Система опроса точечных датчиков

Точечные волоконно-оптические датчики на основе волоконных брэгговских решеток (FBG sensors - Fiber Bragg Grating sensors) предназначены для измерения различных физических величин, например, таких как температура, деформация, давление, угол наклона и других. 

Принцип работы таких датчиков основан на регистрации сдвига центральной длины волны, записанной внутриволоконной периодической структуры показателя преломления, называемой волоконной брэгговской решеткой (ВБР). Отраженное излучение регистрируется анализатором сигналов волоконно-оптических датчиков, который является одновременно источником и приемником излучения.

Наиболее распространенным методом производства ВБР является метод индуцирования решеток с помощью фазовой маски и эксимерного ультрафиолетового лазера. Такое решение является наиболее простым и эффективным, так как позволяет исключить из схемы записи дорогостоящие виброизолирующие столы, развязанные фундаменты и основания, необходимые при многоимпульсной записи, и при этом получать решетки с требуемыми характеристиками. 

Цилиндрическая линза фокусирует излучение по одной из осей для достижения требуемой плотности энергии. Излучение, проходя через фазовую маску, дифрагирует на +1 и -1 порядки. Интерференционная картина +1 и -1 порядков осуществляет запись решетки показателя преломления в сердцевине оптического волокна, закрепленного на расстоянии нескольких микрон от фазовой маски.

Несмотря на преимущества метода, он не лишен недостатков, и самые основные из них это: 

• Отсутствие гибкости метода по изменению длины волны отражения ВБР, из-за фиксированных значений периода фазовой маски; 

• При использовании ультрафиолетового источника излучения необходимо производить процедуру снятия защитной полимерной оболочки непосредственно перед записью решетки. Стандартные полимеры, использующиеся в качестве защитной оболочки оптического волокна непрозрачны в УФ диапазоне излучения, поэтому данная процедура неизбежно приводит к увеличению временных затрат на производство ВБР.
  

Центральная длина волны отраженного компонента удовлетворяет соотношению Брэгга: λ_b = 2n_eff * Λ,

где n_eff — эффективный показатель преломления, а Λ — период решетки. Из-за зависимости параметров n_eff и Λ от температуры и деформации длина волны отраженной компоненты также будет изменяться в зависимости от температуры и деформации. Эта зависимость хорошо известна, что позволяет определить температуру или деформацию по отраженная длина волны ВБР.

Как упомянуто выше, для регистрации сдвига отраженной длины волны от волоконной брэгговской решетки требуется специальный прибор, называемый анализатором сигналов волоконно-оптических датчиков.

Анализатор сигналов волоконных датчиков представляет собой оптоэлектронный прибор, который позволяет считывать показания волоконно-оптических датчиков на основе ВБР в приложениях статического и динамического мониторинга.

Анализатор может измерять большую сеть датчиков, состоящую из различных типов датчиков (таких как датчики деформации, температуры, смещения, ускорения, наклона и т. д.), подключенных по нескольким волокнам, путем одновременного сбора данных и с разной частотой дискретизации.

Во время сбора данных опросчик измеряет длину волны, отраженную оптическими датчиками, а затем преобразует ее в инженерные единицы.

Реализовать такое устройство можно двумя методами:

1. Методом физического разделения поступающего излучения на спектральные составляющие;

2. Методом временного сканирования заданного диапазона длин волн.
   

При реализации средства опроса первым методом в качестве источника излучения используются широкополосные источники излучения (SLED или ASE), а в роли диспергирующих элементов выступают пропускающие дифракционные решетки, которые пространственно разделяют спектр. Спектры, отраженные от ВБР, фокусируются на диодной матрице, а электронные компоненты считывают сигналы диодной матрицы и выполняют преобразования для определения длины волны отражений от ВБР.

В качестве примера реализации устройства опроса первым методом, можно рассмотреть интеррогатор компании Ibsen Photonics, который выполняет функцию анализатора сигналов без источника излучения.

К методу  временного сканирования заданного диапазона длин волн относятся способы обработки, основанные на перестройке центральной длины волны источника оптического излучения, а также средства, использующие дополнительную внешнюю фильтрацию излучения с помощью фильтра Фабри-Перо. В качестве косвенного информационного параметра, связывающего измеряемую величину со спектральными параметрами, используется оптическая мощность регистрируемого сигнала.

Далее будет рассмотрен второй принцип построения анализатора сигналов волоконно-оптических датчиков на перестраиваемом лазере и комбинации широкополосного источника с перестраиваемым фильтром.