RU191082U1 - Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings - Google Patents

Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings Download PDF

Info

Publication number
RU191082U1
RU191082U1 RU2018144670U RU2018144670U RU191082U1 RU 191082 U1 RU191082 U1 RU 191082U1 RU 2018144670 U RU2018144670 U RU 2018144670U RU 2018144670 U RU2018144670 U RU 2018144670U RU 191082 U1 RU191082 U1 RU 191082U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
fbg
wavelength
output
fiber
Prior art date
Application number
RU2018144670U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Алексеевич Оглезнев
Иван Сергеевич Шелемба
Виктор Александрович Симонов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Инверсия-Сенсор" (ООО "Инверсия-С")
Priority to RU2018144670U priority Critical patent/RU191082U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU191082U1 publication Critical patent/RU191082U1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35329—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using interferometer with two arms in transmission, e.g. Mach-Zender interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения спектральных характеристик и показаний с волоконно-оптических датчиков, в частности, в тепловой и ядерной энергетике, в химической и нефтегазовой, а также в критических узлах других отраслей промышленности. Анализатор сигналов включает перестраиваемый источник оптического излучения, ответвитель, средства передачи света, датчик на основе 8 линий волоконных брегговских решеток (ВБР), интерферометр, репер длины волны и процессор. Брэгговские длины волн ВБР каждой линии различаются на постоянную величину, т.е. λ-λ=const. Средства передачи света обеспечивают направление света от источника излучения к ВБР датчикам, а отраженное от ВБР-датчиков излучение на интерферометр, подключенный через фотоприемники к процессору, который управляет процессами перестройки источника, переключением оптических переключателей в составе средств передачи света и обрабатывает сигналы с фотоприемников, сопоставляя их с калибровочными данными репера длины волны выдает значение текущей длины волны отражения каждого из ВБР-датчиков в линии (линиях). Технический результат - повышение точности определения относительного смещения спектра отражения брэгговской решетки, возможность определения абсолютной длины волны отражения ВБР, а также нечувствительность к спектральным потерям в линии и приемной части. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure spectral characteristics and readings from fiber-optic sensors, in particular, in the thermal and nuclear energy, in the chemical and oil and gas, as well as in critical nodes of other industries. The signal analyzer includes a tunable optical radiation source, coupler, light transmission means, a sensor based on 8 lines of fiber Bragg gratings (FBG), an interferometer, a wavelength reference and a processor. The Bragg wavelengths of the FBG of each line differ by a constant value, i.e. λ-λ = const. The light transmission means provide the direction of light from the radiation source to the FBG sensors, and the radiation reflected from the FBG sensors to the interferometer connected to the processor through photodetectors, which controls the process of source tuning, switching optical switches as part of the light transmission means and processes the signals from the photodetectors, comparing them with the calibration data of the wavelength benchmark gives the value of the current reflection wavelength of each of the FBG sensors in the line (s). The technical result is an increase in the accuracy of determining the relative shift of the reflection spectrum of the Bragg grating, the ability to determine the absolute reflection wavelength of the FBG, and also insensitivity to spectral losses in the line and in the receiving part. 4 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к области измерительной техники, и может быть использована для измерения спектральных характеристик и показаний с волоконно-оптических датчиков, в частности, в тепловой и ядерной энергетике, в химической и нефтегазовой, а также, в критических узлах других отраслей промышленности.The utility model relates to the field of measurement technology, and can be used to measure spectral characteristics and readings from fiber-optic sensors, in particular, in the thermal and nuclear energy, in the chemical and oil and gas, as well as in critical nodes of other industries.

Уровень техникиState of the art

Для измерения длины волны отраженного или проходящего оптического сигнала через волоконно-оптические датчики (ВОД), например, на основе волоконных брэгговских решеток, применяются специальные устройства - анализаторы сигналов волоконно-оптических датчиков (АСВОД или interrogator в англоязычной литературе) [1]. (Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists / edited by Eric Udd, William B. Spillman, Jr. - - 2nd ed. P. cm. ISBN 978-0-470-12684-4 (hardback)) Существующие анализаторы сигналов, несмотря на их высокое техническое совершенство, имеют ряд существенных недостатков: большое энергопотребление, низкие частоты сканирования (до 1 кГц) массива датчиков, большие габариты (типовые размеры: 15×13×30 см3) и массу (от 2 до 5 кг), чувствительность к вибрации и другим типам воздействующих факторов Эти факторы ограничивают применение систем мониторинга на основе АСВОД и волоконно-оптических систем.To measure the wavelength of a reflected or transmitted optical signal through fiber-optic sensors (VOD), for example, based on fiber Bragg gratings, special devices are used - signal analyzers of fiber-optic sensors (ASVOD or interrogator in the English literature) [1]. (Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists / edited by Eric Udd, William B. Spillman, Jr. - - 2 nd ed. P. cm. ISBN 978-0-470-12684-4 (hardback)) Existing analyzers signals, despite their high technical perfection, have a number of significant drawbacks: high power consumption, low scanning frequencies (up to 1 kHz) of the sensor array, large dimensions (typical sizes: 15 × 13 × 30 cm 3 ) and weight (from 2 to 5 kg ), sensitivity to vibration and other types of influencing factors. These factors limit the use of monitoring systems based on the automatic transmission and control system and fiber-optic systems.

Известно техническое решение «Оптическое установка классифицирующая для анализа оптических сигналов и оптических сенсорных систем» [заявка ЕР 2629753, опубл. 31.07.2013], в устройстве которого используется блок демодуляции, включающий фильтрующее устройство для передачи каждого отдельного из выходных сигналов в уникальный сигнальный канал путем передачи в каждый сигнальный канал выходного сигнала модулированного соответствующим модулирующим сигналом, привязанным к указанному сигнальному каналу.Known technical solution "Optical installation classifying for the analysis of optical signals and optical sensor systems" [application EP 2629753, publ. 07/31/2013], the device of which uses a demodulation unit, including a filtering device for transmitting each individual output signal to a unique signal channel by transmitting to each signal channel an output signal modulated by a corresponding modulating signal associated with the specified signal channel.

Недостатком данного решения является ограниченность числа входных сигналов и зависимость результатов от спектральных потерь в оптическом канале.The disadvantage of this solution is the limited number of input signals and the dependence of the results on spectral losses in the optical channel.

В техническом решении «Метод опроса датчиков на основе волоконных брэгговских решеток» [патент US 7512291, опубл. 06.12.2007 US 7512291 В2, 31.03.2009], в устройстве которого предлагается использовать интегрально оптический микрочип и устройство преобразования сигнала, микрочип представляет собой блок демодуляции на основе спектрально-селективного делителя с разрешением 5 пм.In the technical solution "Method of polling sensors based on fiber Bragg gratings" [patent US 7512291, publ. December 6, 2007 US 7512291 B2, March 31, 2009], in the device of which it is proposed to use an integrated optical microchip and a signal conversion device, the microchip is a demodulation unit based on a spectrally selective divider with a resolution of 5 pm.

Недостатком данного метода является зависимость ошибки измерения от спектральных потерь в передающем канале и ограниченность количества датчиков в канале количеством фильтров.The disadvantage of this method is the dependence of the measurement error on the spectral loss in the transmitting channel and the limited number of sensors in the channel by the number of filters.

В изобретении «Калиброванный сканирующий лазер и система анализа сигналов для тестирования систем со спектральным разделением каналов» [патент US 6449047, опубл. 10.09.2002], которое включает сканирующий лазер с перестраиваемым фильтром, управляемым пьезоактюатором, реперный фильтр и систему детектирования, представляет собой оптоволоконную схему, а также имеет в своем составе механические элементы (пьезоакюатор), что не позволяет использовать прибор в условиях повышенных механических колебаний и резких температурных перепадов.In the invention "Calibrated scanning laser and signal analysis system for testing systems with spectral separation of channels" [patent US 6449047, publ. September 10, 2002], which includes a scanning laser with a tunable filter controlled by a piezoelectric actuator, a reference filter and a detection system, is a fiber optic circuit and also includes mechanical elements (piezo acuator), which does not allow the device to be used in conditions of increased mechanical vibrations and sharp temperature changes.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, является техническое решение «Система опроса волоконно-оптических датчиков» [патент US 9310273, заявка US 20140211202 опубл. 31.07.2014], которая представляет собой систему для мониторинга множества волоконных брэгговских решеток в оптическом волокне, причем каждая волоконная брэгговская решетка чувствительна к другой длине волны света, система при этом включает: широкополосный источник для освещения оптического волокна; по крайней мере один оптический интерферометр; средства передачи света для передачи на вход интерферометра света отраженного от волоконных брэгговских решеток; и процессор для обработки выходящего из интерферометра сигнала для определения длины волны отраженного света, где средства передачи света включают спектрально селективный ответвитель используемый для разделения света полученного из оптического волокна на множество длин волн, каждая из которых связана с одной из брэгговских решеток и/или временной разделитель, используемый для разделения света полученного из оптического волокна на разделенные по времени последовательности.The closest in technical essence to the claimed invention, is the technical solution "Interrogation system of fiber-optic sensors" [patent US 9310273, application US 20140211202 publ. 07/31/2014], which is a system for monitoring a plurality of fiber Bragg gratings in an optical fiber, each fiber Bragg grating being sensitive to a different wavelength of light, the system including: a broadband source for illuminating the optical fiber; at least one optical interferometer; light transmission means for transmitting light reflected from fiber Bragg gratings to the input of the interferometer; and a processor for processing the signal emitted from the interferometer to determine the wavelength of the reflected light, where the light transmitting means include a spectrally selective coupler used to separate the light obtained from the optical fiber into multiple wavelengths, each of which is associated with one of the Bragg gratings and / or time separator used to separate the light obtained from the optical fiber into time-divided sequences.

Оптическое излучение от источника излучения попадает на волоконную брэгговскую решетку от которой отражается и попадает на массив изогнутых волноводов, после чего проходя разный оптический путь на выходе сигнал с разными длинами волн приходит в разные моменты времени. Далее сигнал попадает на массив фотодетекторов и в электронную часть где вычисляется длина волны.Optical radiation from the radiation source enters the fiber Bragg grating from which it is reflected and enters an array of curved waveguides, after which a signal with different wavelengths passes through a different optical output path at different times. Then the signal goes to the array of photodetectors and to the electronic part where the wavelength is calculated.

Основным недостатком такого метода является зависимость выходного сигнала от спектральных потерь в каждом канале, что влияет на интенсивность выходного сигнала, которая может привести к искажению выходного спектра, далее сигнал с каждого разделяется между каналами, отвечающими за точное определение отраженной длины волны. Кроме того минимальная ширина линии сканирования ограничивается полосой 1 МГц. в диапазоне волн 1.3-1.6 нм.The main disadvantage of this method is the dependence of the output signal on the spectral loss in each channel, which affects the intensity of the output signal, which can lead to distortion of the output spectrum, then the signal from each is divided between the channels responsible for the exact determination of the reflected wavelength. In addition, the minimum scan line width is limited to 1 MHz. in the wavelength range 1.3-1.6 nm.

К недостаткам прототипа можно отнести использование широкополосного источника, что приводит к усреднению отраженного от датчика ВБР сигнала и уменьшению точности. Отсутствие абсолютного репера длины волны не позволяет определять абсолютные значения длин волн отражения датчиков ВБР, а только относительные изменения.The disadvantages of the prototype include the use of a broadband source, which leads to averaging of the signal reflected from the FBG sensor and a decrease in accuracy. The absence of an absolute reference wavelength does not allow to determine the absolute values of the reflection wavelengths of the FBG sensors, but only relative changes.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Задача, решаемая полезной моделью, создание самокалибрующегося анализатора сигналов волоконно-оптических датчиков, позволяющего снизить энергопотребление, имеющего малые габариты и массу, обеспечивающего высокие частоты сканирования, точность и повторяемость, устойчивого к вибрации и другим факторам воздействия.The problem solved by the utility model is the creation of a self-calibrating analyzer of the signals of fiber-optic sensors, which allows to reduce power consumption, having small dimensions and weight, providing high scanning frequencies, accuracy and repeatability, resistant to vibration and other factors.

Техническим результатом настоящего технического решения является повышение точности определения относительного смещения спектра отражения брэгговской решетки, возможность определения абсолютной длины волны отражения ВБР, а также нечувствительность к спектральным потерям в линии и приемной части.The technical result of this technical solution is to increase the accuracy of determining the relative shift of the reflection spectrum of the Bragg grating, the ability to determine the absolute reflection wavelength of the FBG, and also insensitivity to spectral losses in the line and in the receiving part.

Поставленная задача решена созданием самокалибрующегося анализатора сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, включающего источник оптического излучения, оптический интерферометр, средства передачи света, датчики на основе волоконных брэгговских решеток и процессор, в котором в качестве источника оптического излучения использован перестраиваемый источник узкополосного оптического излучения, подключенный к входу ответвителя, имеющего один вход и два выхода, первый выход ответвителя подключен к входному порту оптического циркулятора, который имеет три порта - входной, общий и выходной -и предназначен для направления света от источника излучения из входного порта в общий - к линии датчиков ВБР, при этом брэгговские длины волн ВБР лежат в диапазоне длин волн оптического излучения, генерируемого источником, и различаются на постоянную величину, т.е. λn-λn-1=const, к выходному порту циркулятора подключен спектрально-селективный ответвитель, имеющий один вход и восемь выходов, используемый для разделения света, полученного из оптического волокна, на восемь спектрально раздельных каналов, каждый из которых связан с одной из брэгговских решеток в линии ВБР, при этом каждый выход спектрально-селективного ответвителя соединен с входом коммутатора для направления света, полученного из одного из выходных каналов спектрально-селективного ответвителя, на выход, подключенный к входу интерферометра Маха-Цандера, имеющего один вход, два разбалансированных плеча, одно плечо интерферометра управляется внешним сигналом, и три выхода которые подключены через фотоприемники к процессору, второй выход ответвителя подключен к реперу длины волны, соединенному с процессором, который управляет процессами перестройки оптического источника, переключением коммутатора и обрабатывает сигналы: сопоставляя их с калибровочными данными выдает значение текущей длины волны отражения каждого из ВБР-датчиков в линии.The problem is solved by creating a self-calibrating analyzer of fiber-optic sensor signals based on fiber Bragg gratings, including an optical radiation source, an optical interferometer, light transmission means, sensors based on fiber Bragg gratings and a processor in which a tunable narrow-band optical source is used as an optical radiation source radiation connected to the input of the coupler having one input and two outputs, the first output of the coupler n to the input port of the optical circulator, which has three ports — the input, common, and output — and is designed to direct light from the radiation source from the input port to the common — to the FBG sensor line, while the Bragg wavelengths of the FBG lie in the optical radiation wavelength range generated by the source, and differ by a constant value, i.e. λ n -λ n-1 = const, a spectrally selective coupler is connected to the output port of the circulator, having one input and eight outputs, used to separate the light obtained from the optical fiber into eight spectrally separate channels, each of which is connected to one of Bragg gratings in the FBG line, with each output of the spectrally selective coupler connected to the input of the switch for directing light received from one of the output channels of the spectrally selective coupler to the output connected to the input of the interfero a Mach-Zander meter having one input, two unbalanced arms, one arm of the interferometer is controlled by an external signal, and three outputs that are connected through the photodetectors to the processor, the second output of the coupler is connected to a wavelength reference connected to the processor, which controls the tuning of the optical source, by switching the switch and processes the signals: comparing them with the calibration data gives the value of the current reflection wavelength of each of the FBG sensors in the line.

В качестве перестраиваемого источника узкополосного оптического излучения может быть использован массив перестраиваемых источников излучения.An array of tunable radiation sources can be used as a tunable source of narrow-band optical radiation.

В качестве репера длины волны может быть использована газовая ячейка, в которой содержится газ с известным и постоянным спектром поглощения света.As a wavelength reference, a gas cell can be used which contains a gas with a known and constant light absorption spectrum.

В качестве репера длины волны может быть использован интерферометрический эталон или спектральный фильтр.As a wavelength reference, an interferometric reference or a spectral filter can be used.

Репер длины волны может включать подключенные выходами к процессору интерферометрический эталон и газовую ячейку, входы которых подключены к выходам оптического делителя, соединенного с вторым выходом оптического ответвителя.The wavelength benchmark may include an interferometric reference connected to the processor outputs and a gas cell, the inputs of which are connected to the outputs of the optical divider connected to the second output of the optical coupler.

Конструкция устройства поясняется Фиг. 1, 2, 3, 4. На рисунках:The design of the device is illustrated in FIG. 1, 2, 3, 4. In the figures:

1 - источник излучения,1 - radiation source,

2 - оптический ответвитель,2 - optical coupler,

3 - циркулятор,3 - circulator

4 - линии датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР),4 - sensor lines based on fiber Bragg gratings (FBG),

5 - спектрально-селективный ответвитель,5 - spectrally selective coupler,

6 - коммутатор,6 - switch

7 - интерферометр Маха-Цандера,7 - Mach-Zander interferometer,

8 - репер длины волны,8 - reference wavelength

9 - процессор,9 - processor

10 - интерферометрический эталон,10 - interferometric standard,

11 - газовая ячейка,11 - gas cell,

12 - оптический делитель.12 - optical divider.

На Фиг. 1 представлена общая схема анализатора, на Фиг. 2 - схема, где в качестве репера использован интерферометрический эталон, на Фиг. 3 - схема с использованием в качестве репера газовой ячейки, на Фиг. 4 приведена схема, где репер содержит и газовую ячейку, и интерферометрический эталон, которые подключены через делитель к оптическому ответвителю.In FIG. 1 is a general diagram of the analyzer; FIG. 2 is a diagram where an interferometric reference is used as a reference; FIG. 3 is a diagram using a gas cell as a reference; FIG. Figure 4 shows a diagram where the benchmark contains both a gas cell and an interferometric standard, which are connected through an divider to an optical coupler.

Работа устройстваDevice operation

Источник перестраиваемого узкополосного излучения 1, управляемый процессором 8, генерирует свет с переменной во времени длиной волны, причем длина волны изменяется линейно во времени и циклично по достижении края диапазона перестройки, т.е. перестройка начинается заново с начала диапазона. На выходе источника располагается оптический ответвитель 2, который имеет два выхода и разделяет излучение между измерительной ветвью и калибровочной. Излучение в измерительную ветвь проходит через циркулятор 3, который направляет свет из входного порта в общий, куда подключена линия из 8 датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) 4. ВБР подобраны таким образом, что спектр отражения каждой из них лежит в пределах диапазона перестройки источника, а центральные длины волн соседних ВБР отличаются на постоянную величину, т.е. λn-λn-1=const. Таким образом, за один цикл перестройки источника излучение перекрывает все ВБР в линии. Отраженный от датчика ВБР свет проходит обратно на циркулятор 3, который направляет свет с общего порта в выходной -к спектрально-селективному ответвителю 5. Спектрально-селективный ответвитель 5 представляет собой упорядоченный массив волноводов и имеет один вход и 8 выходов (по числу датчиков ВБР в линии). За счет интерференции в массиве волноводов спектрально-селективного ответвителя поступающее на вход излучение разделяется в соответствии с длиной волны, то есть в каждых выход попадает излучение из узкого поддиапазона. Спектрально-селективный ответвитель и датчики ВБР подобраны так, что в каждый спектральный поддиапазон выходов спектрально-селективного ответвителя попадает отраженное излучение только одного датчика ВБР из линии.The tunable narrowband radiation source 1, controlled by the processor 8, generates light with a time-varying wavelength, the wavelength changing linearly in time and cyclically upon reaching the edge of the tuning range, i.e. tuning begins anew from the beginning of the range. At the source output is an optical coupler 2, which has two outputs and divides the radiation between the measuring branch and the calibration. The radiation into the measuring branch passes through the circulator 3, which directs the light from the input port to the common one, where a line of 8 sensors based on fiber Bragg gratings (FBGs) is connected 4. The FBGs are selected so that the reflection spectrum of each of them lies within the tuning range source, and the central wavelengths of adjacent FBGs differ by a constant value, i.e. λ n -λ n-1 = const. Thus, in one cycle of source tuning, the radiation covers all FBGs in the line. The light reflected from the FBG sensor passes back to the circulator 3, which directs the light from the common port to the output to the spectrally selective coupler 5. The spectrally selective coupler 5 is an ordered array of waveguides and has one input and 8 outputs (according to the number of FBG sensors in lines). Due to the interference in the array of waveguides of a spectrally selective coupler, the radiation entering the input is divided according to the wavelength, that is, radiation from a narrow subband falls into each output. The spectrally selective coupler and the FBG sensors are selected so that only one FBG sensor from the line gets reflected radiation into each spectral subband of the outputs of the spectrally selective coupler.

Каждый выход спектрально-селективного ответвителя соединен с одним из восьми входов коммутатора 6, который под действием управляющего сигнала процессора оптически связывает необходимый вход с интерферометром Маха-Цандера 7, подключенным к выходу коммутатора. Управление процессора коммутатором синхронизовано с управлением источником излучения таким образом, что когда длина волны излучения источника достигает края поддиапазона текущего подключенного выхода спектрально-селективного ответвителя, процессор подает команду коммутатору на включение следующего входа. Так оптический сигнал от каждого датчика ВБР передается на интерферометр Маха-Цандера 7.Each output of the spectrally selective coupler is connected to one of the eight inputs of the switch 6, which, under the action of the control signal of the processor, optically connects the necessary input with a Mach-Zander interferometer 7 connected to the output of the switch. The control of the processor by the switch is synchronized with the control of the radiation source in such a way that when the radiation wavelength of the source reaches the edge of the subband of the currently connected output of the spectrally selective coupler, the processor instructs the switch to turn on the next input. So the optical signal from each FBG sensor is transmitted to the Mach-Zander 7 interferometer.

Интерферометр Маха-Цандера 7 с двумя разбалансированными плечами имеет три выхода, разница фаз между которыми составляет 2π/3. За счет интерференции соотношение между тремя выходами амплитуд пропускания узкополосного излучения будет уникальным для каждой длины волны излучения в области свободной дисперсии интерферометра. В одном из плеч интерферометра можно изменять набег фазы оптического излучения с помощью управляющего сигнала с процессора для подстройки интерференционной характеристики в соответствии с поддиапазоном выхода спектрально-селективного ответвителя, подключенного в каждый момент. Выходы интерферометра Маха-Цандера через фотоприемники соединены с процессором, который вычисляет соотношение амплитуд сигналов и сравнивает их с калибровочными данными для соответствующего поддиапазона.The Mach-Zander 7 interferometer with two unbalanced arms has three outputs, the phase difference between them is 2π / 3. Due to interference, the ratio between the three outputs of the transmission amplitudes of narrow-band radiation will be unique for each radiation wavelength in the region of free dispersion of the interferometer. In one of the arms of the interferometer, the phase shift of the optical radiation can be changed using a control signal from the processor to adjust the interference characteristic in accordance with the output sub-range of the spectrally selective coupler connected at each moment. The outputs of the Mach-Zander interferometer through photodetectors are connected to a processor, which calculates the ratio of signal amplitudes and compares them with calibration data for the corresponding subband.

Излучение, которое направляется ответвителем 2 в ветвь калибровки попадает в репер длины волны 8, соединенный с процессором 9.The radiation that is sent by the coupler 2 to the calibration branch enters the reference wavelength 8, connected to the processor 9.

Репер длины волны может представлять собой интерферометрический эталон 10, например, эталон Фабри-Перо с известной областью свободной дисперсии и низкой добротностью, волоконный интерферометр Маха-Цандера или Майкельсона. В таком случае можно фактически определить абсолютную скорость перестройки источника и уточнить абсолютное изменение длины волны отражения датчиков ВБР в линии. Также репер длины волны может представлять собой газовую ячейку 11, наполненную газом с известным спектром поглощения в рабочей спектральной области источника. Выход ячейки соединяется с процессором через фотоприемник. Сигнал пропускания газовой ячейки с фотоприемника за цикл перестройки сопоставляется с известным спектром поглощения газа, что позволяет точно определить длину волны излучения источника в каждый момент времени, а значит и абсолютную длину волны отражения датчика ВБР.The wavelength reference can be an interferometric standard 10, for example, a Fabry-Perot standard with a known free dispersion region and low Q factor, a Mach-Zander or Michelson fiber interferometer. In this case, it is possible to actually determine the absolute speed of the source tuning and to clarify the absolute change in the reflection wavelength of the FBG sensors in the line. Also, the wavelength reference can be a gas cell 11 filled with gas with a known absorption spectrum in the working spectral region of the source. The cell output is connected to the processor through a photodetector. The transmission signal of the gas cell from the photodetector during the tuning cycle is compared with the known absorption spectrum of the gas, which makes it possible to accurately determine the radiation wavelength of the source at each moment of time, and hence the absolute reflection wavelength of the FBG sensor.

Репер длины волны может представлять собой комбинацию предыдущих двух вариантов, при этом - интерферометрический эталон 10 и газовая ячейка 11 своими входами через оптический делитель 12 подключены к второму выходу оптического ответвителя 2, а выходами - к процессору 9. Это дает возможность одновременно добиться привязки к абсолютным значениям длин волн и точно определять абсолютное смещение длин волн отражения датчиков ВБР. Такая комбинация позволяет работать и отдельно только с газовой ячейкой, или только с интерферометрическим эталоном.The wavelength benchmark can be a combination of the previous two options, while the interferometric standard 10 and the gas cell 11 are connected via their inputs through the optical divider 12 to the second output of the optical coupler 2, and the outputs to the processor 9. This makes it possible to simultaneously achieve absolute wavelengths and accurately determine the absolute shift of the reflection wavelengths of the FBG sensors. This combination allows you to work separately only with a gas cell, or only with an interferometric standard.

Таким образом, по отношению амплитуд сигналов на выходах интерферометра Маха-Цандера и сигнала с репера длины волны можно точно определять спектральное смещение длин волн датчиков ВБР с привязкой к абсолютным длинам. Интегрально-оптическое исполнение элементов: источника, ответвителя, делителя, спектрально-селективного ответвителя, коммутатора и интерферометра Маха-Цандера позволяет получить малогабаритный прибор с высокой вибростойкостью и температурной стабильностью.Thus, by the ratio of the amplitudes of the signals at the outputs of the Mach-Zander interferometer and the signal from the wavelength benchmark, it is possible to accurately determine the spectral shift of the wavelengths of the FBG sensors with reference to the absolute lengths. The integrated optical design of the elements: source, coupler, divider, spectrally selective coupler, switch and Mach-Zander interferometer allows to obtain a small-sized device with high vibration resistance and temperature stability.

Claims (5)

1. Самокалибрующийся анализатор сигналов волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, включающий источник оптического излучения, оптический интерферометр, средства передачи света, датчики на основе волоконных брэгговских решеток и процессор, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован перестраиваемый источник узкополосного оптического излучения, подключенный к ответвителю, имеющему один вход и два выхода, первый выход ответвителя подключен к входному порту оптического циркулятора, который имеет три порта - входной, общий и выходной - и предназначен для направления света от источника излучения из входного порта в общий - к линии датчиков ВБР, при этом брэгговские длины волн ВБР лежат в диапазоне длин волн оптического излучения, генерируемого источником, и различаются на постоянную величину, т.е. λn-λn-1=const, к выходному порту циркулятора подключен спектрально-селективный ответвитель, имеющий один вход и восемь выходов, используемый для разделения света, полученного из оптического волокна, на восемь спектрально раздельных каналов, каждый из которых связан с одной из брэгговских решеток в линии ВБР, при этом каждый выход спектрально-селективного ответвителя соединен с входом коммутатора для направления света, полученного из одного из выходных каналов спектрально-селективного ответвителя, на выход, подключенный к входу интерферометра Маха-Цандера, имеющего один вход, два разбалансированных плеча, одно плечо интерферометра управляется внешним сигналом, и три выхода, которые подключены через фотоприемники к процессору, второй выход ответвителя подключен к реперу длины волны, соединенному с процессором, который управляет процессами перестройки оптического источника, переключением коммутатора и обрабатывает сигналы: сопоставляя их с калибровочными данными выдает значение текущей длины волны отражения каждого из ВБР-датчиков в линии.1. Self-calibrating signal analyzer of fiber-optic sensors based on fiber Bragg gratings, including an optical radiation source, an optical interferometer, light transmission means, sensors based on fiber Bragg gratings and a processor, characterized in that a tunable narrow-band optical source is used as an optical radiation source radiation connected to the coupler having one input and two outputs, the first output of the coupler is connected to the input port of the optical a cooler, which has three ports — input, common, and output — and is designed to direct light from a radiation source from the input port to the common — to the FBG sensor line, while the Bragg wavelengths of the FBG lie in the wavelength range of the optical radiation generated by the source, and differ by a constant value, i.e. λ n -λ n-1 = const, a spectrally selective coupler is connected to the output port of the circulator, having one input and eight outputs, used to separate the light obtained from the optical fiber into eight spectrally separate channels, each of which is connected to one of Bragg gratings in the FBG line, with each output of the spectrally selective coupler connected to the input of the switch for directing light received from one of the output channels of the spectrally selective coupler to the output connected to the input of the interfero a Mach-Zander meter having one input, two unbalanced arms, one arm of the interferometer is controlled by an external signal, and three outputs that are connected via photodetectors to the processor, the second output of the coupler is connected to a wavelength reference connected to the processor, which controls the processes of tuning the optical source by switching the switch and processes the signals: comparing them with the calibration data gives the value of the current reflection wavelength of each of the FBG sensors in the line. 2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве перестраиваемого источника узкополосного оптического излучения может быть использован массив перестраиваемых источников излучения.2. The analyzer according to claim 1, characterized in that an array of tunable radiation sources can be used as a tunable source of narrow-band optical radiation. 3. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве репера длины волны используется газовая ячейка, в которой содержится газ с известным и постоянным спектром поглощения света.3. The analyzer according to claim 1, characterized in that a gas cell is used as a wavelength reference, which contains a gas with a known and constant light absorption spectrum. 4. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве репера длины волны используется эталон Фабри-Перо.4. The analyzer according to claim 1, characterized in that the Fabry-Perot standard is used as a wavelength reference. 5. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве репера длины волны используются эталон Фабри-Перо и газовая ячейка, содержащая газ с известным и постоянным спектром поглощения света, входы которых через оптический делитель связаны с оптическим ответвителем, а выходы - с процессором.5. The analyzer according to claim 1, characterized in that the Fabry-Perot etalon and a gas cell containing a gas with a known and constant light absorption spectrum are used as a wavelength reference, the inputs of which are connected to the optical coupler through the optical divider, and the outputs to the processor.
RU2018144670U 2018-12-17 2018-12-17 Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings RU191082U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144670U RU191082U1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144670U RU191082U1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU191082U1 true RU191082U1 (en) 2019-07-23

Family

ID=67513257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018144670U RU191082U1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU191082U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112702113A (en) * 2019-10-23 2021-04-23 中兴通讯股份有限公司 Optical network detection method, system, electronic device and computer readable medium

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7499151B2 (en) * 2006-06-05 2009-03-03 University Of Ottawa Distributed Brillouin sensor system based on DFB lasers using offset locking
RU171551U1 (en) * 2016-05-25 2017-06-06 Владимир Александрович Соловьев DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS
RU2624837C1 (en) * 2016-04-01 2017-07-07 Автономное учреждение "Технопарк-Мордовия" Fiber-optic interferometric device for detecting phase signals
RU182543U1 (en) * 2018-04-20 2018-08-22 Общество с ограниченной ответственностью "АДМ Фотоникс" (ООО "АДМ Фотоникс") Fiber Bragg Grating Reflection Spectrum Measurement Device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7499151B2 (en) * 2006-06-05 2009-03-03 University Of Ottawa Distributed Brillouin sensor system based on DFB lasers using offset locking
RU2624837C1 (en) * 2016-04-01 2017-07-07 Автономное учреждение "Технопарк-Мордовия" Fiber-optic interferometric device for detecting phase signals
RU171551U1 (en) * 2016-05-25 2017-06-06 Владимир Александрович Соловьев DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS
RU182543U1 (en) * 2018-04-20 2018-08-22 Общество с ограниченной ответственностью "АДМ Фотоникс" (ООО "АДМ Фотоникс") Fiber Bragg Grating Reflection Spectrum Measurement Device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112702113A (en) * 2019-10-23 2021-04-23 中兴通讯股份有限公司 Optical network detection method, system, electronic device and computer readable medium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7157693B2 (en) Optical wavelength interrogator
US6310703B1 (en) Method and apparatus for optical performance monitoring in wavelength division multiplexed fiber optical systems
CA2288746C (en) Distributed sensing system
CA2509187C (en) Optical wavelength determination using multiple measurable features
CN103278185B (en) Cavity ring-down fiber grating sensing demodulating device based on calibrated fiber grating
RU171551U1 (en) DISTRIBUTED FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM WITH BRAGG SENSORS
CN113218518A (en) Sine-cosine optical frequency detection device based on integrated optical path and application of sine-cosine optical frequency detection device in optical sensing
RU102256U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
CA2403847C (en) Method and apparatus for estimating chromatic dispersion in fibre bragg gratings
US8379217B2 (en) System and method for optical sensor interrogation
RU191082U1 (en) Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings
EP3569987B1 (en) Optical sensor system
RU2608394C1 (en) Device for measuring parameters of physical fields
KR20020000759A (en) Fibre bragg grating sensors for measuring a physical magnitude
RU2512616C2 (en) Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method
RU192705U1 (en) Multichannel signal analyzer of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings
RU161644U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
RU92180U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS
KR100313428B1 (en) Optical power and frequency meter using the optical filter
RU2520963C2 (en) Optic fibre measuring system (versions)
RU2667344C1 (en) Fiber optical thermometer
EP3107232B1 (en) Modular kit of a device for monitoring the spectral offset of two channels in networks with optical wavelength multiplexing
RU2621931C1 (en) Control device of stress-strain condition of aircraft structure
RU2491511C2 (en) Method to measure parameters of physical fields
RU122174U1 (en) DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS