Оптико-электронные измерительные системы на основе квазираспределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Пнев, Александр Борисович

• Пнев, Александр Борисович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пнев, Александр Борисович

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

Введение.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ.

1.1. Анализ волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Манделыдтама-Бриллюэна.

1.1.1. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

1.1.2. Анализ метода бриллюэновской рефлектометрии.

1.1.3. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта бриллюэновского усиления/ослабления во временной области.

1.1.4. Взаимосвязь метрологических характеристик распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

1.2. Исследование возможности создания квази-распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе брэгговских решеток.

1.2.1. Влияние деформаций и температуры волоконного световода на спектр отражения брэгговской решетки.

1.2.2. Параметрический анализ зависимости коэффициентов отражения и пропускания брэгговских решеток.

1.2.3. Методы изготовления волоконно-оптических брэгговских решеток.

1.2.4. Анализ срока службы и надежности брэгговских решеток.

1.2.5. Квази-распределенные волоконно-оптические оптикоэлектронные измерительные системы деформации на базе волоконнооптических брэгговских решеток.

1.3. Сравнительный анализ распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на эффекте рассеяния Манделыитама-Бриллюэна и резонансного отражения от волоконнооптических брэгговских решеток.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ, ФОРМИРУЕМЫХВ О Л ОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ БРЭГГОВСКИМИ ДАТЧИКАМИ.

2.1. Характеристики информационного сигнала, формируемого волоконно-оптическим брэгговским датчиком.

2.2. Методики регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками, на основе спектрального мультиплексирования. 582.2.1. Методика регистрации информационных сигналов с использованием перестраиваемых по частоте источников излучения.

2.2.2. Разработка методик регистрации информационных сигналов с применением широкополосных источников излучения.

2.2.2.1. Разработка методики регистрации сигналов с применением широкополосного источника излучения и монохроматора.

2.2.2.1.1. Разработка методики регистрации информационных сигналов с помощью полихроматора.

2.2.2.1.2. Методика регистрации информационных сигналов с помощью монохроматора с одноплощадочным фотоприемным устройством.

2.2.2.3. Методика регистрации информационных сигналов с применением интерферометра Фабри-Перо.

2.3. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе временного мультиплексирования.

2.4. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе пространственно-временного мультиплексирования.

2.5. Обоснование технического пути построения макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.

2.6. Разработка алгоритмической модели квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы.

2.6.1. Орграфовая модель модели квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы.

2.6.2. Алгоритмическая модель поведения квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы.

ГЛАВА 3. ИСС ЛЕДОВ АНИЕ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА КВАЗИ-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ.

3.1. Стенды для исследования характеристик информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками.

3.1.1. Стенд для исследования спектральных характеристик сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками.

3.1.2. Стенд для исследования групповой задержки.

3.2. Разработка макетного образца квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы.

3.2.1 Разработка и исследование блока с реперными точками по шкале длин волн.

3.2.2 Разработка алгоритма для обработки сигналов, формируемых квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системой.

3.3. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.

3.3.1. Разработка алгоритма для определения оптимальных характеристик макетного образца оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.

3.3.2. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей.

3.4. Экспериментальные измерения деформации объектов с помощью макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.

3.5. Разработка метрологического обеспечения для макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронные измерительные системы на основе квазираспределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков»

Малые массы и размеры, стоимость, высокие прочность и гибкость волоконных световодов открывают широкие перспективы их использования в качестве чувствительных элементов в информационно-измерительных сетях для реконструкции распределения физических величин в пространстве. Одной из наиболее востребованной задачей является исследования полей деформации (механических напряжений), так как своевременное обнаружение критических деформаций, во многом позволит предотвратить возникновение аварийных ситуаций или катастроф. Поля деформации особенно важно измерять на так называемых инфраструктурных объектах (объектах, от которых зависит жизнедеятельность значительного количества людей, а также эффективное функционирование различных областей промышленности).

Наблюдение за состоянием таких больших объектов, особенно с применением методов инструментального контроля, представляет собой непростую задачу, так как контроль должен быть непрерывным и максимально достоверным.

Создание информационно-измерительных систем (ИИС) для этих задач до недавнего времени было чрезмерно дорогостоящим решением в том числе и в смысле затрат на обслуживание и эксплуатацию таких систем. Дело в том, что традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют подачи электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии для подачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации датчиков достаточно жестко ограничены по параметрам окружающей среды, по воздействию агрессивных сред, высоковольтного напряжения и электромагнитных помех.

Появление распределенных и квази-распределенных волоконно-оптических измерительных преобразователей коренным образом изменило эту ситуацию и сделало возможным создание ИИС для мониторинга инфраструктурных объектов с приемлемыми для практики характеристиками. Этот вид датчиков не требует электропитания, чувствительная зона преобразователя по существу совмещена с волоконно-оптическими линиями передачи измерительной информации. Степень воздействия условий внешней среды, электромагнитных помех, высоковольтного напряжения, агрессивных сред на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, использующие электрическое преобразование измерительной информации.

Кроме того, волоконно-оптические датчики, значительно меньшую погрешность измерения деформации, а также более высокую чувствительность.

Именно по этим причинам, разработка оптико-электронных измерительных систем (ОЭИзмС) на основе распределенных и квази-распределенных волоконно-оптических датчиков, является важной и актуальной задачей

Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка оптико-электронной измерительной системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, предназначенной для мониторинга деформации элементов конструкций инфраструктурных объектов.

Достижение поставленной цели потребует решения в диссертации следующих основных научно-исследовательских задач:

- детального анализа возможных методов регистрации сигнала с квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических датчиков;

- обоснование принципов и технических путей построения ОЭИзмС на основе волоконно-оптических брэгговских датчиках;

-разработка методик регистрации сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговским преобразователями; -разработки функциональной схемы квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы, и анализа источников погрешности;

- разработки макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы и анализа ее метрологических характеристик;

- разработки системы метрологического обеспечения для квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы;

Bf соответствии с вышеизложенными задачами диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Пнев, Александр Борисович

9. Результаты работы докладывались на четырех конференциях и опубликованы в пяти публикациях.

10. Основным итогом выполнения диссертационной работы явилось решение важной научно-технической задачи разработки методики проектирования и создание макета квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы контроля деформаций, который по своим метрологическим и эксплуатационным характеристикам позволит существенно повысить качество контроля деформаций объектов различного назначения и надежность их эксплуатации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пнев, Александр Борисович, 2008 год

1. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети.- Владивосток: Дальнаука,1999.- 283 с.

2. Shlyagin М., Miridonov S., Tentori D. Interferometric quasi distributed fiber optic sensor using'point-like polarization couplers//SPIE.- 1996.-V.2838.-P. 217-227

3. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика.- М.: Мир, 1996.-323 с.

4. Ярив А. Квантовая электроника и нелинейная оптика.- М.: Советское радио, 1980.-488 с.

5. Davis М.А., Kersey A.D. Simultaneous measurement of temperature and strain using fiber Bragg grating and Brillouin scattering // SPIE.- 1996.-V.2838.-P. 114-123

6. Kurasima Т., Distributed temperature sensing stimulated Brillouin scattering in optical silica fibers // Optics Letters.-1990.-V.15, №5.- P. 352-354

7. Heron N.A., Bao X. Brillouin loss based distributed temperature sensor using a single source // SPIE.- 1996.- V. 2838.- P. 100-103

8. Horiguchi T. A technique to measure distributed strain in optical fibers // IEEE Photonics Technology Letters.- 1990.- V.28.- P. 110-115

9. Bao X. 22-km distributed sensor using Brillouin gain in optical fiber//Optics Letters.- 1993,-V. 18, №7.-P. 552-554

10. Culverhouse D., Farahi F., Potential of stimulated Brillouin scattering as sensing mechanism for distributed sensor // Electronics Letters.- 1989.- V.25, №14.-P. 915-916

11. Naruse H. Trade-off between the spatial and the frequency resolutions in measuring the power spectrum of the Brillouin backscattered light in an optical fiber // Applied Optics.-1999.- V.38.- P. 652-659

12. Hill K.O., Fuji Y., Johnson D.C. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication // Applied Physics Letters.-1978.- V.32.-P. 4371-4373

13. Kersey A.D. A review of recent developments in fiber optic sensor technology// Optical fiber technology.- 1996.- V.2, №3.- P. 291-317.

14. Othonos A., Kalli K. Fiber Bragg gratings: fundamentals and applications in telecommunications and sensing.-London:Artech House Inc., 1999.- 422 p.

15. Meltz G., Morey W. Bragg grating formation and germanosilicate fiber photosensitivity // International Workshop on Produced Self-Organization Effect in Optical Fiber, Quebec City: Proceedings SPIE.- 1991.-V.1516.-P. 185199

16. Снайдер А., Лав Д. Теория оптических волноводов: Пер. с англ.- М. Радио и связь 1987.- 655 с.

17. Маркузе Д. Оптические волноводы: Пер. с англ.- М.: Мир, 1974.- 578 с.

18. Erdogan Т. Fiber grating spectra // IEEE Journal of Lightwave Technology, 1997.- V.15.-P. 1277-1294

19. Kogelnik H. Theory of optical waveguides in Guided Wave OptoElectronics.- New York:Springer-Verlag, 1990.- 425 p.

20. Skaar J. Synthesis and characterization of fiber Bragg gratings // IEEE Journal of Lightwave Technology.- 2003.- V.38. P. 1218-1351

21. Poladian L.- Graphical analysis of nonuniform Bragg gratings // Physical Reviews E.- 1993.- V. 48.- P.4758-4767

22. Волоконные решетки показателя преломления и их применение / С.А. Васильев, Е.М. Дианов, О.И. Медведков и др. //Квантовая электроника. -2005.- т. 35.- с. 1085-1103

23. Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения / С.А. Васильев, Е.М. Дианов, О.И. Медведков и др. // Фотон-Экспресс.- 2004.- № 6, Спецвыпуск- Наука.- С. 163-183.

24. Dockney M.L., James J.W., Tatam R.P. Fiber Bragg grating fabricated using a wavelength tunable source and a phase-mask based interferometer // Measurements Science and Technology.- 1996.- V. 7.- P. 445

25. Erdogan T. Decay of ultraviolet-induced fiber Bragg Gratings // Journal of Applied Physics.- 1997.- V. 25.- P. 1178-1183

26. Kannan S., Guo J.Z., Lemaire P.J. Thermal stability analysis of UV-induced fiber Bragg gratings//IEEE Journal of Lightwave Technology.- 1997.- V. 15.-P. 1478-1483

27. Dong L., Liu W. Thermal decay of fiber Bragg gratings of positive and negative index changes formed at 193 nm in a boron-co-doped germanosilicate fiber // Applied Optics.- 1997.- V. 36.- P. 8222-8226

28. Olshansky R., and Maurer D.R. Tensile strength and fatigue of optical fibers // Journal of Applied Physics.- 1976.- V.47.- P. 4497-4499

29. Mitsunaga Y., Katsuyama Y., Ishida Y., Relliability assurance for long length optical fiber based on proof testing // Electronics Letters.- 198L- V. 17.-P.567-568

30. FecedR. Mechanical strength degradation of UV-exposed optical fibers // Ellectronics Letters.- 1997.- V. 33.- P. 4497-4499

31. Varelas D.K., Limberger H.G., Salathe R.P. Enhanced mechanical performance of single mode optical fibers irradiated by a CW UV laser //Electronics Letters.- 1997.- V. 33.- P. 704-705

32. Valeras D.K. UV-induced mechanical degradation of optical fibers //Electronics Letters.- 1997.- V. 33.- P. 804-806

33. Valeras D. K. Fabrication of high-mechanical-resistance Bragg gratings in single-mode optical fibers with continuous-wave ultraviolet laser side exposure // Optics Letters.- 1998.- V. 23.- P. 397-399

34. Erdogan Т. Fiber grating spectra 11 IEEE Journal of Lightwave Technology, 1997.-V. 15.-P. 1277-1294

35. Wang D. Polarization mode dispersion in fiber Bragg gratings // Optics Express.-2001.- V. 12.- P. 5741-5749

36. Meltz G., Morey W. Bragg grating formation and germanosilicate fiber photosensitivity // International Workshop on Photoinduced Self-Organization Effects in Optical Fiber, Quebec, Proceedings SPIE.- 1991.- V. 1516.- P. 185199

37. Шереметьев А.Г. Когерентная волоконно-оптическая связь.- М.: Радио и связь, 1991.- 192 с.

38. Спецификация на лазерТЬВ-6600 Электронный ресурс.: Newfocus Inc. Режим доступа: http://www.newfocus.com/products/index.cfm?navid=3&the View=modelGroupDetail&productLineId= 1 &productGroupId=214&modelGrou pld=1276. — Загл. с экрана. —Яз., англ.

39. Kersey A.D., Berkoff Т.А., Morey W.W. High-resolution fiber bragg grating based strain sensor with interferometric wavelength-shift detection // Electronics Letters.- 1992.- V. 28.- P. 236-238

40. Bhushan В., Wyant J., Koliopoulos L. Measurement of surface topography of magnetic tapes by Mirau interferometry // Applied Optics.- 1997.- V. 36.-P. 1489-1497

41. Рудницкий В.Б., Сумкин B.P., Шеховцева B.A. Нижний предел измерения средней мощности оптического излучения инфракрасного диапазона // Фотон-экспресс.- 2005 №6, Спецвыпуск- Наука,- С. 109-112

42. Ezbiri A.T,.Kanellopulus S.E, Handerek V.A. High resolution instrumentation system for demodulating of Bragg grating aerospace sensors // Proceedings of the Optical Fiber Sensors Conference (OFS-12).-Williamsburg (VA,USA), 1997.-P. 448-451

43. Shidlovsky V. Short overview of device operation principles and performance parameters Электронный ресурс.: Superluminescent Diodes Ltd.175

44. Режим доступа: http://www.superlumdiodesxom/p^i7sldoverview.pdf— Загл. с экрана. —Яз. англ.

45. Atkins C.G., Putnam М.А., Freibele Е.J. Instrumentation for interrogating many element fiber Bragg grating arrays embedded in fiber and resin composites//SPIE. Smart Sensing Processing and Instrumentation.- 1995.-V. 2444.- P. 257-266

46. Васильев B.H., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам.- СПб.:БХВ, 1998.237 с.

47. Ledger А. М., Monolithic interferometric angle sensor // Applied Optics.-1975.- V. 14.-P. 3095-3098

48. Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин M.C. Перестраиваемые лазеры.-М.: Радио и связь, 1982.-332 с.

49. Staut R Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications.- New York: APC International Ltd.,2002.-124 p.

50. Информационно-измерительные системы на основе волоконно-оптических датчиков для мониторинга состояния инфраструктурных объектов / А.Б. Пнёв, С.В. Тихомиров, Н.П. Хатырев и др. // Фотон-экспресс.- 2006.- т. 5.- с. 14-21

51. Fiber Fabiy-Perot Tunable Filter FFP- TF. Datasheet Электронный ресурс.: Micron Optics Inc. Режим доступа: http://www.micronoptics.com /pdfs/FFP-TFSA.pdf Загл. с экрана.—Яз. англ.

52. Sarah L., Gilbert W., Swann С., Standard Reference Materials: Hydrogenл

53. Cyanide H CN Absorption Reference for 1530-1560nm Wavelength Calibration- SRM2519.- Boulder (CO, USA): NIST special publication, 2001.138 p.

54. Ultra-Low-Noise Current Amplifier LCA-400K-1OM. Datasheet Электронный ресурс.: FEMTO Messtechnik GmbH. Режим доступа: http://www.femto.de/datasheet/DE-OE-200-INl13.pdf Загл. с экрана. Яз. англ.