограничивающего этот резонатор, а воздействие возмущения расстраивает связанный резонатор с соответственным изменением интенсивности светового излучения на выходе из него, при этом перестраиваемый источник (9,10,12,14) светового излучения выполнен с обеспечением индивидуального освещения каждого датчика (54,58) световым излучением с длиной волны, соответствующей отражательному максимуму соответствующего датчика, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны отражательного максимума, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах возмущения на каждом из датчиков (54,58).

20. Диагностическая система по п.19, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения (124), принимающую электрический сигнал (74) от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала (40) перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения перестраивается в соответствии со статическими сдвигами длины волны отражательного максимума каждого из датчиков (54,58).

21. Диагностическая система по п.20, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя модулятор (130,132), модулирующий управляющий сигнал перестройки длины волны на заранее определенной частоте модуляции.

22. Диагностическая система по п.21, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя демодулятор (76), работающий на упомянутой частоте модуляции, демодулирующий электрический сигнал (66) оп оптического детектора и выдающий демодулированный сигнал, несущий информацию о сигнале, полученном из оптического детектора.

23. Диагностическая система по п.20, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80), измеряющий частоту и амплитуду динамических изменений длины волны отражательного максимума.

24. Диагностическая система по п.19, отличающаяся тем, что контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (84) измеряющий статические сдвиги длины волны отражательного максимума.

25. Диагностическая система по п.19, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя логическую схему поиска (104), принимающую электрический сигнал (74) от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала (40) перестройки длины волны, а также для поиска значений длины волны отражательного максимума каждого датчика, на которые необходимо перестроить источник светового излучения.

26. Диагностическая система по п.19, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя генератор функций (94), выполняющий сканирование управляющим сигналом (40) перестройки длины волны для последовательного излучения перестраиваемым источником (9,10,12,14) света с длиной волны, соответствующей значениям отражательного максимума каждого датчика (54,58), а контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80), использующий величину управляющего сигнала (40) перестройки длины волны для определения текущей длины волны светового излучения (44) и конкретного датчика (54,58), освещаемого источником светового излучения, с определением сдвига длины волны отражательного максимума светового излучения (55), отражаемого этим датчиком.

27. Диагностическая система по п.19, отличающаяся тем, что контур (42) перестройки длины волны включает в себя генератор функций (94), выполняющий сканирование управляющим сигналом (40) перестройки длины волны для последовательного излучения перестраиваемым источником (9,10,12,14) света с длиной волны, соответствующей значениям отражательного максимума каждого датчика (54,58), и вырабатывающий сигнал (90) синхронизации, несущий информацию о моменте начала процесса упомянутого сканирования управляющим сигналом (40) перестройки длины волны, а контур (68) обработки сигналов включает в себя процессор (80,84), использующий сигнал (90) синхронизации для определения конкретного датчика (54,58) освещаемого в данный момент источником светового излучения, с определением сдвига упомянутой длины волны отражательного максимума светового излучения (55), отражаемого этим датчиком.

28. Диагностическая система по п.19, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один из датчиков (54,58) включает в себя, по крайней мере, одну решетку Брэгга.

29. Диагностическая система по п.1, или 10, или 19, отличающаяся тем, что возмущение представляет собой деформацию упомянутых датчиков (54,58).

Описание изобретения к патенту

Известно, что для детектирования таких возмущений, как механическая деформация или перепад температуры, могут использоваться решетки Брэгга, встроенные в светопроводящие волокна в точках измерений. Технические решения такого рода описаны в патентах США N 4,806,012 и 4,761,073 (Мелтц и др.). Датчик типа волоконно-оптической решетки представляет собой часть сердечника оптического волокна, в котором нарезана решетка с заданной геометрией, обеспечивающей отражение решеткой светового излучения с узкой областью длин волн, возбужденного в этом сердечнике. Спектральные сдвиги, возникающие при отражении возбужденного светового излучения и соотнесенные с длинами волн генерируемого светового излучения, характеризуют интенсивность деформаций или перепадов температуры в точках расположения решеток. В настоящее время известно, что сдвиг профиля длин волн (спектра), характеризующего отражательную (или пропускную) способность решеток, находится в функциональной зависимости от внешнего возмущения, приложенного к области расположения решетки. Вместе с тем, системы, реализующие на практике возможности таких волоконно-оптических решеток Брэгга, еще не рассматривались.

Таким образом, существует потребность в разработке системы, измеряющей спектральный сдвиг на волоконно-оптических решетках Брэгга, обусловленный статическими или динамическими деформациями, акустическими возмущениями или возмущениями иного рода.

Заявка GB-A-2 145 237, как указано в ограничительной части пункта 1 формулы, описывает оптическую систему, усиливающую сдвиг длины волны, соответствующей пикам пропускания интерферометра Фабри-Перо. Перестраиваемый лазер генерирует световое излучение в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны. Это световое излучение направляется в светопроводящее волокно. Из генерируемого лазером светового излучения выделяется некоторая часть спектра, которая используется для получения опорного сигнала. Световое излучение остальной части спектра проходит через светопроводящее волокно, по длине которого расположено несколько пар интерферометров Фабри-Перо, работающих попарно и выполняющих функции датчиков энергетического состояния.

Заявка EP-A-0 438 757, как указано в ограничительной части пункта 10 формулы, описывает оптическую сенсорную систему, в которой для сканирования средней частоты излучения лазера используется оптическая решетка. Эта оптическая решетка переходит в светопроводящее волокно. Для измерения напряжений в различных точках по длине этого волокна, в этих точках установлено несколько решеток. Оптические сигналы, отражаемые этими решетками, регистрируются и отображаются на мониторе.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание диагностической системы, сопрягаемой с исследуемой конструкцией посредством светопроводящих волокон со встроенными в них оптическими датчиками и предназначенной для определения статических и динамических возмущений.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения заявляется диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник, генерирующий световое излучение с длиной волны, перестраиваемой в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны, направляемое в световод, по крайней мере, один оптический датчик, расположенный на пути этого светового излучения, каждый из которых выполнен с возможностью пропускания светового излучения с длиной волны, соответствующей собственному пропускному минимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на датчик возмущения, при этом перестраиваемый источник светового излучения предназначен для генерирования светового излучения с длиной волны, равной длине волны пропускного минимума каждого из датчиков для индивидуального освещения каждого датчика, оптический вентиль, установленный на пути распространения светового излучения с перестраиваемой длиной волны между перестраиваемым источником светового излучения и датчиками для изолирования источника светового излучения от светового излучения, отражаемого датчиками, оптический детектор, расположенный на пути распространения светового излучения, пропускаемого каждым из датчиков, и предназначенный для регистрации пропускаемого светового излучения и выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности этого светового излучения, контур перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник светового излучения, контур обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, отличающаяся тем, что контур обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны пропускного минимума датчика, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах этого возмущения на каждом из датчиков, а контур перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения, принимающую электрический сигнал от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения подстраивается к пропускному минимуму каждого из датчиков и перестраивается путем отслеживания статических сдвигов этих пропускных минимумов.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения заявляется диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник, генерирующий световое излучение с длиной волны, перестраиваемой в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны, направляемое в световод, по крайней мере, один оптический датчик, расположенный на пути светового излучения, каждый из которых отражает световое излучение с длиной волны, соответствующей локальному отражательному максимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на датчик возмущения, при этом перестраиваемый источник светового излучения предназначен для генерирования светового излучения с длиной волны, равной длине волны локального отражательного максимума каждого из датчиков для индивидуального освещения каждого датчика, оптический вентиль, установленный на пути распространения светового излучения с перестраиваемой длиной волны между перестраиваемым источником светового излучения и датчиками для изолирования источника светового излучения от светового излучения, отражаемого упомянутыми датчиками, оптический детектор, расположенный на пути распространения светового излучения, отражаемого каждым из датчиков, и предназначенный для регистрации отражаемого светового излучения и выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности этого отражаемого светового излучения, контур перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник светового излучения, контур обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, при этом контур обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны отражательного максимума датчика, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах этого возмущения, а контур перестройки длины волны включает в себя логическую схему слежения, принимающую электрический сигнал от оптического детектора и использующую его для регулирования управляющего сигнала перестройки длины волны, при котором длина волны светового излучения подстраивается к отражательному максимуму каждого из датчиков и перестраивается путем отслеживания статических сдвигов этих отражательных максимумов.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения заявляется диагностическая система с оптическими датчиками, содержащая перестраиваемый источник, генерирующий световое излучение с длиной волны, перестраиваемой в соответствии с управляющим сигналом перестройки длины волны, направляемое в световод, и имеющий передний отражатель светового излучения с переменной длиной волны, являющийся одной границей резонатора источника, по крайней мере, один оптический датчик, расположенный на пути светового излучения, каждый из которых характеризуется длиной волны, соответствующей его отражательному максимуму и изменяющейся в зависимости от воздействующего на этот датчик возмущения, при этом каждый датчик выполнен как отражатель в примыкающем к нему связанном резонаторе, ограниченном передним отражателем источника светового излучения и этим датчиком, при этом усиливаемое связанным резонатором световое излучение имеет на выходе из него длину волны, соответствующую отражательному максимуму датчика, ограничивающего этот резонатор, а воздействие возмущения расстраивает связанный резонатор с соответственным изменением интенсивности светового излучения на выходе из него, при этом перестраиваемый источник светового излучения выполнен с обеспечением индивидуального освещения каждого датчика световым излучением с длиной волны, соответствующей отражательному максимуму соответствующего датчика. Система содержит также оптический детектор, расположенный на пути распространения выходящего из связанного резонатора светового излучения и предназначенный для регистрации светового излучения, выходящего из каждого связанного резонатора, ограниченного с одной стороны одним из датчиков, а с другой - передним отражателем источника, а также для выработки электрического сигнала, несущего информацию об интенсивности этого светового излучения на выходе из связанных резонаторов, контур перестройки длины волны, вырабатывающий сигнал переменного напряжения, задающий желательное значение длины волны излучаемого света, и посылающий этот сигнал в перестраиваемый источник светового излучения, контур обработки сигналов, принимающий электрический сигнал от оптического детектора, при этом контур обработки сигналов выполнен с обеспечением выявления сдвига длины волны отражательного максимума, вызванного воздействием упомянутого возмущения, и выработки сигнала, несущего информацию о параметрах этого возмущения на каждом из датчиков.

Объектом изобретения является диагностическая система, работающая в сопряжении с удаленными волоконно-оптическими датчиками типа решеток Брэгга, измеряющая статические, динамические деформации и/или акустико-колебательные возмущения конструкции в целом или ее элементов. Такая система может быть реально воплощена в технике и найти применение на практике. Удаленные датчики могут располагаться снаружи на конструкциях, выполненных из металла, пластиков, композиционных или любых других материалов, подверженных расширению, сжатию или вибрациям. Датчики могут быть встроенными в такие конструкции. Кроме того, в предложенной системе используется лазер на полупроводниковом диоде с плавной перестройкой длины волны светового излучения, которое усиливается во внешнем резонаторе, регулируемом посредством волоконно-оптической решетки. Замысел изобретения предусматривает индивидуальное освещение каждого датчика, благодаря чему вся мощность излучаемого света концентрируется на некоторой фиксированной длине волны или в узкой области длин волн. По этой причине световое излучение, отражаемое или пропускаемое каждой решеткой, отличается высокой интенсивностью, в результате чего отношение "сигнал/шум" такого отражаемого или пропускаемого светового излучения значительно превышает аналогичный показатель тех систем, в которых датчики освещаются источником широкополосного светового излучения одновременно.

Еще одной особенностью изобретения является возможность переключения системы в различные схемы, реализующего различные режимы диагностики. Предложенная диагностическая система в различных вариантах выполнения способна определять сдвиг длины волны в режиме пропускания светового излучения (с обратной связью и без нее), а также в режиме отражения. Кроме того, для определения параметров возмущений, действующих в пределах различных участков по длине световода, предложенная диагностическая система может применяться в схеме Фабри-Перо со связанными резонаторами.

Изложенные выше и другие задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения рассматриваются более конкретно в нижеследующем подробном описании типовых вариантов его осуществления, сопровождаемом следующими фигурами чертежей.

Перечень фигур чертежей

Фиг. 1 - структурная схема первого варианта предложенной диагностической системы с волоконно-оптическими датчиками, способной определять статические деформации.

Фиг. 2 - последовательно расположенные три графика (a, b, c), отображающие, в соответствии с настоящим изобретением, изменение по времени напряжения V_t, подаваемого в контур перестройки длины волны и длины волны _s генерируемого светового излучения, а также профиль мощности сигнала, выдаваемого оптическим детектором, как функции и времени, и длины волны.

Фиг. 3 - структурная схема контура перестройки длины волны, показанного на фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 - график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, профиль мощности сигнала интенсивности, пропускаемого датчиком-решеткой светового излучения.

Фиг. 5 - график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, профиль мощности сигнала интенсивности светового излучения, пропускаемого датчиком, входной сигнал динамической деформации, сигнал модуляции, а также модулированный по амплитуде выходной сигнал деформации, определенной датчиком.

Фиг. 6 - структурная схема предложенной диагностической системы с волоконно-оптическими датчиками, работающей в режиме отражения и следящей за сдвигами длины волны отражательного максимума датчиков типа решеток Брэгга.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Как видно на фиг. 1, перестраиваемый узкополосный источник света 9 включает в себя лазерный диод 10, например, типа LTO-15-MDO производства корпорации "Sharp". Лазерный диод 10 имеет заднюю грань 12 и переднюю грань 14, которые обычно служат границами резонатора лазерного диода. На переднюю грань 14 нанесено просветляющее покрытие, которое сводит к минимуму отражение света внутрь резонатора лазерного диода, когда генерируемое световое излучение 15 проходит через переднюю грань 14 (это подробно рассматривается ниже). Контур 16 регулятора тока выдает по линии 18 на лазерный диод 10 сигнал, регулирующий интенсивность светового излучения 15 на выходе лазера. Регулирование электрического тока в диоде также незначительно влияет на длину волны излучаемого света и это влияние с точки зрения функционирования рассматриваемой системы не имеет существенного значения. Кроме того, контур 20 стабилизации температуры вырабатывает сигнал напряжения, поступающий по линии 22 в термоэлектрический охлаждающий аппарат 24, стабилизирующий температуру лазерного диода 10 и тем самым стабилизирующий среднюю частоту светового излучения 15, генерируемого лазером. При необходимости для регулирования температуры могут использоваться и другие устройства.

Лазерный диод 10 генерирует расходящийся световой пучок 15, который поступает на фокусирующую линзу 28, после прохождения которой сфокусированный свет попадает в светопроводящее волокно 32. Вместо линзы 28 для фокусирования света может использоваться система линз. Световое излучение 30 распространяется по волокну 32 до волоконно-оптической решетки 34, например, решетки Брэгга, которая отражает определенную, заранее известную, часть светового излучения 33 с узкой областью длин волн и пропускает свет остальной части спектра, а также пропускает другую определенную, заранее известную, часть светового излучения с узкой областью длин волн, обозначенную стрелкой 35.

Ввиду того, что передняя грань 14 имеет вышеупомянутое просветляющее покрытие и свободно пропускает световое излучение, задняя грань 12 совместно с волоконно-оптической решеткой 34 образуют удлиненный резонатор лазерного диода 10. К волоконно-оптической решетке 34 прикреплен пьезоэлектрический сервоэлемент 36 (или исполнительный перестраивающий элемент), сжимающийся или расширяющийся в направлении, обозначенном стрелками 38, в зависимости от переменного сигнала напряжения, поступающего по линии 40 из контура 42 перестройки длины волны (принцип перестройки длины волны рассматривается ниже). Контур 42 перестройки длины волны вырабатывает сигнал, изменяющий шаг решетки, а также ее коэффициент отражения, вследствие чего изменяется средняя длина волны отражаемого решеткой светового излучения. Таким образом, исполнительный перестраивающий элемент 36, управляемый контуром 42 перестройки длины волны, растягивает и сужает промежутки между штрихами волоконно-оптической решетки, изменяя тем самым длину волны генерируемого лазером светового излучения, усиливаемого задней гранью 12 и решеткой 34 резонатора, действующими как зеркала. Так как в лазерном диоде происходит усиление излучения, наибольшую мощность имеет излучение с длиной волны, равной длине волны отражаемого светового излучения 33. Таким образом, длина волны генерируемого лазером светового излучения 35 с узкой областью длин волн изменяется в функциональной зависимости от сигнала, поступающего по линии 40 в исполнительный перестраивающий элемент 36.

Световое излучение 35 проходит по волокну 32 в оптический переключатель 46, который, находясь в положении 1, соединяет волокно 32 с оптическим вентилем 48. Выход оптического вентиля 48 соединен с другим оптическим переключателем 50, который, находясь в положении 1, соединяет оптический вентиль 48 со светопроводящим волокном 52. В другом варианте выполнения в качестве оптических переключателей могут использоваться коммутационные шнуры, соединяемые вручную.

Световое излучение 44 проходит по волокну 52 в волоконно-оптическую решетку 54, которая отражает световое излучение 55 с определенной, заранее известной, узкой областью длин волн и пропускает световое излучение 56 остальной части спектра. Далее световое излучение 56 распространяется до следующей волоконно-оптической решетки 58, отражающей световое излучение со средней длиной волны, отличной от длины волны светового излучения, отражаемого волоконно-оптической решеткой 54. Решетка 58 отражает световое излучение 59 с узкой областью длин волн и пропускает по линии 60 световое излучение остальной части спектра.

Волокно 52 и волоконно-оптические решетки 54 и 58 могут присоединяться к конструкции 62, являющейся объектом контроля, с целью фиксации таких возмущений, как динамические или статические деформации и/или перепады температуры, или встраиваться в нее. Такая конструкция может быть выполнена из металла, пластмассы, композиционного или любого другого материала, а волоконно-оптические датчики могут устанавливаться как на поверхности этой конструкции, так и внутри нее. Несмотря на то, что на фиг. 1 показаны только две решетки 54 и 58, следует учитывать, что число решеток, расположенных вдоль волокна 52, может быть любым.

Световое излучение 60 выходит из решетки 58 и распространяется по волокну 52 до оптического детектора 64. Оптический детектор 64 вырабатывает электрический сигнал, несущий информацию о мощности падающего на него светового излучения и посылаемый по линии 66 в контур 68 управления с обратной связью.

По линии 66 этот электрический сигнал поступает на вход электрического переключателя 72, имеющего на выходе положения "разомкнутая система" (OL) и "замкнутая система" (CL). Выход "замкнутая система" переключателя 72 соединен линией 74 с контуром 42 перестройки длины волны, а также с асинхронным демодулятором. Демодулятор 76 выдает сигнал демодуляции по линии 78 в процессор 80 обработки сигналов в режиме измерения с обратной связью. Сигнал на выходе "разомкнутая система" переключателя 72 поступает по линии 82 в процессор 84 обработки сигналов в режиме измерения без обратной связи.

Структура процессоров 80 и 84 обработки сигналов (подробно рассматриваемые ниже) анализируют поступающие электрические сигналы и выдают в линии, соответственно, 86 и 88 набор электрических сигналов, несущих информацию о значениях деформаций, измеряемых датчиками, которые установлены в конструкции 62. Следует учесть, что может также использоваться единственная линия передачи сигналов с временным мультиплексированием или последовательной передачей цифровых данных, выдаваемых каждым датчиком.

Кроме того, контур 42 перестройки длины волны выдает в процессоры 80, 84 обработки сигналов по линии 90 сигнал синхронизации, а по линии 40 - управляющий сигнал перестройки длины волны.

Когда система разомкнута, т.е. работает в режиме измерения статических деформаций без обратной связи, оптические переключатели 46, 50 находятся в положении 1, переключатель 72 находится в положении "разомкнутая система", а логические схемы контура 42 перестройки длины волны и процессора 84 обработки сигналов работают следующим образом.

Как показано на фиг. 2 и 3, в контур 42 перестройки длины волны (фиг. 1) входит генератор функций 94 (фиг. 3), который выдает сигнал напряжения V_t по линии 96 на переключатель 98. При этом переключатель 98 находится в положении "разомкнутая система", соединяя генератор функций 94 с линией 40, ведущей к исполнительному перестраивающему элементу 36. Генератор функций 94 формирует пилообразное напряжение V_t с периодом T, как показано на графике (a) фиг. 2. Напряжение V_t непосредственно управляет расширением и сжатием исполнительного перестраивающего элемента 36 (фиг. 1), в результате чего длина волны _s генерируемого светового излучения 35 изменяется по пилообразному периодическому закону, пропорционально приложенному напряжению V_t, что видно из графика (b) фиг. 2. Таким образом, длина волны _s светового излучения 35 линейно изменяется от значения ₁ до значения ₂, причем средняя, или пиковая, длина волны _a светового излучения, отражаемого датчиком 54, а также средняя длина волны _b светового излучения, отражаемого датчиком 58, находятся в пределах значений ₁ и ₂.

В результате сканирования спектра длин волн оптическим детектором 64 на вход оптического детектора 64 поступает оптический сигнал 60 с профилем, показанным на графике (c) фиг. 2. На выходе оптического детектора 64 формируется электрический сигнал с подобным профилем. В частности, посылаемый по линии 66 электрический сигнал обратной связи характеризуется резкими провалами интенсивности излучения в областях спектра, соответствующих средней длине волны _a светового излучения, отражаемого датчиком 54, и средней длине волны _b светового излучения, отражаемого датчиком 58.

В разомкнутой системе (в режиме работы системы без обратной связи) процессор 84 обработки сигналов определяет величину статической деформации путем определения значения длины волны, которому соответствует провал мощности сигнала, измерения разности значений этой длины волны и длины волны, свойственной недеформированной решетке, а также определения значения статической деформации на основе известного соотношения между разностью длин волн и разностью деформаций. Значение длины волны светового излучения, генерируемого лазером, определяется процессором 84 обработки сигналов путем отслеживания сигнала, поступающего по линии 40 из контура 42 перестройки длины волны. Сигнал, вырабатываемый контуром 42 перестройки длины волны и посылаемый по линии 40, несет информацию о текущей длине волны на выходе лазера благодаря тому, что длина волны излучаемого света 44 прямо пропорциональна этому сигналу.

В другом варианте, в начале каждого периода линейного роста сигнала напряжения (или периода сканирования спектра), проходящего из контура перестройки длины волны по линии 40, в процессор 84 обработки сигналов по линии 90 подается сигнал синхронизации, задающий для контура обработки сигналов точку отсчета времени работы системы. Поскольку управляющий сигнал перестройки длины волны несет информацию о частоте сканирования спектра, значение длины волны, соответствующее провалу мощности сигнала, может вычисляться и отслеживаться в любой момент при фиксации изменения деформации заданным датчиком.

Еще один вариант системы предусматривает вместо подачи в контур обработки сигналов управляющего сигнала перестройки длины волны по линии 40 или сигнала синхронизации - по линии 90 использование дополнительной недеформируемой или не подверженной возмущениям эталонной решетки (которая на фиг. 1 не показана), отражающей световое излучение с постоянной средней длиной волны _ref, являющейся опорной длиной волны. Заранее определенная частота сканирования спектра и эта опорная длина волны представляют собой информацию, достаточную для синхронизации работы контура обработки сигналов с моментом начала каждого нового периода сканирования спектра. Для определения привязанного к каждому конкретному датчику значения длины волны, соответствующего провалу мощности сигнала, могут использоваться и другие способы.

Для измерения динамических деформаций система, схема которой показана на фиг. 1, может быть замкнутой, т.е. работать в режиме измерения с обратной связью. В этом случае переключатель 72 устанавливается в положение "замкнутая система", а контур 42 перестройки длины волны и процессор 80 обработки сигналов функционируют, как описывается ниже.

Как показано на фиг. 3, электрический сигнал обратной связи, вырабатываемый оптическим детектором 64, поступает по линии 74 на переключатель 100, имеющий выходы "слежение" и "поиск". Когда активизирован режим поиска, переключатель 100 находится в положении "поиск", и сигнал обратной связи поступает по линии 102 в логическую схему поиска 104, состоящую из таких стандартных электронных элементов, как операционные усилители и транзисторы. В логической схеме поиска 104 вырабатывается пилообразный сигнал напряжения, подобный показанному на графике (a) фиг. 2 и обеспечивающий нарастание напряжения, подаваемого на исполнительный перестраивающий элемент 36 (фиг. 1), и, тем самым, увеличение длины волны света, излучаемого источником излучения 44 (фиг. 1). Логическая схема поиска 104 вырабатывает сигнал, направляемый по линии 106 в сумматор 108. В сумматоре 108 этот сигнал суммируется с сигналом, пришедшим по линии 110 из другой логической схемы (ее рассмотрение следует ниже по тексту). Результирующий сигнал поступает из сумматора 108 по линии 112 на переключатель 98 "замкнутая/разомкнутая система" (CL/OL), который в данном режиме работы системы находится в положении "замкнутая система" (CL). Пройдя переключатель 98, этот сигнал поступает в качестве управляющего сигнала по линии 40 в исполнительный перестраивающий элемент 36.

Логическая схема поиска 104 ищет в сигнале обратной связи, поступающем по линии 74, провал мощности, обозначенный, к примеру, точкой 200 на фиг. 4. Как только логическая схема поиска 104 находит такой провал мощности сигнала, она вырабатывает сигнал переключения и посылает его по линии 120 на переключатель 100 и переключатель 134, в результате чего происходит переключение контура 42 перестройки длины волны с режима поиска на режим слежения.

В режиме слежения сигнал обратной связи по линии 74 поступает через переключатель 100 в линию 122, а по ней - в логическую схему слежения 124, состоящую из таких стандартных электронных элементов, как операционные усилители и транзисторы. Логическая схема слежения 124 вырабатывает сигнал слежения, идущий по линии 126 в сумматор 128. Источник 130 переменного тока вырабатывает колебательный электрический сигнал, следующий по линии 132 на переключатель 134, а затем по линии 135 - к сумматору 128. Этот колебательный сигнал, посылаемый по линии 132, представляет собой волнообразный сигнал переменного тока с заранее определенной амплитудой и частотой (роль этого сигнала подробно рассматривается ниже). Колебательный сигнал играет роль модулируемого по амплитуде несущего сигнала (процесс амплитудной модуляции, на которой основан принцип действия логической схемы слежения 124, рассматривается ниже).

Логическая схема слежения 124 ищет колебательную составляющую сигнала обратной связи, поступающего по линии 122, и посылает по линии 40 сигнал, настраивающий длину волны светового излучения лазера на значение, соответствующее точке местного минимума мощности сигнала, обозначенной позицией 202 на фиг. 4. Это достигается использованием колебательного сигнала, поступающего по линии 132 в качестве опорного сигнала, путем анализа сигнала обратной связи, поступающего по линии 122 и его привязки к частоте колебательного сигнала. Логическая схема слежения 124 определяет величину и фазу колебательной составляющей сигнала обратной связи. Когда длина волны в системе колеблется вокруг точки 202, амплитуда колебательной составляющей равна нулю (или очень мала), что обусловлено формой спектрального профиля датчика. Частота колебательной составляющей удваивается вследствие симметричности спектрального профиля датчика в точке минимума мощности сигнала. Если статическая деформация изменяется и принимает новое значение, спектральный профиль датчика сдвигается (кривая 204 на фиг. 4), а его рабочая точка сдвигается в точку 206. В этой точке знак разности фаз колебательной составляющей сигнала обратной связи и опорного колебательного сигнала, поступающего в логическую схему слежения по линии 132, определяет для логической схемы слежения 124 направление перестройки длины волны исполнительным перестраивающим элементом 36 (фиг. 1) с целью подстройки длины волны к значению, соответствующему точке 208 (местному минимуму мощности кривой 204). Далее логическая схема слежения дает команду исполнительному перестраивающему элементу 36 на перестройку длины волны с целью приведения ее в соответствие с точкой 208, в которой мощность сигнала при частоте колебательного сигнала снова стремится к нулю.

Таким образом, логическая схема слежения 124 действует в качестве синхронного усилителя и отслеживает изменения сигнала постоянного тока в амплитудно-частотной характеристике датчика, обусловленные изменением статической деформации. Для выполнения этой функции могут применяться и другие схемы управления перестройкой длины волны при условии, что они действуют в качестве синхронного усилителя в заданной рабочей точке.

Как показано на фиг. 5, если в систему вводится низкочастотный сигнал динамической деформации (или сигнал переменного тока), с частотой, например, около 50 Гц, и амплитудой, например, порядка 50 микродеформаций, что соответствует 0,05 нм (форма такого сигнала выражена кривой 220), а статическая деформация остается постоянной (это допущение принято для лучшей наглядности) спектральный профиль датчика колеблется вокруг рабочей точки, которая может рассматриваться в качестве рабочей точки, сдвигающейся относительно обеих окружающих линий профиля датчика в направлениях, обозначенных стрелками 222. Для достижения наилучших характеристик системы амплитуду колебаний длины волны при динамических деформациях желательно ограничить шириной спектральной линии датчика по полувысоте, например, значениями 0,2 нм или 200 микродеформаций, что, однако, не исключает возможности использования больших деформаций.

Огибающая 225 результирующей волны 224 имеет частоту, вдвое превышающую частоту динамической деформации, что обусловлено формой профиля амплитудно-частотной характеристики датчика. Колебательный сигнал обозначен линией 227 и стрелками 228 в точках 226 на профиле датчика. Колебательный сигнал вызывает соответствующую амплитудную модуляцию сигнала динамической деформации, отображенную волновой линией 224.

Следует понимать, что частота и амплитуда колебательной составляющей выходного сигнала (или несущей) 224, как было рассмотрено выше, также вдвое превышает частоту колебательного сигнала из-за симметричной природы спектрального профиля датчика. Форма 224 сигнала на выходе логической схемы слежения является следствием наложения амплитуд колебаний переменного тока и сигнала динамических деформаций. Кроме того, на форму 224 выходного сигнала влияет то, работает ли система с обратной связью в точке пропускного минимума.

Колебательный сигнал переменного тока вводится в систему для имитации динамических деформаций, чтобы логическая схема слежения 124 могла отслеживать сдвиг провала в спектральном профиле датчика во время изменений статических деформаций даже при отсутствии динамических деформаций. Также для нормального слежения за изменением статической деформации амплитуда колебательного сигнала должна превышать уровень шума в системе и обычно имеет тот же порядок, что и амплитуда сигнала деформации. Кроме того, частота колебательного сигнала, к примеру, 1 кГц, должна быть настроена выше диапазона частот управляющих сигналов, вырабатываемых логической схемой слежения 124, и выше частоты измеряемого переменного сигнала динамической деформации.

Как видно на фиг. 1, когда система замкнута, т.е. работает с обратной связью, сигнал обратной связи по линии 74 поступает в демодулятор 76, работающий на частоте колебательного сигнала. Демодулятор 76 известным способом демодулирует сигнал обратной связи, удаляя амплитудную модуляцию, вызванную введением колебательного сигнала, и выдает по линии 78 в процессор 80 обработки сигналов демодулированный переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине динамической деформации, а частота вдвое превышает частоту динамической деформации. Например, демодулятор 76 может иметь полосовой фильтр с центральной частотой, соответствующей частоте колебательного сигнала, пропускающий боковые полосы амплитудной модуляции, а также двухполупериодный выпрямитель и низкочастотный фильтр.

Логическая схема процессора 80 обработки сигналов обнаруживает частоту и амплитуду демодулированного сигнала, поступающего по линии 78 и выдает сигналы динамической деформации в линию 86. Параметры динамической деформации рассчитываются путем деления на два частоты сигнала и умножения амплитуды сигнала на некоторый коэффициент, так как амплитуда прямо пропорциональна величине деформации. Кроме того, процессор 80 обработки сигналов измеряет параметры управляющего сигнала перестройки длины волны, приходящего по линии 40, для того чтобы определить, от какого датчика исследуется информация в данный момент. Это возможно благодаря тому, что электрическое напряжение пропорционально параметрам световода, по которому проходит световое излучение 44, а эти параметры, в свою очередь, известны для каждого датчика. Когда контур 42 перестройки длины волны работает в режиме слежения, колебательная составляющая сигнала перестройки длины волны оказывает минимальное влияние на процесс перестройки лазера, поскольку амплитуда этой составляющей достаточно мала.

В другом варианте процессор 80 обработки сигналов отслеживает сигнал синхронизации, проходящий из контура 42 перестройки длины волны по линии 90 и обеспечивающий синхронизацию работы контура 42 и процессора 80 для того, чтобы последний мог распознать датчик, информация от которого обрабатывается в данный момент времени. В роли сигнала синхронизации может, например, выступать сигнал переключения, следующий по линии 120, поскольку, когда логическая схема поиска 104 переключается с режима поиска на режим слежения, этот сигнал информирует о распознавании следующего датчика.

В соответствии с фиг. 3, после истечения некоторого, заранее заданного периода (например, 100 мс), в течение которого логическая схема слежения сопровождала найденный провал в спектральном профиле датчика, управление перестройкой длины волны лазера снова берет на себя логическая схема поиска 104, подающая команду на переключение переключателя 100 в положение "поиск" и, тем самым, прекращающая "подмешивание" колебательного сигнала к управляющему сигналу перестройки длины волны. Теперь логическая схема поиска 104 готова искать очередной провал в спектральном профиле решетки, выполняющей функции датчика, соответствующий провалу в профиле сигнала обратной связи, как это было подробно описано выше. Кроме того, параметры управляющего сигнала перестройки длины волны, посылаемого логической схемой слежения по линии 126, фиксируются по состоянию на момент прекращения слежения. Логическая схема поиска 104 начинает сканировать спектр с нарастанием, начиная с этих фиксированных параметров, обеспечивая плавный переход к провалу в профиле сигнала, соответствующего очередному датчику.

Следует понимать, что демодулятор 76 может быть установлен перед переключателем 72. В этом случае демодуляция сигнала обратной связи, следующего по линии 66, будет выполняться все время, как в замкнутом, так и в разомкнутом состоянии системы. При этом отпадает необходимость блокирования колебательного сигнала при переходе в режим поиска. Вместе с тем, если управляющий сигнал перестройки длины волны лазерного излучения поступает по линии 40 в процессоры 80 и 84 обработки сигналов, может потребоваться дополнительный демодулятор.

Система, схематически представленная на фиг. 1, может быть выполнена по схеме Фабри-Перо со связанными резонаторами. В подобной схеме волоконно-оптические переключатели 46 и 50 устанавливаются в свои вторые положения, исключая тем самым оптический вентиль из линии распространения светового излучения 44. В этом случае два переключателя 46, 50 соединяются между собой посредством оптического волокна 240, а решетка 54 выполняет функции зеркала дополнительного резонатора, связанного с основным резонатором лазерного диода 10, образованного решеткой 34 и задней гранью 12.

Из теории связанных резонаторов известно, что частота электромагнитных колебаний в них определяется расстоянием между решеткой (зеркалом) 54 дополнительного резонатора и решеткой (зеркалом) 34 основного резонатора. В данном случае для того, чтобы электромагнитные колебания в связанном резонаторе имели заданную частоту, датчик 54 располагается на заданном расстоянии от решетки 34 резонатора.

Если датчик 54 испытывает деформацию и его пик отражения сдвигается, мощность отражаемого излучения с заранее определенной частотой уменьшается, вследствие чего резонатор "расстраивается". Это влечет за собой резкий спад интенсивности регистрируемого светового излучения, функционально зависящий от степени деформации, что обеспечивает высокую чувствительность такого датчика к деформации. Подобный эффект связанных резонаторов наблюдается и на решетке 58, а также на любой другой решетке, встроенной в волокно 52. Таким образом, диагностическая система по схеме Фабри-Перо обладает очень высокой чувствительностью к динамической деформации.

Кроме того, следует учитывать, что диагностическая система по схеме Фабри-Перо может включать в себя более или менее длинные участки светопроводящего волокна, имеющие или не имеющие встроенных датчиков. Например, когда датчик 58 является крайним датчиком на конструкции 62, он служит границей связанного резонатора, включающего в себя светопроводящее волокно по всей его длине, т.е. охватывающего всю длину конструкции 62. Таким образом, любая деформация в конструкции расстраивает этот длинный связанный резонатор, что свидетельствует о наличии деформации конструкции на некотором участке волокна.

После выявления деформации на некотором участке волокна система может более подробно проанализировать состояние связанных резонаторов по длине волокна для того, чтобы определить участок, на котором зафиксирована эта деформация. С этой целью последовательно, в направлении противоположного конца конструкции, проверяется настройка связанных резонаторов, ограниченных остальными датчиками. Нахождение датчика, далее которого резонатор не расстроен, свидетельствует о том, что деформированный участок конструкции находится между этим и следующим за ним датчиком. В другом варианте диагностическая система может переключиться в режим непосредственного пропускания или отражения (когда переключатели 46 и 50 находятся в своих первых положениях) и исследовать каждый датчик отдельно, как это было рассмотрено выше.

Диагностическая система по схеме Фабри-Перо работает с обратной связью и поэтому может использовать логику слежения и поиска, описанную выше со ссылкой на фиг. 3. Способ детектирования возмущений по схеме Фабри-Перо применим также без обратной связи, однако в этом случае сдвиг пика отражения решетки за пределы рабочего диапазона приводит к резкому ухудшению чувствительности системы.

На фиг. 6 представлен альтернативный вариант системы для работы не в режиме отражения, а в режиме пропускания светового излучения. В этом случае схема системы практически идентична схеме, рассмотренной ранее на фиг. 1, за исключением того, что между оптическим переключателем 50 и конструкцией 62 установлен двухканальный ответвитель 250. Как было рассмотрено выше, датчик 54 отражает световое излучение 55 с узкой областью длин волн и пропускает остальной свет в направлении линии 56. Этот свет 56 падает на датчик 58, отражающий световое излучение 59 с узкой областью длин волн и пропускающий остальной свет 60. Отражаемый свет 55, 59 возвращается на ответвитель 250 и через оптический порт 256 в волокне 258 попадает на оптический детектор 64. Детектор 64 регистрирует не пропускаемое световое излучение, как в схеме, представленной на фиг. 1, а отражаемое световое излучение, вырабатывая электрический сигнал, соответствующий интенсивности отражаемого света.

Единственное существенное отличие системы для работы в режиме отражения, представленной на фиг. 6, от системы для работы в режиме пропускания, представленной на фиг. 1, заключается в том, что спектральные профили датчиков (фиг. 2,c, 4 и 5) характеризуются не высоким постоянным уровнем мощности сигнала и его провалом в точке отражения-пропускания датчика, а низким постоянным уровнем мощности сигнала и его скачком в точке отражения-пропускания датчика. Все остальные ранее рассмотренные принципы работы системы действуют в равной мере и в режиме отражения. Кроме того, что касается системы, выполненной по схеме Фабри-Перо, работающей в режиме отражения, то необходимо принимать во внимание оптическое влияние ответвителя на характеристики резонатора для того, чтобы исключить отражение ответвителем внутрь резонатора паразитного излучения.

Вариант системы, показанной на фиг. 6, является наилучшим решением для тех ситуаций, когда для сопряжения с системой доступен только один конец волокна 52. Если же доступ обеспечен к обоим концам волокна 52, обе схемы, представленные на фиг. 1 и фиг. 6, приемлемы в равной мере.

В данном описании в качестве объекта изобретения рассмотрена система регистрации деформаций. Однако предназначение предложенной системы следует рассматривать более широко - как регистрация и измерение любого рода возмущений или измеряемых параметров, вызывающих изменение спектрального профиля отражения (или пропускания), в соответствии с тем, как это было описано Мелтцем и другими в вышеупомянутых патентах США N 4,806,012 и N 4,761, 073. Например, светопроводящее волокно может быть покрыто материалом, вызывающим расширение или сжатие волокна в результате воздействия электрических или магнитных полей, определенных химических соединений или возмущений другого рода.

В данном описании рассмотрена система, использующая решетки Брэгга в качестве датчиков, регистрирующих возмущения. Вместе с тем, при желании, в такой системе может быть использовано любое отражающее устройство, имеющее узкую область длин волн отражаемого излучения, которая сдвигается под действием приложенных к нему возмущений. Кроме того, нарезка датчиков в светопроводящем волокне не является единственно возможным вариантом установки датчиков в системе. Альтернативным вариантом является, например, врезка датчиков в волокно.

Кроме того, хотя в рассмотренном варианте системы световое излучение распространяется по оптическим волокнам, при желании с этой целью можно использовать любой другой тип световода. Далее электрические переключатели 72 (фиг. 1), 98 (фиг. 3) могут управляться вручную или по сигналам от какого-либо другого процессора (не показанного на схемах) типа микропроцессора или центрального процессора. Такой процессор может управляться оператором или летчиком либо автоматически переключаться по заданной программе или по заданной логике в режимы определения статических деформаций, динамических деформаций и/или выявления и измерения деформаций по всей длине волокна (в схеме Фабри-Перо).

И, наконец, следует учесть, что принципы действия контура 42 перестройки длины волны и контура 68 обработки сигналов могут быть реализованы на программном уровне с использованием соответствующего аппаратного интерфейса, например, аналого-цифровых преобразователей.