close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14790

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01K 11/00 (2006.01)
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
(21) Номер заявки: a 20090375
(22) 2009.03.13
(43) 2009.08.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Поляков Александр Владимирович (BY)
BY 14790 C1 2011.10.30
BY (11) 14790
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) RU 2248540 C1, 2005.
BY 9835 C1, 2007.
RU 2256890 C1, 2005.
SU 1642263 A1, 1991.
GB 2140554 A, 1984.
US 5054935 A, 1991.
(57)
Волоконно-оптический датчик температуры, содержащий лазерный излучатель, соединенный последовательно с формирователем импульсов и блоком управления, обработки и отображения данных, а через направленный ответвитель и первый оптический
соединитель - с измерительным преобразователем, содержащим секции волоконнооптического кабеля, фотоприемник, оптически соединенный с компаратором, выход которого соединен со входом формирователя импульсов, второй оптический соединитель, отличающийся тем, что содержит мультиплексор, входы которого соединены с лазерным
излучателем, выполненным многомодовым в виде линейки полупроводниковых инжекционных лазерных излучателей, а выход через второй оптический соединитель - со входом
направленного ответвителя; демультиплексор, вход которого подключен к одному из выходов направленного ответвителя, а выходы соединены с фотоприемником, выполненным
в виде линейки фотоприемников на лавинных фотодиодах; частотомер, соединенный через коммутатор с компаратором и с блоком управления, отображения и обработки данных,
при этом измерительный преобразователь содержит дихроичные зеркала, разделяющие
секции волоконно-оптического кабеля измерительного преобразователя, причем в конце
последней секции установлено глухое зеркало.
Фиг. 1
BY 14790 C1 2011.10.30
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к волоконнооптическим датчикам температуры квазираспределенного типа, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры при наличии сильных электромагнитных
полей, пожаровзрывоопасности, агрессивных сред в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, химической, электротехнической промышленности, на транспорте.
Известны волоконно-оптические датчики температур с использованием брэгговских
решеток [1, 2]. Эти устройства включают широкополосный источник излучения, ответвитель, оптический усилитель, спектроанализатор, волоконный световод, в котором сформирован набор брэгговских решеток - структура с периодической модуляцией показателя
преломления.
Работа устройства заключается в том, что на вход оптического волокна подается излучение от широкополосного источника, которое последовательно проходит набор брэгговских решеток. Каждая решетка отражает излучение на определенной длине волны,
определяемой эффективным показателем преломления и периодом решетки. Эта центральная длина волны изменяется под действием температуры за счет изменения периода
решетки и показателя преломления. Отраженный сигнал усиливается оптическим усилителем и через ответвитель попадает на спектроанализатор, который регистрирует величину сдвига центральной частоты брэгговской решетки.
Однако данное устройство обладает следующими недостатками:
использование специальных волокон с брэгговской решеткой, при этом измерения
осуществляются только в тех точках, где имеется эта решетка;
невозможно измерять высокие температуры, поскольку при температурах более
200 °С наведенная брэгговская решетка показателя преломления начинает разрушаться;
относительно невысокая точность измерений (погрешность измерений составляет
±1 °С);
чувствительность к деформациям волокна;
использование прецизионных дорогостоящих оптических спектроанализаторов, поскольку температурная чувствительность брэгговской решетки составляет 13,7 пм/°С.
Известны устройства для измерения температуры на основе комбинационного рамановского рассеяния в волоконном световоде [3, 4]. Они состоят из импульсного перестраиваемого лазера, оптико-электрического модуля, оптического спектроанализатора (фильтр
Фабри-Перо, акустооптический фильтр и т.п.), процессора, памяти, отрезков одномодового и многомодового волокна.
Работа устройства основывается на модифицированной технике импульсной оптической рефлектометрии. С помощью лазера в волоконный световод вводится короткий световой импульс, который возбуждает в волокне комбинированное рамановское рассеяние
света, состоящее из стоксовой и антистоксовой компонент. Интенсивность стоксовой
компоненты практически не зависит от температуры, а интенсивность антистоксовой увеличивается с увеличением температуры. Эти компоненты разделяются спектроанализатором, их значения мощности регистрируются оптико-электрическим модулем. По
отношению мощностей стоксовой и антистоксовой спектральных составляющих процессор рассчитывает значение температуры в каждой точке оптоволокна как функцию времени и, соответственно, как функцию расстояния от входного торца световода.
Устройство имеет следующие недостатки:
наряду с комбинационным в оптическом волокне возбуждается рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, накладывающееся своими более высокими порядками на измеряемые
спектральные составляющие. Кроме того, полезный сигнал может маскироваться рэлеевским рассеянием;
малая величина коэффициента рамановского рассеяния, поэтому требуется применять
длительное накопление сигнала и использовать импульсы большой мощности, поскольку
порог возникновения явления составляет 500 мВт - 1 Вт;
2
BY 14790 C1 2011.10.30
погрешность измерений составляет 1-2 °С при максимальной длине волокна до 10 км.
Известен температурный датчик на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна [5].
Он состоит из источника излучения, оптических ответвителей, оптического преобразователя, источника сигнала радиочастоты, оптического усилителя, оптического изолятора,
контроллера поляризации, волоконного световода, фотоприемника, смесителя, генератора,
полосового фильтра, вычислительного устройства.
Устройство работает следующим образом. Сигнал полупроводникового лазера первым
оптическим ответвителем разделяется на две части. Одна часть попадает на один из входов третьего ответвителя, а вторая часть поступает на оптический преобразователь, работающий под управлением радиочастотного источника сигналов, и используется как
сдвигатель частоты излучения, который одновременно выполняет функцию амплитудного
модулятора излучения. После усиления полученных импульсов необходимой длительности оптическим усилителем до уровня, достаточного для возбуждения в волокне нелинейных эффектов, они через оптический изолятор, контроллер поляризации и второй
оптический разветвитель попадают в оптоволокно, являющееся чувствительным элементом. При рефлектометрическом способе измерений возникший в волокне сдвинутый по
частоте сигнал бриллюэновского рассеяния через второй ответвитель направляется на
второй вход третьего разветвителя. Сигналы, один из которых опорный, а другой - возникший в результате вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, попадают с
выходов третьего ответвителя на гетеродинный фотодетектор. Далее разностный сигнал
биений смесителем смешивается с частотой перестраиваемого генератора, разностный
сигнал фильтруется полосовым фильтром и поступает на вычислительное устройство. Если на участок волокна происходит локальное воздействие температуры, то на рефлектограмме будет наблюдаться провал, вызванный расстройкой гетеродина. В результате
можно определить величину теплового воздействия и локализовать его место. Устройство
имеет следующие недостатки:
наличие мощного оптического усилителя с коэффициентом усиления не менее 20 дБ;
относительно высокая погрешность измерений, не менее 1 °С;
длительное время измерения, которое может исчисляться минутами.
Наиболее близким к заявляемому устройству является волоконно-оптический датчик
температуры и деформации, описанный в [6], который принят в качестве прототипа.
Устройство-прототип состоит из лазерного излучателя, направляющего оптический
измерительный сигнал через оптические соединители; направленного ответвителя в измерительный преобразователь, выполненного в виде секций волоконно-оптического кабеля,
соединенных оптическими соединителями; формирователя импульсов, фотоприемника,
усилителя, компаратора, устройства выбора импульсов, линии задержки, микропроцессорного устройства управления и обработки.
Устройство-прототип работает следующим образом.
При включении питающих напряжений микропроцессорное устройство управления и
обработки на одном из своих выводов формирует импульс, направляемый на дополнительный вход формирователя импульсов. Формирователь импульсов формирует импульс
с крутыми фронтами заданной длительности и направляет его на управляющий вход лазерного излучателя. Лазерный излучатель преобразует электрический импульс в оптический и через последовательно установленные оптический соединитель, направленный
ответвитель, второй оптический соединитель посылает его в измерительный преобразователь. Измерительный преобразователь состоит из секций волоконно-оптического кабеля
длиной l, соединенных при помощи оптических соединителей. На выходе направленного
ответвителя установлен фотоприемник, принимающий излучение обратного рассеяния из
измерительного преобразователя. Сигнал фотоприемника усиливается при помощи усилителя и направляется на вход компаратора, порог срабатывания которого настроен на выделение импульсов, отраженных от мест стыка секций волоконно-оптического кабеля. На
3
BY 14790 C1 2011.10.30
выходе компаратора формируются цифровые сигналы с нормализованной амплитудой,
которые подаются на программируемое устройство выбора импульсов. Количество отраженных импульсов определяется количеством соединителей, соединяющих секции волоконно-оптического кабеля. Устройство выбора импульсов представляет собой двоичный
счетчик, в регистры данных которого предварительно устройством управления и обработки заносится некоторое число, соответствующее номеру требуемой измерительной секции. Выбранный импульс с выхода устройства выделения поступает на один из входов
микропроцессорного устройства управления и обработки и на вход программируемой линии задержки.
Период следования импульсов автоколебательного режима определяется путем
накопления генерируемых импульсов за фиксированный интервал времени, определяемый
встроенным в микропроцессорное устройством таймером. Микропроцессорное устройство управления и обработки при помощи устройства выбора последовательно производит
выбор импульсов, отраженных от всех соединителей измерительного преобразователя.
Первый импульс, отраженный от входного торца первой секции волоконно-оптического
кабеля, игнорируется. Последним выделяемым импульсом является импульс, отразившийся от выходного торца последней секции волоконно-оптического кабеля. Для каждой
реперной точки (реперные точки - это места расположения соединителей между секциями
измерительного преобразователя, последней реперной точкой является выходной торец
последней секции волоконно-оптического кабеля) за выбранный промежуток времени (на
это время настраивается таймер микропроцессорного устройства) происходит накопление
импульсов автоколебательного процесса. Количества накопленных импульсов запоминаются. Разница в числе накопленных импульсов для начала секции и конца секции характеризует задержку оптического сигнала в данной секции.
Однако устройство-прототип обладает следующими недостатками.
Согласно предлагаемой методике измерений, при изменении температуры выбранной
секции измерительного преобразователя на 5 °С относительно калиброванной температуры соответствующее изменение показателя преломления для длины одной секции 1 км,
максимальной длины измерительного преобразователя 5 км, времени накопления 30 с вызовет изменение времени задержки в секции 0,16 нс и позволит получить разницу в числе
накопленных импульсов для данной секции, равную 2 (относительно значения, полученного при калибровке). Таким образом, устройство обладает достаточно большой погрешностью измерений и низким быстродействием.
Поскольку в устройстве на каждой секции происходит амплитудное деление распространяющегося по волокну сигнала, это ограничивает максимальную длину волоконнооптического измерительного тракта, поскольку импульсы, отраженные от последних секций, будут иметь низкое отношение сигнал/шум.
Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего уменьшение погрешности измерений, увеличение быстродействия и протяженности волоконнооптического измерительного преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что в волоконно-оптический датчик температуры, содержащий лазерный излучатель, соединенный последовательно с формирователем
импульсов и блоком управления, обработки и отображения данных, а через направленный
ответвитель и первый оптический соединитель - с измерительным преобразователем, содержащим секции волоконно-оптического кабеля, фотоприемник, оптически соединенный
с компаратором, выход которого соединен со входом формирователя импульсов, второй
оптический соединитель, по предлагаемому техническому решению введены мультиплексор, входы которого соединены с лазерным излучателем, выполненным многомодовым в
виде линейки полупроводниковых инжекционных лазерных излучателей, а выход через
второй оптический соединитель - со входом направленного ответвителя; демультиплексор, вход которого подключен к одному из выходов направленного ответвителя, а выходы
4
BY 14790 C1 2011.10.30
соединены с фотоприемником, выполненным в виде линейки фотоприемников на лавинных фотодиодах; частотомер, соединенный через коммутатор с компаратором и с блоком
управления, отображения и обработки данных, при этом измерительный преобразователь
содержит дихроичные зеркала, разделяющие секции волоконно-оптического кабеля измерительного преобразователя, причем в конце последней секции установлено глухое зеркало. Сущность изобретения заключается в организации рециркуляции одиночных
оптических импульсов с периодической регенерацией одновременно на нескольких длинах волн.
На фиг. 1 изображена структурная схема рециркуляционного квазираспределенного
волоконно-оптического датчика температуры со спектральным разделением каналов. На
фиг. 2 представлена зависимость величины относительной долговременной нестабильности частоты рециркуляции от времени измерения. На фиг. 3 приведена динамика изменения относительной долговременной нестабильности частоты рециркуляции.
Устройство состоит из линейки полупроводниковых лазеров 1, излучающих на заданных длинах волн, мультиплексора 2, оптических соединителей 3, направленного ответвителя 4, измерительного преобразователя, выполненного в виде секций волоконнооптического кабеля 5, между которыми находятся дихроичные зеркала 6, в конце последней секции глухое зеркало 7, демультиплексора 8, линейки фотоприемников, в качестве
которых используются лавинные фотодиоды 9, компараторов 10, коммутатора 11, формирователя импульсов 12, частотомера 13, микропроцессорного блока управления, обработки и отображения данных 14.
Устройство работает следующим образом.
По сигналу с блока управления, обработки и отображения данных 14 формирователь
импульсов 12 генерирует стандартные по амплитуде, длительности и форме начальные
импульсы и запускает процесс циркуляции. Данные импульсы тока накачки после усиления поступают на входы инжекционных лазеров линейки излучателей 1. Для уменьшения
задержки между импульсом тока накачки и излучением инжекционного лазера 1 последние смещаются в предпороговую область постоянной составляющей тока накачки. Импульсы оптического излучения на разных длинах волн от инжекционных лазеров 1
объединяются в один световод мультиплексором 2 и через соединители 3 и направленный
ответвитель 4 вводятся в волоконный световод 5, разделенный на секции дихроичными
зеркалами 6. Дихроичные зеркала 6 настроены таким образом, что отражают излучение на
определенной длине волны и пропускают все остальные, при этом излучение на последней длине волны просто отражается от глухого зеркала 7. Отраженное излучение после
некоторой задержки τ0, определяемой оптической длиной оптоволоконной секции, с помощью направленного ответвителя 4 направляется на демультиплексор 8, который пространственно разделяет спектральные каналы, а затем поступает на линейку
фотоприемников 9. Сигнал с фотоприемников 9 поступает на компараторы 10, на выходе
которых в момент пересечения сигналом порогового уровня формируются импульсы,
управляющие блоком регенерации 12, который снова формирует стандартные по амплитуде, длительности и форме импульсы. Таким образом, цикл рециркуляции замыкается.
Рециркулирующий импульс от каждой волоконно-оптической секции по сигналу с блока
управления, обработки и отображения данных 14 выбирается коммутатором 11 и регистрируется частотомером 13. Полученная после фиксированного времени измерения
усредненная частота рециркуляции с частотомера 13 передается в блок управления, обработки и отображения данных 14, где по заданному алгоритму производится преобразование частоты рециркуляции в измеряемую температуру.
Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика представляет собой отрезки
кварцевых многомодовых волоконных световодов (ВС). Принцип измерения основан на
том, что воздействие температуры приводит к изменению оптической длины волокна за
счет изменения геометрической длины и показателя преломления волоконного световода.
5
BY 14790 C1 2011.10.30
Это служит причиной изменения времени распространения оптического импульса по волоконному световоду, т.е. изменяется частота рециркуляции. Данное изменение регистрируется достаточно просто и с высокой точностью. На каждом цикле рециркуляции
осуществляется так называемая 2R-регенерация (re-amplification + re-shaping), т.е. происходит восстановление информационного импульса по форме, амплитуде и длительности,
что позволяет поддерживать процесс рециркуляции неограниченно долго. Информационным параметром является временное положение циркулирующего импульса.
Поскольку для предлагаемой измерительной системы не требуется информация о фазе
и поляризации оптической волны, в предлагаемой схеме используются многомодовые инжекционный лазер и волоконный световод. За счет увеличения диаметра волокна значительно упростилась стыковка между оптическими элементами и повысилась надежность
при эксплуатации. Применение многомодового инжекционного лазера позволяет уменьшить уровень шумов, связанный с источником излучения, поскольку в силу малой когерентности многомодовый лазер обладает пониженной чувствительностью к шумам,
возникающим из-за попадания отраженного излучения в активную область лазера.
Анализ современного состояния технологий показал, что коммерчески доступные дихроичные зеркала при нормальном падении обладают отражением на следующих практически важных длинах волн: λ1 = 650 ± 50 нм, λ2 = 800 ± 40 нм, λ3 = 1064 ± 60 нм,
λ4 = 1300 ± 100 нм, λ5 = 1565 ± 50 нм. Коэффициент отражения при этом составляет 9399 %, коэффициент пропускания - 85-90 %. Таким образом, в устройстве используются 6
длин волн (излучение на длине волны λ6 = 1630 нм проходит через все дихроичные зеркала и отражается от глухого зеркала), при этом длина волны излучения каждого лазера соответствует спектральной полосе отражения определенного дихроичного зеркала.
Использование дихроичных зеркал имеет следующие преимущества:
поскольку излучение в дихроичных зеркалах практически не поглощается, они могут
работать при больших плотностях световой энергии;
возможность работать при достаточно высоких температурах окружающей среды (до
500 °С);
из-за того, что дихроичные зеркала имеют широкую спектральную полосу отражения,
нет необходимости использовать специальные меры по стабилизации спектральных характеристик полупроводниковых лазеров.
Спектральные диапазоны λ1-λ2 перекрываются AlGaAs/GaAs полупроводниковыми
инжекционными лазерами (ИЛ) и Si лавинными фотодиодами (ЛФД), а в диапазонах λ3-λ6
работают InGaAsP/InP-ИЛ и InGaAsP-ЛФД. Использование преимущества применения
фотодиодов с внутренним усилением обеспечивает устойчивую работу компаратора без
применения усилительных каскадов. Многомодовые градиентные волокна типа
Corning 50/125CPC6 и Fujikura G50/125 имеют потери 2,5 дБ/км для λ = 850 нм, 0,8 дБ/км
для λ = 1300 нм, 0,29 дБ/км для λ = 1550 нм, следовательно, более удаленные от приемопередающей части устройства волоконно-оптические секции должны соответствовать более длинноволновому излучению.
Величина относительной долговременной нестабильности частоты рециркуляции
(ОДН) является одним из основных факторов, определяющих метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков (ВОД) рециркуляционного типа. Результирующее значение ОДН является результатом наложения целого ряда как связанных между
собой, так и не связанных фундаментальных (обусловленных физическими принципами
функционирования оптоэлектронных элементов) и технических (нестабильность питающих напряжений, температуры окружающей среды и т.п.) источников флуктуации. Одним
из традиционных способов повышения метрологических характеристик измерительных
устройств является увеличение времени измерений. В теории вероятности показано [7],
что погрешность измерения случайной величины линейно уменьшается при увеличении
6
BY 14790 C1 2011.10.30
времени измерения пропорционально N , где N = tи/tи0. Это проиллюстрировано зависимостью 1 на фиг. 2 при tи0 = 10-3 с. Кривая 2 на фиг. 2 представляет собой экспериментальную зависимость относительной долговременной нестабильности χ от времени
измерения tи. Из анализа графиков на фиг. 2 следует, что нарастающее отклонение величины χ от линейного закона при увеличении времени измерения свидетельствует о том,
что ВОД рециркуляционного типа обладают свойством накапливать флуктуации в процессе циркуляции. Следовательно, оптимальным временем измерения в подобных ВОД
является величина, равная 1 с, что существенно меньше, чем у прототипа. На фиг. 3 представлена динамика изменения величины ОДН при времени измерения tи = 1 с для длины
волоконно-оптической секции L = 25 м (обозначены крестиками 1) и L = 100 м (обозначены точками 2).
Рост температуры световода ∆θ приводит к увеличению его геометрической длины L
(продольная деформация), изменению показателя преломления n и, соответственно, к изменению частоты рециркуляции. Одновременно с продольной деформацией ВС происходит изменение его диаметра (уменьшение при растяжении и увеличение при сжатии), т.е.
возникает поперечная деформация. Этим объясняется эффект фотоупругости, который
также приводит к изменению показателя преломления. В итоге появляется дополнительная задержка ∆T во времени распространения сигнала. В общем случае зависимость изменения задержки распространения оптического сигнала по BC при изменениях
температуры может быть представлена следующим образом [8]:
∆T =

Lθn  n 2
1 ∂n 
1 − [p12 − µ(p11 + p12 )]α +
 ∆θ ,
c 
2
n ∂θ 

(1)
где p11 = 0,121 и p12 = 0,27 - коэффициенты Поккельса;
µ = 0,164 - отношение Пуассона;
∂n/∂θ = 1,2⋅10-5/°С - температурный коэффициент изменения показателя преломления
BC (например, марки SMF-28 компании Corning);
n и Lθ - показатель преломления и длина подвергающегося температурному воздействию отрезка BC, при этом если импульс излучения распространяется в прямом и обратном направлении, то величина Lθ увеличивается в два раза;
α - температурный коэффициент линейного расширения BC.
В датчиках температуры, как правило, используются волоконные световоды с металлическим покрытием. Это, во-первых, повышает чувствительность датчика, во-вторых,
металлическое покрытие толщиной 15-20 мкм обеспечивает практически полную нечувствительность датчика к давлению [9]. В этом случае результирующий коэффициент линейного теплового расширения рассчитывается как:
α = ∑ Si E i αi / ∑ Si E i , i = 1, 2, 3,
i
i
(2)
где Si - площадь сечения;
Ei - модуль Юнга;
индекс 1 относится к сердцевине, 2 - к оболочке, 3 - к покрытию волокна.
Для многомодового световода диаметр сердцевины D1 = 50 мкм, диаметр оболочки
D2 = 125 мкм, толщина алюминиевого покрытия h3 = 15 мкм. Следовательно:
S1 = πD12 / 4; ,
(3)
S2 = π(D1 + h2)h2;
S3 = π(D2 + h3)h3.
-7
В формуле (2) физические величины имеют следующие значения: α1 = 9⋅10 /°С,
α2 = 5,5⋅10-7/°С, α3 = 2,3⋅10-5/°С, E1 = 73 ГПа, E2 = 62 ГПа, E3 = 71 ГПа.
Погрешность измерений ВОД рециркуляционного типа определяется условием, что
дополнительное приращение (уменьшение) времени задержки циркулирующего импульса
7
BY 14790 C1 2011.10.30
под воздействием температуры должно превышать максимальную величину нестабильности частоты рециркуляции χmax, обусловленную не связанными с измеряемой температурой внешними и внутренними дестабилизирующими факторами. Выражение для оценки
погрешности волоконно-оптического датчика температуры в широком температурном
диапазоне имеет вид:
 L − Lθ0 n 0 
χ max

∆θmin =
+ 1 ,
θ

n
 n2

(4)
L

1 − [p12 − ν(p11 + p12 )]α + 1 ∂n 


2
n ∂θ




1 ∂n
( θ − θ0 )  ,
Lθ = Lθ0 [1 + α(θ − θ0 )] , n = n 0 1 +
 n 0 ∂θ

где n0 и Lθ0 фиксируются при температуре калибровки θ0.
Оценки показывают, что согласно (2)-(4) при L > 100 м, χmax < 3⋅10-6 (фиг. 3) при условии, что температурному воздействию подвергается до 90 % волоконной секции, погрешность измерений не превышает 0,2 °С, что на порядок лучше, чем у прототипа.
Наряду с информационными импульсами в системе могут возникать паразитные сигналы, связанные с шумовыми процессами. Для того чтобы не было ложного срабатывания
и датчик устойчиво работал, минимальный уровень сигнала на входе компаратора должен
быть не менее 4 мВ. При этом порог срабатывания компаратора соответствует половине
амплитуды входного сигнала, что обеспечивает наибольшую стабильность частоты рециркуляции. Оценки показывают, что для λ = 1550-1620 мкм при мощности излучения
InGaAsP/InP инжекционного лазера 5 мВт (типа NEC NX8562), спектральной чувствительности InGaAs-ЛФД 8,8-9,4 А/Вт для полосы 1 ГГц (типа NEC NR4210 и EG&G Optoelectronics C30645E), величине нагрузочного сопротивления фотоприемника Rн = 50 Ом,
потерях в волокне 0,3 дБ/км, потерях на каждом дихроичном зеркале 1,6 дБ (при прохождении излучения в двух направлениях) и суммарных потерях на мультиплексоре, демультиплексоре, направленном ответвителе и всех соединениях 9 дБ максимальная длина
измерительного преобразователя составляет 15 км, что в 3 раза больше, чем у прототипа.
При этом уровень составляющих излучения, связанных с рэлеевским рассеянием, спонтанным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна и комбинационным рамановским рассеянием, согласно [6], существенно меньше информационных сигналов.
Мультиплексор 2 представляет собой сварной биконический 6 × 1 многомодовый ответвитель с избыточными потерями 1-2 дБ (изготовитель фирма AFO), направленный ответвитель 4 представляет собой трехпортовый ответвитель, который позволяет передавать
мощность излучения в одном направлении от порта А до порта В, тогда как излучение тех
же длин волн принимается с другого направления и передается с порта В на порт С. В таких ответвителях потерь распределения мощности не происходит, а имеют место только
избыточные потери, которые, как правило, не превышают 3 дБ. В качестве демультиплексора 8 могут использоваться те же дихроические зеркала, работающие при углах падения
излучения до 45°. Это позволяет разделять информационные каналы не только по спектру,
но и пространственно. Соединители 3 типа Fibrlok (фирмы 3М) или Corelink (одноименной фирмы) с использованием шарнирных центрирующих элементов и V-образных
направляющих имеют типовое значение потерь 0,2-0,5 дБ для многомодовых волокон.
Измерения частоты рециркуляции осуществляются с помощью частотомера электронносчетного Ч3-83/3 с цифровым выходом и интерфейсом LPT, RS-232C. В качестве коммутатора используется мультиплексор цифровых сигналов 6 × 1, у которого на выход будет
передаваться сигнал только с одного входа, номер которого совпадает с числом, соответ-
8
BY 14790 C1 2011.10.30
ствующим кодовой комбинации на его трех управляющих входах. Следует отметить, что
на выходе компараторов находятся устройства преобразования уровня типа К1500ПУ125.
Блок управления 14 через формирователь импульсов 12 может управлять числом рециркуляционных информационных каналов, запуская либо все из них, либо только те, которые соответствуют необходимым волоконным секциям. Перед началом измерений
датчик калибруется, для каждой волоконно-оптической секции определяется средняя частота рециркуляции f 0i и максимальное значение относительной долговременной нестабильности χimax . Для проведения измерений с помощью i секции, при обработке
результатов необходимо учитывать частоту рециркуляции, обусловленную предыдущими
i-1 секциями, чтобы избежать погрешности измерений, которые может внести влияние
температуры на i-1 секции.
Пространственная разрешающая способность датчика определяется длиной волоконно-оптической секции.
Источники информации:
1. Патент KR 100641408B, МПК G 01K 11/32; G 01K 11/00, 2006.
2. Патент DE 602216811, МПК H 04B 10/08; G 01D 5/353; G 01K 11/32; H 04B 10/08;
G 01D 5/26; G 01K 11/00, 2008.
3. Патент GB 2426331, МПК G 01K 11/12; G 01K 11/32; G 01D 5/353; G 01J 5/08, 2006.
4. Патент DE 102006008735, МПК G 01K 11/32; G 01K 11/00, 2007.
5. Патент US 2006018586, МПК G 02B 6/00; G 01B 11/16; G 01D 5/353; G 01K 11/32;
G 01M 11/08, 2006.
6. Патент RU 2248540 C1, МПК G 01K 11/32, G 01L 1/24, G 01D 5/353, 2005.
7. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем: Пер. с
англ. - М.: Мир, 1989. - 376 с.
8. Wade C.A., Kersey A.D., Dandridge A.D. Temperature sensor based on a fibreoptic differential delay RF filter // Electronics Letters. - 1988 - Vol. 24. - No. 21. - P. 1305-1307.
9. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
9
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
248 Кб
Теги
by14790, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа