CC BY
57ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
РАСПРЕДЕЛЁННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОСНОВЕ СЛАБООТРАЖАЮЩИХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЁТОК
ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
*
Пнев А.Б. , Степанов К.В., Жирнов А.А., Чернуцкий А.О., Нестеров Е.Т.,
Карасик В.Е.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16009
Распределённые волоконно-оптические датчики регистрации вибрационных воздействий находят широкое применение в различных сферах мониторинга и контрольно-оповещательных системах [1-3]. Принцип работы таких систем заключается в регистрации обратного рэлеевского рассеяния зондирующего импульса от узкополосного источника излучения с длиной когерентности больше длительности импульса. Особенностью систем также можно считать низкую мощность приходящего на приёмник сигнала: для импульса длительностью 200 нс доля обратного рэлеевского рассеяния составит 10-6[4]. Для увеличения приходящего на приёмник полезного сигнала было предложено использование слабоотражающих брэгговских решёток. Технология таких решёток на сегодняшний день отработана и они могут наноситься на этапе вытяжки волокна с коэффициентом отражения 0,1% и меньше [5], что превосходит мощность обратного рэлеевского рассеяния на три порядка. В работе описано экспериментальное исследование чувствительности распределённой волоконно-оптической системы с использованием слабоотражающих брэгговских решёток в сравнении с системой на обратном рэлеевском рассеянии.
ИИ
а)
m
ОМ
Циркулятор
инпмнЛри
\ ом
/
V
Драйвер ОМ V
Z л
Г* «жпмцчрв /Т3*4^
■ ; U JSL ■
-- ПИ
" "v
ч
АЦП
BY
Циркулятор
/Ту! FC/APC I
___/ .' |_ __^ _J-J__1
2йы мавду решеткам» из Г1ЩЗО-1 керамическим , j ципиндгч Ё
-250м
~1000м
Драйвер
ОМ пи АЦП ВУ
б)
Рис. 1: (а) Схема эксперимента для регистрации сигнала обратного рассеяния; (б) Схема эксперимента для регистрации сигнала от слабоотражающих брэгговских решёток
Экспериментальная установка по определению чувствительности для системы с использованием слабоотражающих брэгговских решёток, схема которой представлена на рисунке 1(а) отличалась от системы на обратном рэлеевском рассеянии, рисунок 1(б), отсутствием предусилителя с последующим узкополосным фильтром, стоящих перед приёмником излучения. Их отсутствие вызвано тем, что мощность излучения от слабоотражающих решёток достаточна для регистрации приёмником без предварительного усиления. В качестве источника воздействия применялся пьезокерамический цилиндр, на который было намотано волокно длиной 25 м в случае обратного рэлеевского рассеяния, и идентичный цилиндр с 20 м волокна между слабоотражающими решётками.
28 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВ0-2019 Волоконно-оптические датчики
На пьезокерамический цилиндр генератором сигналов специальной формы АКИП-3409/5 подавался синусоидальный электрический импульс частотой 20 Гц напряжением по убыванию от 5 В до 10 мВ.
d4
02
5В зв ib о,5В о,2В од в 50мв здмв зомв гомв юмв
шшш
10
151
0 2 4 6 В 10 12 14 16 181, с
а)
Рис. 2: (а) Экспериментальная зависимость регистрируемого сигнала обратного рассеяния. Снизу: участок длительностью 0,5 с при мощности воздействия 5В; (б) Экспериментальная зависимость регистрируемого сигнала со слабоотражающихрешёток. Снизу:участок длительностью 0,5 с при
мощности воздействия 5 В
В ходе экспериментальных исследований были получены регистрируемые приёмником сигналы для двух типов схем, представленные на рисунке 2. В случае схемы регистрации обратного рэлеевского рассеяния был получен минимальный регистрируемый сигнал сигнал от пьезокерамического цилиндра при подаваемом напряжении 50 мВ. Отношение сигнал-шум отфильтрованного сигнала в полосе частот от 15 до 25 Гц, вычисленное по отношению СКО участка сигнала с воздействием к участку сигнала без воздействия в данном случае составило 2,72. Для системы с использованием слабоотражающих брэгговских решёток при напряжении 50 мВ при идентичной фильтрации составило 24,99, а минимально регистрируемый сигнал составил 5 мВ, при котором ОСШ 2,56.
Основными причинами, генерирующими шумы системы, являются механические колебания сенсора и нестабильность частоты лазерного источника, так как это две основных величины, определяющие фазу интерференционного сигнала.
Также стоит отметить, что при достаточно высоком подаваемом напряжении изменение фазы сигнала больше п. Так, для максимально выставленного напряжении в 5 В (рисунок 2(б)) для обоих схем происходит «перескок» фазы (phase wrapping). Однако для схемы с использованием брэгговских решёток это изменение происходит на одном уровне интенсивности, в то время как в рефлектометрической системе каждый переход через п может происходить на своём уровне и расстояние между ними не одинаково.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что распределённые волоконно-оптические датчики регистрации вибрационных воздействий на основе слабоотражающих брэгговских решёток имеют на порядок большую чувствительность, чем системы, использующие обратное рэлеевское рассеяние.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00688.
Литература
1. Нестеров Е.Т. и др. Т-Сотт-Телекоммуникации и Транспорт. 8, 25-28 (2014)
2. Цоколенко Д.В., СлепцовМА., Дюжиков В.И. Оптические технологии, материалы и системы. 86-88 (2016)
3. Zhirnov A.A. et al. 2016 International Conference Laser Optics (LO). R1-5-R1-5 (2016)
4. Листвин A.B. Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
5. Popov S.M. et al. 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium-Spring (PIERS). 1568-1573 (2017)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
