Устройство для измерения параметров физических полей

Устройство относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении, у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной, как правило, полосовой резонансной характеристики, в зависимости от параметров приложенных физических полей. Решаемая техническая задача в устройстве для измерения параметров физических полей заключается в повышении его точности измерений, упрощении конструкции и удешевлении. Решаемая техническая задача в устройстве для измерения параметров физических полей (фиг.1) содержащем последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора, при этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор к его второму входу. Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга или интерферометра Фабри-Перо или тонкопленочного фильтра. 2 илл.

Техническое решение относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении (интерферометры Фабри-Перо, решетки Брэгга, датчики на тонкопленочных фильтрах и т.д.), у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной, как правило, полосовой резонансной характеристики, в зависимости от параметров приложенных физических полей.

Известно устройство для измерения параметров физических полей (см. электронный ресурс www.forc-photonics.ru, «Волоконно-оптический зондовый термометр», файл termometr_final.pdf, ООО ИП «НЦВО-Фотоника», 14.10.2008), которое содержит последовательно соединенные широкополосный лазерный излучатель, оптический разветвитель-циркулятор, волоконно-оптический кабель, оптический датчик, блок спектрального анализа принятого излучения и фотоприемный блок, соединный с входом контроллера определения параметра физического поля, в котором производится математическая обработка спектрального смещения, по которому с учетом калибровки определяют параметр физического поля, в конкретном случае температуру. Известны аналогичные устройства для измерения параметров и других физических полей.

Устройство работает следующим образом. Генерируют широкополосное излучение в лазерном излучателе, передают его к оптическому датчику по волоконно-оптическому кабелю, принимают излучение, преобразованное в оптическом датчике в блоке спектрального анализа принятого излучения и фотоприемном блоке, и определяют параметры физического поля, прецизиоппо регистрируя спектральное смещение резонансной длины волны оптического датчика.

Недостатком указанного устройства является необходимость использования сложных дорогостоящих блока спектрального анализа принятого излучения и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения (как правило, это оптические анализаторы спектра). Оптоэлектронная спектральная обработка сигналов, также представляется сложной, и требует наличия либо перестраиваемых лазерных излучателей, либо сложных систем спектральной фильтрациии, либо нескольких фотоприемников, либо, как вариант, системы матричных ПЗС-приемников. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.

Прототипом технического решения является устройство для измерения физических полей (см. Патент США 7463832 В2 «Способ и система компенсации тепловых смещений для оптических сетей», 398/196 МПК8 H04J 13/02, 09.08.2005), которое содержит последовательно соединенные двухчастотный лазерный излучатель, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, а также блок сравнения амплитуд каждого из сигналов сгенерированной двухчастотным лазерным излучателем пары и пары, принятой после прохождения оптического датчика, соединенный с контроллером определения параметра физического поля, в данном случае температуры, при этом выходы фотоприемников соединены с входами блока сравнения амплитуд.

Прототип работает следующим образом. В двухчастотном лазерном излучателе генерируют пары сигналов заранее установленной близкой амплитуды со средней частотой, соответствующей определенной частоте полосы пропускания оптического датчика при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания, передают сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику по первому волоконно-оптическому кабелю, принимают на первом фотоприемнике пропущенную через оптический датчик пару сигналов, передаваемую второму волоконно-оптическому кабелю, и определяют параметр физического поля, сравнивая разности амплитуд между сигналами пары, принятой после прохождения через оптический датчик, или сравнивая их амплитуды с амплитудами сигналов в сгенерированной паре, переданной к второму фотоприемнику по третьему волоконно-оптическому кабелю.

Недостатком прототипа устройства является необходимость использования сложной оптической системы для раздельного амплитудно-спектрального приема отдельных компонент пар сигналов, требующей, как правило, наличия узкополосных интерференционных фильтров, в свою очередь, обладающих температурной зависимостью спектральных характеристик. Оптоэлектронная раздельная обработка компонент, также представляется сложной и представляет собой обработку абсолютных амплитудных значений принятых сигналов, подверженную воздействию шумов и помех различной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.

Решаемая техническая задача заключается в повышении точности измерений, упрощении и удешевлении устройств для измерения параметров физических полей.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения параметров физических полей, содержащем последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический датчик и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора, при этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор к его второму входу.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе тонкопленочного фильтра.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.

На фиг.2 изображена зависимости амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик, и их разности от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика для случая подачи на него четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар 1 и 2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга.

Устройство для измерения параметров физических полей (фиг.1, 2) содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения 1, первый волоконно-оптический кабель 2, оптический датчик 3, второй волоконно-оптический кабель 4 и фотоприемник 5, а также контроллер определения параметра физического поля 6 достигается тем, что него введены два избирательных фильтра 7-8 и два амплитудных 9-10, при этом источник лазерного излучения 1 выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника 5 через первый избирательный фильтр 7 и первый амплитудный детектор 9 подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля 6 и параллельно через второй избирательный фильтр 8 и второй амплитудный детектор 10 к его второму входу.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе волоконной решетки Брэгга.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе интерферометра Фабри-Перо.

Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 3 на основе тонкопленочного фильтра.

На фиг.2 изображена зависимости амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик 3, и их разности от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 для случая подачи на него от источника лазерного излучения 1 четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар 1 и 2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга.

Рассмотрим работу устройства для измерения параметров физических полей.

Для измерения параметров физических полей с помощью четырехчастотного источника лазерного излучения 1 одновременно генерируют четыре сигнала одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте полосы пропускания оптического датчика 3 при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар 1 и 2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3.

Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику 3 по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель 2.

В сгенерированных парах сигналов, проходящих через оптический датчик 3, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.

Далее с помощью фотоприемника 5 принимают прошедшие через оптический датчик 3 пары сигналов, передаваемые от оптического датчика 3 к фотоприемнику 5 по второй оптической среде, в качестве которой выбран второй волоконно-оптический кабель 4.

На выходе фотоприемника 5 образуются сигналы, соответствующие биениям сигналов первой и второй пар, которые выделяются соответственно первым 7, настроенным на частоту 1, и вторым 8, настроенным на частоту 2, избирательными фильтрами. Далее в первом 9 и втором 10 амплитудных детекторах соответственно определяется амплитуда огибающих первой U₁ и второй U₂ пар.

Измерение разности амплитуд огибающих биений между сигналами первой и второй пары U₁-U₂, прошедших через оптический датчик 3, производят в контроллере определения параметра физического поля 6.

1 Io полученным значениям и заложенным в контроллере определения параметра физического поля 6 зависимости разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар U₁-U₂ прошедших через оптический датчик 3, от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 (фиг.2) и зависимости направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля однозначно определяют измеряемый параметр физического поля.

На фиг.2 изображена зависимость разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар U₁-U₂, прошедших через оптический датчик 3 от обобщенной расстройки его полосы пропускания для случая подачи на него от источника лазерного излучения 1 четырех сигналов одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар 1 и 2 не одинаковы, а разность между средними частотами первой и третьей пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика 3. В этом случае обеспечиваются оптимальные по чувствительности и крутизне измерительного преобразования параметры устройства.

При заданном (калибровочном) параметре физического поля средняя частота сгенерированных четырех сигналов будет соответствовать расстройке «0», средняя частота первой пары будет расположена с расстройкой «-1», средняя частота второй пары с расстройкой «+1». Их амплитуды будут равны, а разностные частоты пар будут не одинаковы и равны для первой пары 1, а второй - 2 (фиг.2). При частотном смещении полосы пропускания оптического датчика 3 в зависимости от изменений параметра физического поля положение компонент сгенерированной пары сигналов относительно полосы пропускания будет меняться, будут меняться амплитуды огибающих биений пар и будут меняться разности между амплитудами огибающих биений первой и второй пар, прошедших через оптический датчик 3 в соответствии с представленной зависимостью U₁-U₂ (фиг.2).

При известной зависимости величины расстройки полосы пропускания оптического датчика от значения параметра приложенного физического поля (например, для волоконно-оптической решетки Брэгга - типичные значения расстройки в зависимости от температуры ~0.01 нм/К и от относительного удлинения световода ~10³L/L (нм) (С.А.Васильев, О.И.Медведков, И.Г.Королев, Е.М.Дианов, Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения, Фотон-Экспресс-Наука, 6, стр.163-183, 2004)) определяют значение параметра приложенного физического поля.

Таким образом, по полученной разности между амплитудами огибающих биений первой и второй пар U₁-U₂, прошедших через оптический датчик 3 в соответствии с представленной зависимостью определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика 3 и далее по зависимости обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика 3 от параметра приложенного физического поля в контроллере определения параметра физического поля 10 однозначно определяют параметр измеряемого физического поля.

Устройство может быть реализовано с использованием различных типов оптических датчиков 3, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и характера приложенного физического поля. Это могут быть волоконная решетка Брэгга или интерферометр Фабри-Перо или тонкопленочный фильтр. Зависимости даны в предположении, что оптический датчик имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга. При использовании спектральных характеристик оптических датчиков с нелинейной формой вид результирующей характеристики U₁-U₂ также будет иметь нелинейные участки, однако на однозначности определения физического параметра это не скажется.

Устройство для измерения параметров физических полей может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1300 нм (возможны и другие длины волн):

- источник лазерного излучения 1 - два двухчастотных лазерных диода IDL10S-1300 НИИ «Полюс» или лазерных диода ДМПО131-22 ООО НПФ «Дилаз», одночастотный лазерный диод и модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера 500-х-13 компании Laser 2000;

- волоконно-оптические кабели 2, 4 - эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;

- оптический датчик 3 - волоконная решетка Брэгга, интерферометр Фабри-Перо, тонкопленочные фильтры ООО ИП «НЦВО-Фотоника»;

- фотоприемник 5 - высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;

- контроллер 10 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;

- избирательные фильтры 6-7 - фирмы Agilent;

- амплитудные детекторы 8-9 - сдвоенный амплитудный детектор AD8302-a (Analog Devices).

Для построения датчика параметров физических полей все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.

По сравнению с существующими устройствами для измерения параметров физических полей с помощью оптических датчиков, включая датчики в интегральном и волоконно-оптическом исполнении, у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной характеристики в зависимости от параметров приложенных физических полей, предложенное устройство с четырехчастотным зондированием оптического датчика и измерением параметра физического поля по разности между амплитудами огибающих биений пар сигналов, прошедших через оптический датчик не требует:

во-первых, применения сложных дорогостоящих оптических систем определения спектрального смещения или выделения отдельных спектральных компонент для их дальнейшего сравнения, что значительно снижает стоимость устройств;

во-вторых, применения для анализа оптических сигналов избирательных элементов, которые обладают собственной зависимостью от изменений измеряемых физических полей.

Испытания опытного устройства измерения параметров физических полей были проведены на оптических датчиках, выполненных на волоконных решетках Брэгга, изготовленных в ООО «Инверсия-Файбер» (Новосибирск), откалиброваны на оптических анализаторах спектра EXFO в лаборатории КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева (Казань), и показали, что использование устройства четырехчастотного зондирования оптического датчика с измерением параметра по разности амплитуд огибающих биений пар сигналов, позволило достичь погрешности измерения температуры 0,01°С в диапазоне ±60°С. При этом погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения температуры.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - упрощении, повышении точности и удешевлении устройств измерения параметров физических полей.

1. Устройство для измерения параметров физических полей, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля, отличающееся тем, что в него введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора, при этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор - к его второму входу.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический датчик выполнен на основе тонкопленочного фильтра.