волоконно-оптическая сенсорная система

Формула изобретения

Волоконно-оптическая сенсорная система содержит источник оптического излучения, оптическое волокно, волоконно-оптический разветвитель, датчик Фабри-Перо, приемники оптического излучения, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены модуль перестройки длины волны оптического излучения, контур синхронизации измерительного канала по длине волны, аналого-цифровые преобразователи, сигнальный цифровой процессор, причем вход оптического источника излучения соединен с модулем перестройки длины волны излучения, выход которого связан с первым входом сигнального цифрового процессора посредством контура синхронизации измерительного канала по длине волны, выход источника оптического излучения соединен посредством оптического волокна с волоконно-оптическим разветвителем, первый выход которого соединен со вторым входом сигнального цифрового процессора посредством последовательного соединения оптического волокна, приемника оптического излучения опорного канала, аналого-цифрового преобразователя опорного канала, второй выход волоконно-оптического разветвителя соединен посредством оптического волокна с входом датчика Фабри-Перо, выход которого соединен с третьим входом сигнального цифрового процессора посредством последовательного соединения оптического волокна, приемника оптического излучения измерительного канала, аналого-цифрового преобразователя измерительного канала, при этом ширина зазора датчика Фабри-Перо выбрана по следующей зависимости:

,

где L₀ - ширина зазора датчика Фабри-Перо;

- диапазон перестройки длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения;

_min - минимальная длина волны излучения, генерируемая источником оптического излучения;

Х - число резонансов коэффициента отражения/пропускания датчика Фабри-Перо, при перестройке длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения, на интервале .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, перемещения и других параметров, которые могут быть преобразованы в перемещение.

Известна диагностическая система с оптическими датчиками (RU 2141102, МПК6 G01D 5/353). Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, генерирующий световое излучение с переменной длиной волны, направляя его в светопроводящее волокно. По длине волокна расположены отражательные датчики, например, типа решеток Брэгга. Датчики пропускают световое излучение с длиной волны, соответствующей пропускным минимумам этих датчиков и изменяющейся под влиянием действующего на них возмущения. Контур перестройки длины волны управляет перестраиваемым источником света, обеспечивая сканирование генерируемого светового излучения в заранее определенной области длин волн с целью индивидуального освещения каждого датчика светом с длиной волны, соответствующей его пропускному минимуму. Мощность этого пропускаемого датчиками светового излучения преобразуется детектором в электрический сигнал, который обрабатывается контуром обработки сигналов. Контур обработки сигналов выявляет провалы профиля мощности светового излучения, воспринятого детектором, вырабатывает выходные сигналы, несущие информацию о параметрах возмущения, действующего на каждый датчик.

Недостатком известной системы является сложность реализации и как следствие высокая стоимость системы, узкий диапазон измерения физического параметра.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является известная измерительная система Фабри-Перо для регистрации давления (US 5929990, МПК6 G01B 9/02), в которой используется несколько одночастотных импульсных оптических источников. Каждый источник испускает излучение с определенной длиной волны. Из излучения всех источников формируется мультиплексированный падающий луч, который по оптическому волокну поступает в волоконно-оптический разветвитель, в котором он разбивается на две части. Первая часть луча падает на первичный фотодатчик, который вырабатывает опорный сигнал для каждой длины волны. Вторая часть луча взаимодействует с одним или несколькими датчиками Фабри-Перо. В датчиках вторая часть луча подвергается фазовой модуляции путем изменения ширины зазора. Фазомодулированное излучение падает на вторичный фотодатчик, который измеряет интенсивность сигнала на каждой длине волны. Для каждой длины волны определяется отношение измеренной интенсивности к опорной. При этом отношение зависит от фазового сдвига в датчике Фабри-Перо, который зависит от ширины зазора. Ширина зазора датчика Фабри-Перо, в свою очередь, является функцией давления, приложенного к датчику.

Недостатками известной системы являются ограниченные технические возможности измерения физической величины, а также сложность одновременного обеспечения стабильности длин волн нескольких источников оптического излучения.

Задачей заявляемого изобретения является расширение технических возможностей путем увеличения диапазона измерения физической величины и повышения точности измерения волоконно-оптической сенсорной системы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что волоконно-оптическая сенсорная система содержит источник оптического излучения, оптическое волокно, волоконно-оптический разветвитель, датчик Фабри-Перо, приемники оптического излучения, причем в систему дополнительно введены модуль перестройки длины волны оптического излучения, контур синхронизации измерительного канала по длине волны, аналого-цифровые преобразователи, сигнальный цифровой процессор, причем вход оптического источника излучения соединен с модулем перестройки длины волны излучения, выход которого связан с первым входом сигнального цифрового процессора посредством контура синхронизации измерительного канала по длине волны, выход источника оптического излучения соединен посредством оптического волокна с волоконно-оптическим разветвителем, первый выход которого соединен со вторым входом сигнального цифрового процессора посредством последовательного соединения оптического волокна, приемника оптического излучения опорного канала, аналого-цифрового преобразователя опорного канала, второй выход волоконно-оптического разветвителя соединен посредством оптического волокна с входом датчика Фабри-Перо, выход которого соединен с третьим входом сигнального цифрового процессора посредством последовательного соединения оптического волокна, приемника оптического излучения измерительного канала, аналого-цифрового преобразователя измерительного канала, при этом ширина зазора датчика Фабри-Перо выбрана по следующей зависимости:

где

L₀ - ширина зазора датчика Фабри-Перо;

- диапазон перестройки длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения;

_min - минимальная длина волны излучения, генерируемая источником оптического излучения;

Х - число резонансов коэффициента отражения (пропускания) датчика Фабри-Перо, при перестройке длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения, на интервале .

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой волоконно-оптической сенсорной системы.

На фиг.2 изображен график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, изменение длины волны генерируемого оптического излучения в пределах от _min до _max, как функцию времени.

На фиг.3 изображен график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, информационный сигнал, описывающий резонансную характеристику коэффициента отражения датчика Фабри-Перо, как функцию длины волны оптического излучения для ширины зазора датчика Фабри-Перо L=43.75 _min.

На фиг.4 изображен график, отображающий, в соответствии с настоящим изобретением, информационный сигнал, описывающий резонансную характеристику коэффициента отражения датчика Фабри-Перо, как функцию длины волны оптического излучения для ширины зазора датчика Фабри-Перо L=105.15 _min.

Такая система может быть реально воплощена в технике и найти применение на практике. В состав структурной схемы волоконно-оптической сенсорной системы, показанной на фиг.1, входит перестраиваемый источник оптического излучения 1, в качестве которого может быть использован, например, перестраиваемый лазер с внешним резонатором, либо перестраиваемый лазерный диод с вертикальным резонатором мембранного типа. Модуль перестройки 2 длины волны оптического излучения соединен с входом источника оптического излучения 1 с перестраиваемой длиной волны и входом сигнального цифрового процессора 14 посредством контура синхронизации 13 измерительного канала по длине волны. Выход источника оптического излучения 1 соединен с входом волоконно-оптического разветвителя 4 посредством оптического волокна 3, в качестве которого может быть использовано стандартное одномодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления. Первый выход волоконно-оптического разветвителя 4 соединен с приемником оптического излучения 6 опорного канала посредством оптического волокна 5. Выход приемника оптического излучения 6 опорного канала соединен с входом аналого-цифрового преобразователем 7 опорного канала, выход которого соединен с входом сигнального цифрового процессора 14. Второй выход волоконно-оптического разветвителя 4 соединен с датчиком Фабри-Перо 9 посредством оптического волокна 8. Ширина зазора датчика Фабри-Перо 9 выбрана по следующей зависимости:

где

L₀ - ширина зазора датчика Фабри-Перо;

- диапазон перестройки длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения;

_min - минимальная длина волны излучения, генерируемая источником оптического излучения;

Х - число резонансов коэффициента отражения (пропускания) датчика Фабри-Перо, при перестройке длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения, на интервале .

Датчик Фабри-Перо 9 может работать как на проходном, так и на отраженном излучении. Выход датчика Фабри-Перо 9 соединен с приемником оптического излучения 11 измерительного канала посредством оптического волокна 10. Приемник оптического излучения 11 измерительного канала и приемник оптического излучения 6 опорного канала могут быть выполнены как на основе раздельных фотодиодов, так и с использованием сдвоенного фотодиода, например, PR5001, производимого фирмой Prema Semiconductor. Выход приемника оптического излучения 11 измерительного канала соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 12 измерительного канала, выход которого соединен с входом сигнального цифрового процессора 14.

Волоконно-оптическая сенсорная система работает следующим образом. Источник оптического излучения 1 генерирует оптическое излучение с изменяемой во времени длиной волны излучения, закон изменения которой задается модулем перестройки 2 длины волны оптического излучения, на фиг.2 показана нормированная по времени зависимость длины волны оптического излучения в пределах одного периода, в данном случае диапазон перестройки составляет 5%, т.е. _max=1.05 _min. С выхода модуля перестройки 2 длины волны оптического излучения по контуру синхронизации 13 в сигнальный цифровой процессор 14 поступает информационный сигнал для определения длины волны излучения, генерируемого источником оптического излучения 1 в данный момент, которое вводится в оптическое волокно 3, по которому оно поступает в волоконно-оптический разветвитель 4, который делит оптическое излучение на две части. Первая часть излучения с первого выхода волоконно-оптического разветвителя 4 по оптическому волокну 5 поступает на вход приемника оптического излучения 6 опорного канала, который вырабатывает опорный аналоговый сигнал, пропорциональный интенсивности падающего на него излучения. Аналоговый электрический сигнал опорного канала с выхода приемника оптического излучения 6 опорного канала поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7 опорного канала, в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Цифровой сигнал опорного канала с выхода цифроаналогового преобразователя 7 поступает на вход сигнального цифрового процессора 14 для обработки. Вторая часть излучения со второго выхода волоконно-оптического разветвителя 4 по оптическому волокну 8 поступает на вход датчика Фабри-Перо 9, выходное оптическое излучение которого модулируется в соответствии с изменением ширины зазора в результате воздействия измеряемого физического параметра. На фиг.3 и фиг.4 изображены графики резонансной характеристики коэффициента отражения датчика Фабри-Перо 9 с шириной зазора L=43.75 _min и L=105.15 _min соответственно, как функции длины волны оптического излучения. Из фиг.3 и фиг.4 видно, разным величинам ширины зазора датчика Фабри-Перо 9 свойственны резонансные характеристики коэффициента отражения, отличающиеся числом и расположением резонансов на интервале перестройки длины волны оптического излучения, генерируемого источником оптического излучения 1. Модулированное оптическое излучение с выхода датчика Фабри-Перо 9 поступает по оптическому волокну 10 в приемник оптического излучения 11 измерительного канала, который вырабатывает аналоговый электрический сигнал, пропорциональный интенсивности падающего на фотоприемник оптического излучения. Аналоговый электрический сигнал измерительного канала с выхода приемника оптического излучения 11 измерительного канала поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 12 измерительного канала, в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Цифровой сигнал измерительного канала с выхода аналого-цифрового преобразователя 12 поступает на вход сигнального цифрового процессора 14. Сигнальный цифровой процессор 14 осуществляет нормировку информационного сигнала по уровню, используя сигналы опорного и измерительного каналов, после чего производит фильтрацию сигнала и вычисляет ширину зазора датчика Фабри-Перо 9 по числу и расположению резонансов коэффициента отражения (пропускания) на интервале перестройки длины волны оптического излучения, генерируемого источником оптического излучения 1.

Предложенное техническое решение позволило расширить технические возможности устройства путем расширения диапазона измерения в 10 раз и точности измерения в 2 раза.