Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния конструкций. Способ включает организацию рефлектометрической оптической схемы. Генерируют последовательность импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения. Вводят указанное излучение посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно. Перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения. Строят рефлектограмму. О величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения. Используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов. Организуют опорный канал, в качестве которого используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения. Помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно измеряют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения. Технический результат - упрощение технологии измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния ответственных конструкций (трубопроводов, мостов, эстакад, плотин и т.д.), в частности для предупреждения аварийных ситуаций, связанных с движением грунта и опор сооружений.

Известны и широко применяются для контроля конструкций и сооружений тензорезистивные датчики деформаций (Макаров Р.А., Ренский Л.Б. и др. Тензометрия в машиностроении. Москва, Машиностроение, 1975, с. 15-16). Однако они осуществляют точечные измерения, и для получения распределения деформаций по объекту требуется осуществить монтаж и обеспечить считывание информации с множества отдельных датчиков. Для протяженных объектов, например магистральных трубопроводов значительной протяженности, указанное известное техническое решение оказывается практически не пригодным.

Известны также технические решения, основанные на использовании брэгговских волоконно-оптических решеток (например, патент RU 2522679, 2014) для измерения деформаций. Имея некоторые преимущества перед электрическими датчиками, в частности электрическую пассивность, проблему контроля состояния протяженных объектов они также не решают.

Известно техническое решение на основе волоконной оптики (Способ определения деформаций), раскрытое в источнике информации (SU 1534304, 1988), в котором распределение механических деформаций удлинения оптического волокна предполагалось измерять по частотному сдвигу мандельштам-бриллюэновского рассеяния (МБР) света. Позднее такого рода устройства стали называть бриллюэновскими рефлектометрами. Имеется множество вариантов реализации указанного способа. В качестве примера можно назвать техническое решение, описанное в источнике информации (патент RU 02444001, 2012).

Бриллюэновские рефлектометры позволяют измерять распределение деформаций на длинах в десятки километров с пространственным разрешением порядка 1 м.

Однако подобные устройства оказались сложными в реализации и крайне дорогостоящими, поскольку требуют либо применения особо стабильных перестраиваемых лазеров с узкой шириной спектра, либо использования СВЧ техники, типично работающей на частотах 10-11 ГГц, а также соответствующих оптических модуляторов и поляризационных скрэмблеров. Кроме того, пространственное разрешение ограничивается шириной спектра МБР, который для С-диапазона длин волн (1530-1565 нм) составляет 20-30 МГц.

Одной из проблем применения бриллюэновских рефлектометров является зависимость частотного сдвига МБР не только от деформации волокна, но и его температуры, что не позволяет однозначно судить о величине измеряемой деформации.

Задачей предлагаемого технического решения является получение технического результата, выражающегося в упрощении технологии измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна с дополнительной возможностью разделения деформационного и температурного воздействий при необходимости.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна, заключающемся в организации рефлектометрической оптической схемы, генерировании последовательности импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения, вводе указанного излучения посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении излучения и построении рефлектограммы, перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения, причем о величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения.

Способствует достижению технического результата то, что используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов,

а также то, что организуют опорный канал, причем в качестве опорного канала используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения.

Помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно измеряют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.

Таким образом, предлагается простой в реализации способ измерения распределения продольных механических деформаций по длине оптического волокна.

Предлагаемый способ основан на установленном авторами экспериментальном эффекте уменьшения интенсивности комбинационного (рамановского) рассеяния излучения при деформации удлинения оптического волокна. Так, при удлинении участка одномодового волокна Fujikura Future-Guide-LWP на 1 процент интенсивность рассеянного этим участком излучения падает приблизительно на 1,6 процента. При этом интенсивность рассеяния излучения последующими участками за деформированным участком волокна не изменяется.

Фиг. 1 и Фиг. 2 иллюстрируют используемый в настоящем изобретении эффект.

На Фиг. 1 приведен участок рефлектограммы с 160 по 248 м для недеформированного волокна. Пространственное разрешение рефлектометра составляло 1 м, длина волны зондирующего излучения 1550 нм. Регистрировалась стоксова компонента рамановского рассеяния излучения.

На Фиг. 2 приведена аналогичная рефлектограмма, полученная в результате деформации участка волокна длиной 3 м с 234 по 237 м. Величина относительной деформации при этом составляла 0,01. Видно локализованное на тех же координатах уменьшение интенсивности рассеянного излучения. Оценка шумов рефлектограммы показывает возможность регистрации относительных деформаций на уровне 10-4.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием рефлектометров любого известного типа, как с временным (OTDR), так и частотным (FDR) способом разделения каналов дальности. В частности, устройством, обеспечивающим реализацию способа, может служить описанное в известном патенте устройство (RU 2583060, 10.05.2016). Для реализации способа пригодны известные устройства на основе рамановских рефлектометров, используемые для распределенного измерения температуры.

Практическое применение способа позволяет в ряде случаев заменить дорогостоящие бриллюэновское рефлектометры и анализаторы.

Для повышения метрологических характеристик целесообразно обеспечить, чтобы оптическое волокно (чувствительный волоконный световод) имело участки длиной не менее пространственного разрешения, заведомо не испытывающие механической деформации растяжения, с известными координатами по длине указанного волокна, например, свернутые в бухту. Такие участки могут служить реперами для уточнения величины деформации на остальных (чувствительных) участках оптического волокна.

Использование конфигурации рамановского рефлектометра (например, RU 2583060) позволяет, помимо измерения деформаций, строить независимо температурное распределение по длине оптического волокна.

Способ реализуют следующим образом:

- организуют рефлектометрическую оптическую схему посредством направленного ответвителя/делителя или циркулятора;

- обычно используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов;

- генерируют последовательность импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения;

- вводят указанное излучение посредством рефлектометрической схемы в оптическое (чувствительное) волокно;

- осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения;

- производят фотоприем рассеянного назад излучения;

- строят рефлектограмму, т.е. зависимость интенсивности рассеянного в обратном направлении излучения от длины оптического волокна;

- может быть организован опорный канал, причем в качестве опорного канала обычно используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния света;

- определяют величину продольной деформации участков оптического волокна по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения;

- помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно вычисляют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.

Использование изобретения позволяет простыми техническими средствами осуществлять решение задачи мониторинга протяженных объектов. Отличительной особенностью способа является отсутствие принципиальных ограничений на пространственное разрешение по длине оптического волокна.

Использование предлагаемого способа особенно целесообразно для обнаружения локальных аномалий, которые обычно и возникают в предаварийных ситуациях. Для их обнаружения следует производить сравнение текущей рефлектограммы с эталонной с целью выявления вновь возникших локальных деформаций.

1. Способ измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна, заключающийся в организации рефлектометрической оптической схемы, генерировании последовательности импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения, вводе указанного излучения посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении излучения и построении рефлектограммы, отличающийся тем, что перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения, причем о величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что организуют опорный канал.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве опорного канала используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно вычисляют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.



 

Похожие патенты:

Комплексная система текущего контроля для обеспечения безопасности в подземных угольных шахтах с использованием выполненных на основе решетки волоконно-оптических датчиков, содержащая надземную часть и подземную часть.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры для выработанного пространства действующего забоя при добыче угля в угольной шахте.

Устройство относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения места несанкционированного подключения нагрузки к линии электрической передачи.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры при помощи оптического волокна. Заявлено устройство (100) температурной калибровки оптоволоконного температурного датчика, предназначенное для оборудования оптического волокна (10) оптоволоконного температурного датчика.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры расплава. Устройство для измерения температуры расплава, в частности расплавленного металла, содержащее оптическое волокно и направляющую трубку, имеющее погружной конец и второй конец, противоположный погружному концу.

Изобретение относится к области термометрии и может применяться для решения широкого круга задач в нефтяной и газовой промышленности. Располагают чувствительное оптическое волокно в тепловом контакте с объектом, организуют рефлектометрическую измерительную схему, содержащую оптический путь обратно рассеянного излучения, Подключают оптический путь обратно рассеянного излучения через оптический фильтр, выполненный с возможностью селекции обратно рассеянного антистоксова рамановского сигнала, к фотоприемнику.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии. Способ включает в себя выделение реального сигнала, обусловленного электронным фототоком из измеряемой суперпозиции реального (электронного) и «дырочного» сигналов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля температуры компонентов электронного модуля, использующего в качестве коммуникационной среды оптическое излучение, например может быть использовано в составе высокоскоростных оптических каналов микросхем.

Техническое решение относится к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель и как минимум один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого размещен в изделии на глубине Н, равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности.

Группа изобретений относится к области оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его первому варианту и второму вариантам содержат, как минимум, два последовательно сформированных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговских решеток с участком измерительного волоконно-оптического световода между ними, не занятым брэгговской решеткой, равным по длине, как минимум, одному ее периоду. Кроме того, устройство содержит, например, как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, выполненных на основе брэгговской решетки с фазовым π-сдвигом; интерферометра Фабри-Перо, построенного с использованием брэгговских решеток; брэгговских решеток, настроенных на одну рабочую длину волны; брэгговских решеток, настроенных на разные рабочие длины волн. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его второму варианту в отличие от его первого варианта содержит дополнительно введенный разветвитель, установленный за циркулятором в разрыв измерительного волоконно-оптического световода. К первому выходу разветвителя последовательно подключены первый отрезок и второй конец измерительного волоконно-оптического световода, а ко второму выходу разветвителя - второй отрезок измерительного волоконно-оптического световода, предназначенные для размещения в изделии, при этом на втором конце измерительного волоконно-оптического световода, предназначенного для размещения в изделии, сформирован, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки. Технический результат – повышение диапазона непрерывного измерения величины износа без существенного усложнения устройства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры и натяжения оптического волокна. Предложено устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе рассеяния Бриллюэна, содержащее по меньшей мере один лазерный источник (1) света, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения, оптическое волокно (5), в которое вводят лазерное излучение и из которого выводят генерированный на основе рассеяния Бриллюэна бриллюэновский сигнал. Устройство также содержит датчики, детектирующие выведенные бриллюэновские сигналы, средства обработки данных, определяющие на основе детектированных бриллюэновских сигналов локальную температуру и/или натяжение, по меньшей мере, участков оптического волокна (5), по меньшей мере один оптический поляризационный разделитель (10, 11) пучка, разделяющий выведенные бриллюэновские сигналы на две компоненты (12, 13) с отличающейся поляризацией, по меньшей мере один оптический объединитель (16, 17), добавляющий лазерное излучение к бриллюэновскому сигналу. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния конструкций. Способ включает организацию рефлектометрической оптической схемы. Генерируют последовательность импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения. Вводят указанное излучение посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно. Перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения. Строят рефлектограмму. О величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения. Используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов. Организуют опорный канал, в качестве которого используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения. Помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно измеряют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения. Технический результат - упрощение технологии измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх