CC BY
13
УДК 681.7.063
МОНИТОРИНГ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ АКУСТООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
MONITORING THE CHARACTERISTICS OF EXTENDED OBJECTS USING ACOUSTO-OPTICAL SYSTEMS
М. А. Ураксеев u, К. В. Важдаев2, 3, А. Р. Сагадеев2
'Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, Россия 2Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Россия 3Башкирский государственный университет, г. Уфа, Россия
M. A. Urakseev1,2, K. V. Vazdaev2,3, A. R. Sagadeev2
'Ufa State Aviation Technical University (USATU), Ufa, Russia 2Bashkir State University (BSU), Ufa, Russia 3Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), Ufa, Russia
Аннотация. В настоящей работе предложен способ построения распределенного датчика с использованием акустической волны, принудительно распространяемой в светопроводе для получения отраженного сигнала большей мощности, а также возможности изменения вида спектра отраженного сигнала посредством изменения формы звуковой волны, направляемой по световоду. Предложена структурная схема измерительной системы и проведен анализ ее работы.
Ключевые слова: акустооптика, волоконные брэгговские решетки, оптическое волокно, рефлекто-грамма.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-266-270
I. Введение
Контроль состояния распределенных объектов является важной задачей области техники; он позволяет предупреждать, прогнозировать развитие аварийных ситуаций, повреждений, порчи оборудования, поддерживать штатный режим эксплуатации объектов. Для контроля параметров состояния распределенных объектов необходимо применение систем с множеством точечных датчиков различных параметров либо распределенных многоточечных датчиков.
Построение распределенных датчиков нескольких параметров может быть осуществлено на основе оптических волокон с применением различных технологий, основанных на анализе спектра обратного рассеяния зондирующего оптического сигнала. При этом длина оптического кабеля составляет от нескольких километров до десятков Анализ параметров спектра осуществляется по мощности сигналов на различных частотах излучения. Анализируемый отраженный в волокне сигнал может основан на различных явлениях - бриллюэновское рассеяние, раманавское излучение, отражение на волоконных брэгговских решетках. В работах различных авторов исследуются возможности и преимущества указанных методов и пути повышения точности и информативности измерений [1-8].
Повышения уровня отраженных сигналов может способствовать упрощению схемы измерения и регистрации, обработки сигнала, снижению влияния шума, повышению качества полезного сигнала.
Для увеличения полезности и применимости распределенных датчиком одними из основных характеристик являются суммарная длина, на которой могут проводиться измерения с достаточной точностью, а также возможности локализации измерения параметров по длине датчика, т. е. степень детализации измерений.
II. Постановка задачи
Для повышения эксплуатационных характеристик измерительных систем для контроля протяженных объектов предлагается построение системы на основе оптического волокна с использованием акустооптическо-го преобразователя, формирующего звуковую волну вдоль ости волокна и контроля отраженного оптического сигнала с помощью измерительной схемы.
III. Теория
Измерительные системы на основе анализа отраженного в волокне оптического сигнала строятся на основе нескольких принципов. Одним из способов получения информации о состоянии участка волокна является
анализ изменения длины волны Брэгга, отраженной от решетки встроенной в волокно при помощи ультрафиолетового излучения. При облучении в волокне формируются области с изменением показателя преломления. На периодической решетке при направлении по волокну пучка света формируется сигнал, распространяющийся в обратном направлении с пиком на частоте, определяемой по формуле [9]:
Ав = 2 пЛ, (1)
где Хв - центральная длина волны отраженного света; п - усредненный показатель преломления; Л - период неоднородностей.
Изменение центральной длины волны зависит от температурного расширения волокна и механических деформаций и напряжений в волокне.
ДЯвс = 2поЛ ([1 - (|) (р12 - у(рп + р12})]) £ + [а + АТ (2)
где АТ - изменение температуры; е - приложенное механическое напряжение; р,у - коэффициенты упругоопти-ческого тензора; V - коэффициент Пуассона; а - коэффициент теплового расширения.
В настоящий момент находят применения волоконные брэгговские решетки с апериодическим изменением показателя преломления [10]. При этом отраженный от решетки сигнал представляет собой определенный спектр, анализируя параметры которого, можно определить изменения параметров температуры и деформации независимо друг от друга, тогда как при использовании периодической решетки необходима компенсация влияния одного из параметров при обработке сигнала. На рисунке 1 показаны спектры отражения периодической и апериодической решеток.
я,%
Л. нм
а) б)
Рис. 1. Спектры отраженного от решеток сигнала для а) периодической и б) апериодической
При изменении параметров происходит смещение спектра отраженного сигнала в сторону уменьшения или увеличения длины волны, для случаев апериодических решетом изменяется форма сигнала, при этом производится анализ таких параметров, как полная ширина на уровне половины амплитуды (FWHM). В исследованиях многих авторов показаны зависимости изменений от внешних параметров (температура, механическое напряжение).
Другим способом измерения параметров участка волокна является анализ рефлектрограмм блиллюэнов-ского рассеяния [11]. При этом по времени прихода отраженного сигнала определяется расстояние до анализируемой точки, а по мощности изменению мощности сигнала во времени характер изменений параметров объекта. На рис. 2 показан пример диаграммы разностей рефлектограмм во временном интервале. Воздействие на объект происходило в точке наибольших изменений.
Отраженный сигнал формируется при прохождении светового излучения в волокне, при этом образуется акустическая волна. Отражение света на границе неоднородности показателя преломления, образуемого акустической волной, формирующейся при прохождении оптического излучения вдоль волокна, осуществляется со смещением длины волны от исходной в силу эффекта Доплера. Смещение длины волны зависит, в том числе, от механических напряжений (относительного удлинения е) в волокне, так как от них зависит длина акустической волны. Это свойство используется при анализе отраженного сигнала.
Мощность отраженного сигнала при бриллюэновском рассеянии относительно небольшая, и для выделения полезной информации необходимо включение в схему приборов дополнительных элементов, улучшающих качество зондирующего сигнала - сужение частотного диапазона излучения, и фильтрующих обратный сигнал от шумов и наложенных излучений (фильтры, усилители).
Для снижения недостатков существующих методов измерения параметров участков протяженного волокна предлагается с помощью дополнительного источника акустических колебаний запускать в волокно импульс излучения, мощность которого будет существенно выше, чем от оптического сигнала, распространяющегося в волокне. Соответственно мощность отражённого оптического сигнала увеличивается, что позволяет проводить измерения параметров обратного излучения с большей точностью и более простой схемой обработки.
Акустическая волна, формируемая в волокне излучателем, может иметь различную частоту и форму сигнала, определяемую электрическим сигналом, подаваемым на возбудитель колебаний. Аналогично волоконным брэгговским решеткам при постоянной частоте колебаний отраженный сигнал будет представлять из себя график нормального распределения с пиком в одной точке (центральная длина волны), в отличие от «стационарных» решеток центральная длина волны будет смещена из-за эффекта Доплера. В случае апериодический акустических колебаний - отраженный свет будет иметь форму расширенного спектра, форма которого зависит от параметров состояния участка волокна.
Измерение параметров также осуществляется на основе анализа изменений отраженного сигнала с течением времени. Производится сравнение значений рефлектограмм, выделяются области изменений и изменение мощности оптического излучения в этих точках. По изменению мощности излучения на основе сформированной зависимости измеряемого параметра от изменения мощности отраженного сигнала вычисляются абсолютные значения измеряемых параметров.
III. Измерительная система Структурная схема предлагаемого прибора изображена на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема: 1 - источник лазерного излучения; 2 - фильтр оптического излучения; 3 - разветвитель излучения; 4 - источник ультразвуковых волн; 5 - фильтр принимаемого оптического излучения; 6 - фотодатчик; 7 - анализатор излучения; 8 - контроллер; 9 - оптическое волокно
Принцип работы рассматриваемого прибора заключается в следующем. Оптическое излучение, формируемое лазерном 1, проходит через фильтр 2 для сужения диапазона частоты светового потока. Излучение через разветвитель 3 подается в оптическое волокно 9. С помощью пъезоизлучателя, установленного на волокне, формируется звуковая волна специальной формы, которая распространяется вдоль волокна, в конце волокна
установлен демпфер для исключения возникновения отраженной волны. Оптический сигнал, направляемый в волокно, отражается на решетке, формируемой звуковой волной, и попадает обратно в разветвитель 3, далее направляется на оптический фильтр 5 для выделения света необходимого частотного диапазона, необходимого для анализа параметров участков волокна. Параметры оптического сигнала регистрируются фотодатчиком 6, электрической сигнал с которого передается на анализатор 7. Данные с анализатора в цифровом виде передаются на контроллер 8, который производит вычисления параметров рефлектограмм с коррекцией по времени, а также управляет формой и типом звуковой волны направляемой генератором 4, и оптическими фильтрами 2 и 5. В контроллере производится сравнение параметров отраженного излучения и их изменение во времени, на основе модели волокна производится анализ изменений и вычисление физических параметров (температура, механическое напряжение, деформации, колебания).
Процесс взаимодействия акустической и световой волн внутри волокна представляет собой коллинеар-ную дифракцию света на ультразвуке. Различают низкочастотную и высокочастотную коллинеарную дифракцию. При низкочастотной дифракции дифрагированный свет распространяется в том же направлении, что и падающий, при высокочастотной свет отражается на звуковой волне в обратном направлении.
Частота, при которой возникает отражение света, должна соответствовать условию
(3)
где F - частота звука, п - показатель преломления, V - скорость звука в среде (волокне), X - длина волны света.
Значение длины волны звука для образования отражения световой волны в общем соответствует периоду брэгговской решетки (2). При этом длина волны отраженного света будет отличатся от резонансной длины волны брэгговской решетки из-за эффекта Доплера от движущейся звуковой волны.
Векторная диаграмма взаимодействия световой и звуковой волны представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Векторная диаграмма звуковой и световых волн: К - вектор звуковой волны; Ы и kd - векторы световой волны прямой и дефрагированной
Интенсивность дефрагированного луча определяется как [12]
/-Р.;») = |и.(а.;»)|М2 ........................ (4)
где
К0.;») =-2-
где А - параметр Рамана-Ната, пропорциональный амплитуде акустической волны; - падения света в плоскости рассеяния; ц - вектор фазовой расстройки, I - длина взаимодействия волн; и(0.;») - пространственный спектр падающего излучения.
Интенсивность отраженного света, пришедшего на фотоприемник, падает с расстоянием измерения в связи с потерями в волокне. Коэффициент затухания:
«=Х|) (5)
Затухание сигнала в оптическом волокне зависит от свойств материала волокна и длины волны проходящего светового излучения (рис. 5) и учитывается при калибровке измерительной системы. Измеренный фотоприемником сигнал ранжируется по степени затухания в зависимости от расстояния до точки измерения, которая определяется временем поступления сигнала. При этом учитывается соотношение мощности направленного и отраженного света.
ttn- дБ/км
о 800 1000 1200 1400 1600 Я. нм Рис. 5. Затухание в кварцевом оптическом волокне
Скорость распространения акустической волны в оптическом волокне составляет порядка 5-6 км/с. В соответствии с этим определяется возможная частота измерений в зависимости от длины измерительного волокна.
Для выполнения измерений непосредственно на объекте требуется проведение предварительной калибровки системы с ненагруженным оптическим волокном, для определения параметров отражения и спектра отраженного сигнала в начальном состоянии. После монтажа волокна на измеряемый объект возможно определение предварительных параметров воздействия, т. е. изменение формы отраженного сигнала в результате деформаций и изменения температуры после установки на объекте.
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Преимуществом предложенной схемы является возможность перестроения формы акустической волны, запускаемой в оптическое волокно, что позволяет менять параметры работы и измерений прибора, что невозможно при стационарных брэгговских решетках. Также данный способ не требует предварительной обработки волокна для создания решеток, при котором участки волокна очищаются от оболочки с последующим восстановлением покрытия. По сравнению с рассеянием увеличивается мощность отраженного сигнала.
Список литературы
1. Michal Wydra, Piotr Kisala, Damian Harasim, Piotr Kacejko. Overhead Transmission Line Sag Estimation Using a Simple Optomechanical System with Chirped Fiber Bragg Gratings // Sensors. 2018. DOI: 10.3390/s18010309.
2. Urakseev M. A., Vazhdaev K. V., Sagadeev A. R. Optoelectronic Devices with Diffraction of Light on a Phase Grating // FarEastCon-2018. Р. 1-6. DOI:10.1109/fareastcon.2018.8602548.
3. Urakseev, M. A. Vazhdaev K. V., Sagadeev A. R. Microcontroller Information-Measuring Systems on Bragg Gratings // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, 2019. Р. 1-5. DOI: 10.1109/ICIEAM.2019.8742929.
4. Guo-ming Ma, Ya-bo Li, Nai-qiang Mao, Cheng Shi, Bo Zhang and Cheng-rong Li. A Fiber Bragg Grating-Based Dynamic Tension Detection System for Overhead Transmission Line Galloping // Sensors. 2018. No. 18 (2) : 365. DOI: 10.3390/s18020365.
5. Zychowicz, Lukasz & Klimek, Jacek & Kisala. Methods of producing apodized fiber bragg gratings and examples of their applications // Informatics Control Measurement in Economy and Environment Protection. 2018. No. 8. Р. 60-63. 10.5604/01.3001.0011.6005.
6. Yoany Rodriguez Garcia, Jesus M. Corres, Javier Goicoechea. Vibration Detection Using Optical Fiber Se n-sors // Journal of Sensors. 2010. Vol. 2010. Article ID 936487. Р. 12.
7. Roberta Cardoso Chaves, Ilda Abe, Manoel José Diogo dos Santos. Strain and temperature measurements in power systems with multiplexed fiber optics bragg grating sensors // Journal of Microwaves and Optoelectronics. 2000. Vol. 2, no. 1. Р. 54.
8. Ricardo M. Silva, Marta S. Ferreira, José L. Santos, Orlando frazâo. Nanostrain Measurement Using Chirped Bragg Grating Fabry-Perot Interferometer // Photonic Sensors. 2012. Vol. 2, no. 1. Р. 77-80.
9. Othonos A.; Kalli K. Fiber Bragg Gratings // Artech House: Norwood, MA, 1999. DOI: 10.1117/12.786383.
10. Tosi, Daniele. Review of Chirped Fiber Bragg Grating (CFBG) Fiber-Optic Sensors and Their Applications // Sensors. 2018. Vol. 18 (7). 2147. DOI:10.3390/s18072147.
11. Пат. 2516346 Российская Федерация, МПК G 01 D 5/353. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики объекта / Трещиков В. Н., Нестеров Е. Т., Наний О. Е. № 2012153403/28; заявл. 11.12.2012; опубл. 20.05.2014. Бюл. №14.
12. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. И.: Радио и связь, 1985. 280 с.
