Устройство опроса сенсоров на основе волоконных брэгговских решеток

Внедрение: 2016 г.

Одними из самых современных технологий контроля температуры, а также геометрических параметров объектов, являются волоконные сенсорные системы. В качестве датчиков в волоконных сенсорных системах применяются волоконные брэгговские решетки (ВБР), которые представляет собой периодическую модуляцию показателя преломления сердцевины оптоволокна.

В научной статье [1] ученых из Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН приводится описание разработанного устройства опроса волоконных сенсоров на базе волоконного лазера с самосканированием частоты с применением АЦП E20‑10.

В устройстве опроса был реализован иттербиевый волоконный лазер с накачкой в оболочку, работающий в режиме самосканирования частоты (рисунок 1).

При рабочих параметрах лазера (температура лазерного диода T2=25 ºС, температура активного световода T1=35 ºС, мощность накачки 2,6 Вт) были получены следующие выходные характеристики лазера: область сканирования 1057–1076 нм, скорость сканирования ~0,8 нм/с, время одного сканирования ~20 с, выходная мощность ~55 мВт, частота следования одночастотных импульсов ~45 кГц, длительность импульсов ~2,7 мкс. Таким образом, пиковая мощность составляет более 400 мВт.

Рисунок 1. Схема волоконного иттербиевого лазера с пассивным сканированием частоты.

Функциональная схема устройства опроса представлена на рисунке 2.

Оптический сигнал от источника с самосканированием частоты проходит через ответвитель 20/80, и 20 % мощности подается в оптический канал, содержащий реперную ВБР и сенсорную линию; 80 % мощности излучения также делится вторым ответвителем 50/50. Далее часть излучения проходит через волоконный интерферометр Маха-Цендера с областью свободной дисперсии ~600 МГц и через спектрально-селективный фильтр 1045/1095 нм. Спектрально-селективный фильтр дополнительно вносит амплитудную модуляцию с целью определения момента скачка длины волны. Третья часть излучения проходит без каких-либо изменений и служит опорным сигналом.

Сигнал, отраженный от сенсорной линии и прошедший через интерферометр, и опорный сигнал регистрируются тремя быстрыми InGaAs фотодетекторами (полоса ~1 ГГц). Далее сигналы с фотодетекторов оцифровываются 10 МГц АЦП (E20‑10, L‑Card) и поступают в режиме реального времени на персональный компьютер через интерфейс USB 2,0. Программа обработки, функционирующая в режиме реального времени, была реализована на языке Lab‑View. На первом этапе обработки в сигнале опорного канала осуществлялся поиск положений импульсов. Далее выполнялось поимпульсное деление каналов с интерферометром и ВБР-сенсорами на опорный канал. Таким образом, после этой процедуры каждая точка в нормированных сигналах соответствует одной оптической частоте. С помощью интерферометра, фильтра и реперной ВБР (длина волны отражения 1066 нм) восстанавливалась временная динамика длины волн. После этого восстанавливался спектр отражения сенсорной линии.

Рисунок 2. Схема устройства опроса на базе волоконного лазера с самосканированием частоты.

Для апробации устройства опроса была реализована сенсорная линия из шести ВБР (1060 нм, 1062 нм, 1064 нм, 1068 нм, 1072 нм, 1074 нм) на длины волн, попадающих в область сканирования лазера и не совпадающих с длиной волны реперной ВБР. Характерный спектр отражения сенсорной линии представлен на рисунке 3, а. Для демонстрации воспроизведения данных на рисунке наложено четыре реализации. Также на рисунке 3, б приведен измеренный спектр отражения реперной ВБР.

Для апробации устройства опроса один ВБР-датчик с длиной волны отражения вблизи 1074 нм был помещен в термостат, который позволяет нагревать волокно до 90 °С. Нагрев приводил к смещению спектра длины волны отражения датчика в длинноволновую область спектра. Было проведено сравнение полученной температурной зависимости датчика с аналогичной зависимостью, полученной с помощью анализатора оптических спектров (AQ6370 Yakogawa) (рисунок 4). Полученные результаты показывают, что измерения, сделанные с помощью устройства опроса и коммерческого спектроанализатора, полностью согласуются между собой.

Рисунок 3. Спектры отражения сенсорной линии (а) и реперной ВБР (б), измеренные с помощью разработанного устройства опроса.

Рисунок 4. Сравнение измерений длин волны отражения точечного датчика, произведенных с помощью разработанного устройства опроса и анализатора оптических спектров при разных температурах ВБР-датчика.

Точность определения длины волны отражения датчиков оценена как ~2 пм, что сравнимо с имеющимися коммерческими аналогами. При этом спектральное разрешение реализованного устройства опроса на порядки превосходит аналоги. Относительно большая пиковая мощность излучения позволяет использовать устройство в многоканальном режиме, т.е. для одновременного опроса множества сенсорных линий.

Также авторы отмечают, что некоторые характеристики предлагаемого устройства опроса уступают аналогам и намечают пути совершенствования устройства.

Источник:
Ткаченко А.Ю., Лобач И.А. Устройство опроса волоконных сенсоров на базе волоконного лазера с самосканированием частоты // Прикладная фотоника. – Пермь. – 2016. – Т. 3, № 1. – С. 37‑49.

Разработчик: Ткаченко А.Ю., Лобач И.А. (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН)