RU2634490C1

RU2634490C1 - Quasi-distributed fiber-optical information-measuring system

Info

Publication number: RU2634490C1
Application number: RU2016118476A
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Замышляев; Роман Владимирович Криворотов; Владимир Михайлович Самсонов
Original assignee: Публичное акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ПАО "УМПО"
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-10-31

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: quasi-distributed electrooptical information-measuring system contains a wideband radiation source arranged in a technological order and connected to each other by fiber-optical cables, an optical switch, an optical splitter, a photodetector device (PDD) with a signal registration and conversion unit, a monitor object, a system of thermal stabilization of the supporting Bragg gratings. The system also contains at least one measuring channel with sensors on Bragg gratings placed on the monitor object and supporting Bragg gratings with a known characteristic of the wavelength of reflected radiation connected by one side of the fiber-optical cable to sensors on Bragg gratings and supporting Bragg gratings with an optical splitter. At the same time, the system is provided with at least one additional optical splitter connected by a fiber-optical cable with an optical switch, a photodetector device (PDD) with a signal registration and conversion unit and connected by the other side of the fiber-optical cable with sensors on Bragg gratings and supporting Bragg gratings with an additional optical splitter. Sensors and supporting Bragg gratings are connected in series.

EFFECT: increase of the longevity of the measuring path of the systems of built-in nondestructive testing of technical devices of responsible application.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для регистрации сигналов от набора датчиков физических величин на внутриволоконных решетках Брэгга в системах встроенного неразрушающего контроля, на станциях газоперекачки в составе САУ ГПА (система автоматичесого управления газоперекачивающим агрегатом), в составе иных систем, где нежелательно прекращение работы системы до планового останова (полета - в случае применения в системах встроенного контроля летательного аппарата), из-за повреждения измерительного тракта системы контроля.The invention relates to devices for recording signals from a set of sensors of physical quantities on Bragg's intra-fiber gratings in integrated non-destructive testing systems, at gas pumping stations as part of a gas control system self-propelled guns (automatic control system for a gas pumping unit), as a part of other systems where it is undesirable to stop the system working before a scheduled shutdown (flight - in case of application in the aircraft’s integrated control systems), due to damage to the measuring path of the control system.

Наиболее близкими по технической сущности и назначению являются системы встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков, содержащие источник широкополосного излучения, размещенные в технологическом порядке и соединенные между собой волоконно-оптическими кабелями оптический переключатель, оптический разветвитель, фотоприемное устройство (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов, ЭВМ, объект контроля, систему термостабилизации опорных брэгговских решеток и размещенный на объекте контроля по меньшей мере один измерительный канал с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с известной характеристикой длины волны отраженного излучения, соединенные одной стороной волоконно-оптического кабеля с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с оптическим разветвителем /RU 2510609 С2, МПК, G01B 11/16, опубл. 2006 г./.The closest in technical essence and purpose are built-in non-destructive testing systems based on fiber-optic Bragg sensors, containing a broadband radiation source, placed in a technological order and interconnected by fiber-optic cables, an optical switch, an optical splitter, a photodetector (FPU) with a unit registration and conversion of signals, computers, control object, thermal stabilization system of supporting Bragg gratings and located on the object monitoring at least one measuring channel with sensors on Bragg gratings and reference Bragg gratings with a known characteristic of the reflected wavelength, connected by one side of the fiber optic cable with sensors on Bragg gratings and reference Bragg gratings with an optical splitter / RU 2510609 C2, M2, G01B 11/16, publ. 2006 /.

Недостатком известного решения является чувствительность измерительного канала к повреждению волоконно-оптической линии связи, соединяющей в последовательную цепь опорную брегговскую решетку и датчики на основе волоконных брэгговских решеток. При повреждении линии (обрыве, перегибе радиусом менее допустимого по условиям оптических потерь) информация от датчиков на участке от места повреждения до ФПУ (фотоприемное устройство) теряется безвозвратно, что негативно сказывается на работе потребителей информации от датчиков (САУ, АСУП и т.п.).A disadvantage of the known solution is the sensitivity of the measuring channel to damage to the fiber optic communication line connecting the supporting Bragg grating and the sensors based on fiber Bragg gratings into a serial circuit. If the line is damaged (breakage, bending with a radius less than the allowable optical loss under the conditions), information from sensors in the area from the place of damage to the FPU (photodetector) is lost forever, which negatively affects the work of consumers of information from sensors (ACS, ACS, etc. )

Задача изобретения - разработка квазираспределенной оптико-электронной системы измерения физических величин повышенной живучести с датчиками на внутриволоконных решетках Брэгга.The objective of the invention is the development of a quasi-distributed optoelectronic system for measuring physical quantities of increased survivability with sensors on Bragg's intra-fiber gratings.

Ожидаемый технический результат - повышение живучести измерительного тракта систем встроенного неразрушающего контроля технических устройств ответственного применения за счет использования свойства внутриволоконной брэгговской решетки отражать свет на индивидуальной длине волны с обеих сторон, а также за счет использования свойств пассивных многополюсных оптических элементов ветвления (разветвителей).The expected technical result is an increase in the survivability of the measuring path of the systems of built-in non-destructive testing of critical technical devices by using the property of the intrafiber Bragg grating to reflect light at an individual wavelength on both sides, as well as by using the properties of passive multipolar optical branching elements (splitters).

Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известной системе встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков, содержащей источник широкополосного излучения, размещенные в технологическом порядке и соединенные между собой волоконно-оптическими кабелями оптический переключатель, оптический разветвитель, фотоприемное устройство (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов, ЭВМ, объект контроля, систему термостабилизации опорных брэгговских решеток и размещенный на объекте контроля по меньшей мере один измерительный канал с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с известной характеристикой длины волны отраженного излучения, соединенные одной стороной волоконно-оптического кабеля с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с оптическим разветвителем, по предложению система снабжена по меньшей мере одним дополнительным оптическим разветвителем, соединенным волоконно-оптическим кабелем с оптическим переключателем, фотоприемным устройством (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов и соединенным другой стороной волоконно-оптического кабеля с датчиками на брэгговских решетках и опорными брэгговскими решетками с дополнительным оптическим разветвителем, при этом датчики и опорные брэгговские решетки соединены последовательно. Система термостабилизации опорных решеток и сами решетки могут быть расположены на объекте контроля или отдельно от него. Волоконно-оптические кабели со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток и с опорными брэгговскими решетками соединены между собой с помощью элементов ветвления светового потока излучения с образованием параллельных, или последовательных, или комбинированных соединений. Система в качестве элементов ветвления светового потока излучения содержит, по крайней мере, элементы одной из групп: комбайнеры, ститтеры, древовидные разветвители, звездообразные разветвители, широкополосные разветвители, разветвители доступа или мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны.The expected technical result is achieved by the fact that in the known system of built-in non-destructive testing based on fiber-optic Bragg sensors containing a broadband radiation source, placed in the technological order and interconnected by fiber-optic cables, an optical switch, an optical splitter, a photodetector (FPU) with a unit for recording and converting signals, a computer, an object of control, a system of thermal stabilization of support Bragg gratings and located on the object control of at least one measuring channel with sensors on Bragg gratings and reference Bragg gratings with a known characteristic of the reflected wavelength, connected by one side of the fiber optic cable with sensors on Bragg gratings and reference Bragg gratings with an optical splitter, the system is equipped with at least at least one additional optical splitter connected by a fiber-optic cable with an optical switch, a photodetector (FPU) with a signal recording and conversion unit and a fiber optic cable connected to the other side with sensors on the Bragg gratings and reference Bragg gratings with an additional optical splitter, while the sensors and the reference Bragg gratings are connected in series. The system of thermal stabilization of the support grids and the grids themselves can be located on the control object or separately from it. Fiber optic cables with built-in sensors based on measuring Bragg gratings and with supporting Bragg gratings are connected to each other by means of branching elements of the light flux of radiation with the formation of parallel, or serial, or combined connections. The system as a branching element of the light flux of radiation contains at least elements of one of the groups: combiners, stitters, tree splitters, star-shaped splitters, broadband splitters, access splitters or wavelength division multiplexers-demultiplexers.

На чертеже приведена структурная блок-схема предлагаемого устройства.The drawing shows a structural block diagram of the proposed device.

Квазираспределенная волоконно-оптическая информационно- измерительная система содержит источник широкополосного излучения 1, соединенный волоконно-оптическим кабелем 2, с оптическим переключателем 3, оптическим разветвителем 4 и фотоприемным устройством (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов 5. На объекте контроля 6 размещены система термостабилизации 7 опорных брегговских решеток и волоконно-оптические кабели со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток 8, соединенные последовательно с опорными брэгговскими решетками и одним концом с оптическим разветвителем 4. Система оснащена по меньшей мере одним дополнительным оптическим разветвителем 9, соединенным с другим концом волоконно-оптическго кабеля со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток 8 и соединенным с оптическим переключателем 3 и фотоприемным устройством (ФПУ) с блоком регистрации и преобразования сигналов 5, которое с помощью электрического кабеля 10 соединено с ЭВМ потребителя. Система термостабилизации 7 опорных решеток и сами решетки могут быть расположены на объекте контроля 6 или отдельно от него. Волоконно-оптические кабели со встроенными датчиками на основе измерительных брэгговских решеток и с опорными брэгговскими решетками 8, размещенные на объекте контроля 6, могут быть соединены между собой с помощью элементов ветвления светового потока излучения с образованием параллельных, или последовательных, или комбинированных соединений. В качестве элементов ветвления светового потока излучения целесообразно использовать стандартные элементы, по крайней мере, одной группы: комбайнеры, ститтеры, древовидные разветвители, звездообразные разветвители, широкополосные разветвители, разветвители доступа или мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны.The quasi-distributed fiber-optic information-measuring system contains a broadband radiation source 1, connected by a fiber-optic cable 2, with an optical switch 3, an optical splitter 4, and a photodetector (FPU) with a signal recording and conversion unit 5. The thermal stabilization system is located on control object 6 7 supporting Bragg gratings and fiber optic cables with integrated sensors based on measuring Bragg gratings 8 connected in series with the supporting Bragg gratings and one end with an optical splitter 4. The system is equipped with at least one additional optical splitter 9, connected to the other end of the fiber-optic cable with integrated sensors based on the measuring Bragg gratings 8 and connected to the optical switch 3 and a photodetector (FPU) with a unit for recording and converting signals 5, which is connected with a consumer computer using an electric cable 10. The thermal stabilization system 7 of the support grids and the grids themselves can be located on the control object 6 or separately from it. Fiber-optic cables with built-in sensors based on measuring Bragg gratings and with supporting Bragg gratings 8, located on the test object 6, can be interconnected using branching elements of the light flux of radiation with the formation of parallel, or serial, or combined connections. It is advisable to use standard elements of at least one group as branching elements of the light flux of radiation: combiners, stitters, tree splitters, star-shaped splitters, broadband splitters, access splitters or wavelength division multiplexers-demultiplexers.

Система работает следующим образом.The system operates as follows.

Свет от широкополосного излучателя 1 по волоконному световоду 2 поступает на оптический переключатель 3, настроенный на определенную частоту переключения (не выше четверти минимальной частоты составляющих излучаемого света). Далее свет по волоконным световодам 2 поочередно поступает на левый 4 или дополнительный правый 9 оптические разветвители (по количеству квазираспределенных измерительных каналов). Отраженные от внутриволоконных брэгговских решеток сигналы (эквивалентные измеряемым физическим величинам) в каждом такте переключения последовательно поступают на подключенный в данный момент оптический разветвитель (4 или 9) и через выходной полюс далее на ФПУ 5 и ЭВМ 10. ЭВМ идентифицирует канал по длине волны опорной брэгговской решетки и дает команду на блок регистрации ФПУ - информация от каналов, подключенных на данном такте переключения, регистрируется (либо передается далее потребителю).The light from the broadband emitter 1 through the optical fiber 2 enters the optical switch 3, tuned to a specific switching frequency (not higher than a quarter of the minimum frequency of the components of the emitted light). Next, the light is transmitted through the optical fibers 2 to the left 4 or additional right 9 optical splitters (according to the number of quasi-distributed measuring channels). The signals (equivalent to the measured physical quantities) reflected from the intra-fiber Bragg gratings in each switching cycle are sequentially fed to the currently connected optical splitter (4 or 9) and then through the output pole to FPU 5 and computer 10. The computer identifies the channel by the wavelength of the reference Bragg lattice and gives a command to the registration unit FPU - information from channels connected to this switching cycle is recorded (or transmitted further to the consumer).

В результате происходит регистрация отраженного полезного сигнала с двух сторон одной и той же решетки Брэгга со сдвигом на время такта переключения. С учетом того, что диапазон длин волн, используемый в одномодовом оптическом волокне, равен 1520-1580 нм, максимальная частота переключения при наличии 1 канала с двумя разветвителями составляет ≈47 ТГц, при наличии 100 каналов - 474 ГГц, при наличии 1000 каналов - 47,4 ГГц. Таким образом съем сигнала с обеих сторон решетки происходит со сдвигом в пикосекундном диапазоне, что вполне приемлемо для измерения вибрации, давления, температуры, перемещения и т.п. с сохранением информативности каждого канала. Частота реального оптического переключателя на светодиодах достигает 1 ГГц, следовательно, частота переключения 100 каналов - 10 МГц, 1000 каналов - 1 МГЦ, - что также более чем достаточно для опроса быстроменяющихся физических величин механических устройств (в частности - вибродиагностика газопрекачивающих агрегатов), т.к. максимальная «лопаточная» частота компрессоров высокого давления ГПА не превышает десятков КГц и по критерию Котельникова частота опроса параметра должна превышать частоту самого параметра не менее чем в 2 раза. При этом световой пучок в каждом из 1000 каналов гарантированно успевает преодолеть путь до датчиков и обратно - на регистрацию (через ответвитель) за такт переключения.As a result, the reflected useful signal is recorded from two sides of the same Bragg grating with a shift by the switching cycle time. Considering that the wavelength range used in a single-mode optical fiber is 1520-1580 nm, the maximum switching frequency in the presence of 1 channel with two splitters is ≈47 THz, in the presence of 100 channels - 474 GHz, in the presence of 1000 channels - 47 , 4 GHz. Thus, the signal is taken from both sides of the grating with a shift in the picosecond range, which is quite acceptable for measuring vibration, pressure, temperature, displacement, etc. while maintaining the information content of each channel. The frequency of the real optical switch on the LEDs reaches 1 GHz, therefore, the switching frequency of 100 channels is 10 MHz, 1000 channels is 1 MHz, which is also more than enough to interrogate the rapidly changing physical quantities of mechanical devices (in particular, the vibration diagnostics of gas pumping units), t. to. the maximum “blade” frequency of GPU high-pressure compressors does not exceed tens of KHz, and according to Kotelnikov’s criterion, the frequency of parameter polling should exceed the frequency of the parameter itself by at least 2 times. At the same time, the light beam in each of the 1000 channels is guaranteed to manage to overcome the path to the sensors and vice versa - to registration (through the coupler) per switching cycle.

При повреждении (обрыве) волоконно-оптического кабеля между брэгговскими решетками происходит поочередное подключение решеток слева и справа. Поскольку каждая решетка настроена на отражение своей длины волны из диапазона, излучаемого источником, эти частоты отражаются обратно в разветвитель и далее на регистрацию, не отработавший свет из световода в месте обрыва рассеивается в среде.If the fiber-optic cable is damaged (broken) between the Bragg gratings, the gratings are alternately connected to the left and right. Since each grating is tuned to reflect its wavelength from the range emitted by the source, these frequencies are reflected back to the splitter and then for registration, the light that has not been emitted from the fiber at the breakage point is scattered in the medium.

Наличие повреждения линии в канале измерения фиксируется по отсутствию дублированных сигналов на регистрации.The presence of line damage in the measurement channel is recorded by the absence of duplicated signals at registration.

Применение изобретения позволяет повысить живучесть измерительного тракта систем встроенного неразрушающего контроля и технических устройств ответственного применения за счет использования свойства внутриволоконной брэгговской решетки отражать свет на индивидуальной длине волны с обеих сторон, а также за счет использования свойств пассивных многополюсных оптических элементов ветвления (разветвителей).The use of the invention allows to increase the survivability of the measuring path of integrated non-destructive testing systems and technical devices of responsible use by using the properties of the intrafiber Bragg grating to reflect light at an individual wavelength on both sides, as well as by using the properties of passive multipolar optical branching elements (splitters).

Claims

1. A quasi-distributed optoelectronic information-measuring system containing a broadband radiation source, placed in a technological order and interconnected by fiber-optic cables, an optical switch, an optical splitter, a photodetector (FPU) with a signal recording and conversion unit, a computer, a control object , a system of thermal stabilization of supporting Bragg gratings and at least one measuring channel with sensors on Bragg gratings located at the monitoring object x and supporting Bragg gratings with a known characteristic of the reflected wavelength, connected on one side of the fiber optic cable with sensors on the Bragg gratings and supporting Bragg gratings with an optical splitter, characterized in that it is equipped with at least one additional optical splitter connected by a fiber optical cable with an optical switch, a photodetector (FPU) with a signal recording and conversion unit and connected to the other side of the fiber optical-optical cable with sensors on the Bragg gratings and reference Bragg gratings with an additional optical splitter, while the sensors and the supporting Bragg gratings are connected in series.

2. The system according to claim 1, characterized in that the thermal stabilization system with supporting grids and the grids themselves are located at or separately from the control object.

3. The system according to p. 1, characterized in that the fiber-optic cables with integrated sensors based on measuring Bragg gratings and with supporting Bragg gratings are placed on the control object, interconnected by means of branching elements of the light flux of radiation with the formation of parallel, or sequential , or combined compounds.

4. The system according to p. 3, characterized in that as the branching elements of the light flux of radiation it contains at least elements of one of the groups: combiners, stitter, tree splitters, star-shaped splitters, broadband splitters, access splitters or split multiplexers-demultiplexers along the wavelength.