Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обоснование принципов и технических путей построения быстродействующих систем измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 10
1.1. Анализ существующих методов измерения деформации и температуры 10
1.2. Классификация и сравнительный анализ волоконно-оптических датчиков для измерения деформации и температуры 23
1.3. Исследование основных характеристик волоконно-оптических брэгговских датчиков для измерения деформации
и температуры 33
1.4. Анализ существующих методов построения волоконно-оптических систем измерения деформации и температуры на основе брэгговских датчиков 58
ГЛАВА 2. Разработка метода и обоснование функциональной схемы быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 69
2.1. Обоснование структурной схемы быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 69
2.2. Математическая модель быстродействующей системы измерения деформации и температуры 74
2.3. Методика расчета быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 84
2.4. Разработка методики исследований метрологических характеристик быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэг-говских датчиков 99
2.5. Анализ алгоритма обработки сигналов от брэгговских датчиков 104
2.6. Методика получения независимых оценок деформации и температуры 108
ГЛАВА 3. Разработка и исследование макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 118
3.1. Разработка макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры 118
3.2. Лабораторные испытания макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры 124
3.3. Результаты экспериментальных измерений деформации деталей с помощью макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры 147
Выводы 170
Литература 173
- Классификация и сравнительный анализ волоконно-оптических датчиков для измерения деформации и температуры
- Обоснование структурной схемы быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
- Разработка методики исследований метрологических характеристик быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэг-говских датчиков
- Лабораторные испытания макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры
Введение к работе
Актуальность работы
За последнее десятилетие отмечается стремительное развитие производственной и социальной инфраструктуры. В связи с этим всё чаще возникает задача контроля параметров таких инфраструктурных объектов и сооружений, как мосты, тоннели, трубопроводы, гражданские и промышленные здания различного назначения. Одними из основных параметров таких объектов, подлежащих измерению, являются механическая деформация и температура. Своевременное обнаружение достижения указанными параметрами критических значений позволяет предотвратить возникновение аварийных ситуаций или катастроф.
Для решения указанной задачи применяют различные датчики. До недавнего времени основным типом датчиков для измерения механической деформации и температуры были тензодатчики, пьезодатчики, терморезисторы и др. Однако благодаря интенсивному развитию волоконной оптики были разработаны и получают всё большее распространение волоконно-оптические датчики, обладающие рядом преимуществ по сравнению с тензодатчиками: более высокой чувствительностью, помехозащищенностью и устойчивостью к воздействиям агрессивных сред, а также меньшей стоимостью. Среди волоконно- оптических датчиков перспективными являются квазираспределённые волоконно-оптические датчики на основе брэгговских решёток (далее - брэгговские датчики), позволяющие контролировать состояние объекта во многих точках одновременно благодаря возможности спектрального и временного мультиплексирования.
Разработка методов измерения деформации и температуры с использованием волоконно-оптических датчиков и работы по созданию систем измерения на их основе ведутся во многих научных организациях и научно - производственных компаниях как в России, так и за рубежом. Стоит отметить основополагающие работы А. Керсея в США и Б. Кулшоу в Великобритании, М. Дигонне в Стенфордском университете. В России данной тематике посвящены работы О.И. Медведкова и С.А. Васильева в НЦВО РАН, Ю.Н. Кульчина в ДВО РАН, группы микроволновой плазмохимии для фотоники ИРЭ РАН, лаборатории волоконной оптики Института автоматики и телеметрии СО РАН, лаборатории ФГУП «ВНИИОФИ» под руководством С.В. Тихомирова. Измерительные системы на основе брэгговских датчиков успешно реализованы компаниями "SmartFibers", "OceanOptics", отечественными компаниями «Оптолекс», «СибСенсор», «Мониторинг-Центр», «Телеком-прибор».
Серийно выпускаемые измерительные системы, предназначенные для опроса брэгговских датчиков, обладают одним весьма существенным недостатком - низким быстродействием, обусловленным существующими методами получения информации о состоянии брэгговских датчиков с использованием перестраиваемых по длине волны элементов. Указанный недостаток не позволяет использовать эти системы для контроля быстропротекающих процессов. В то же время задача мониторинга таких процессов становится всё более актуальной вследствие возрастающей значимости непрерывного контроля параметров объектов инфраструктуры. В современных условиях часто возникает задача контроля деформаций, изменяющихся с частотами до 5 кГц. Прежде всего, это область авиастроения, в которой необходимо проводить контроль корпусных элементов летательных аппаратов, подверженных длительным высокочастотным нагружениям и климатическим воздействиям. Широкое применение волоконно-оптических датчиков обусловлено активным внедрением в сферу авиастроения композиционных материалов, обладающих высокой коррозионной стойкостью, прочностью, малой массой. Однако композиционные материалы подвержены многим видам повреждений: появлению трещин, нарушению структуры, расслоению и т. д. Всё это может стать причиной аварийно-опасных ситуаций и катастроф. Усугубляет ситуацию также сложность своевременного выявления этих повреждений. Поэтому разработка метода высокоскоростного получения информации от брэгговских датчиков деформации и температуры без использования перестраиваемых элементов, который позволит создать быстродействующую систему измерения деформации и температуры объектов и сооружений, является актуальной и перспективной научно-технической задачей.
Цель работы и задачи исследований
Цель диссертационной работы заключалась в разработке и исследовании метода получения информации от брэгговских датчиков деформации и температуры, позволяющего создать быстродействующую систему мониторинга элементов конструкций различных объектов инфраструктуры.
Указанная цель достигнута в результате решения в диссертации следующих
задач:
разработки метода высокоскоростного получения информации от брэгговских датчиков деформации и температуры;
синтеза математической модели системы измерения деформации и температуры с целью проведения анализа процесса преобразования сигналов;
разработки метода калибровки по шкале длин волн системы измерения деформации и температуры;
создания методики исследований метрологических характеристик системы измерения, а также методики расчета ее основных параметров;
разработки методики получения независимых оценок деформации и температуры, основанный на применении многорешётчатых брэгговских датчиков;
создания макета системы измерения деформации и температуры, реализующего разработанный метод получения информации от брэгговских датчиков деформации и температуры;
проведения лабораторных испытаний созданного макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры с целью проверки основных теоретических положений и расчетных соотношений.
Объектом исследования является быстродействующая система измерения деформации и температуры объектов и сооружений на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.
Предметом исследования является метод высокоскоростного получения информации от брэгговских датчиков деформации и температуры. Методы исследований
При решении теоретических и прикладных задач были использованы: теория линейных систем, метод волновых функций Блоха, методы теории вероятностей и математической статистики, методы математического моделирования.
Научная новизна исследований
В процессе проведения исследований были получены новые научные результаты теоретического и прикладного характера:
разработан метод высокоскоростного получения информации от брэгговских датчиков деформации и температуры, позволяющий создать быстродействующую систему измерения с минимальным интервалом между двумя последовательными измерениями 0,2 10- с;
разработана структурно-функциональная схема быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе брэгговских датчиков и создана её математическая модель, описывающая процесс преобразования сигналов;
разработан метод калибровки системы измерения деформации и
температуры, позволяющий достичь минимальной погрешности измерений
длины волны излучения, отражённого от брэгговских датчиков, порядка 110- м;
предложена методика получения независимых оценок деформации и температуры на основе многорешётчатых брэгговских датчиков, позволяющая реализовать одновременное измерение деформации и температуры;
результаты лабораторных испытаний созданного макета быстродействующей системы измерения, подтвердившие полученные в работе теоретические положения и расчетные соотношения.
Положения, выносимые на защиту
метод регистрации спектра излучения, отраженного от брэгговских датчиков, с использованием широкополосного источника излучения позволяет, отказавшись от применения перестраиваемых по длине волны элементов, реализовать быстродействующую систему измерения деформации и температуры с минимальным интервалом между двумя последовательными измерениями 0,210-3 с;
метод калибровки системы измерения деформации и температуры, основанный на применении брэгговской решётки и волоконно-оптического
интерферометра Фабри-Перо, позволяет достичь погрешности измерений длины
волны излучения, отражённого от брэгговских датчиков, не хуже 110- м, что
-э
позволяет получать оценки деформации с погрешностью не хуже
110-3 % и
оценки температуры с погрешностью не хуже 1 С.
методика получения независимых оценок деформации и температуры, основанная на применении многорешётчатых брэгговских датчиков, состоящих из двух брэгговских решеток и одной длиннопериодной решётки с разными передаточными характеристиками по деформации и температуре, позволяет проводить измерения деформации и температуры одновременно.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в использовании полученных результатов для повышения технических и метрологических характеристик систем измерения деформации и температуры на основе брэгговских датчиков. Разработанный метод получения информации о состоянии брэгговских датчиков деформации и температуры позволяет создать систему мониторинга быстропротекающих процессов.
Предложенная методика расчёта системы измерения деформации и температуры, а также методика исследований метрологических характеристик системы измерения может быть использована при расчёте точностных и технических характеристик таких систем.
Разработанная методика получения независимых оценок деформации и температуры на основе многорешётчатых брэгговских датчиков позволяет создать систему измерений для высокоточного контроля деформации различных инфраструктурных объектов, находящихся в жестких климатических условиях с резко изменяющимся температурным фоном.
Предложенный метод калибровки системы измерения деформации и температуры с помощью встроенного калибратора на основе интерферометра Фабри-Перо и брэгговской решётки может быть использован для уменьшения погрешности систем измерения деформации и температуры.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты диссертации внедрены на предприятиях: ФГУП «ВНИИОФИ», ОАО «НИИграфит», ОАО «НИАТ». Материалы диссертации использованы в учебном процессе кафедры лазерных и оптико-электронных систем МГТУ им. Н.Э. Баумана в лабораторных работах по дисциплине «Интегральная и волоконная оптика».
Реализация результатов работы подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях и семинарах:
на научно-технической конференции «Радиооптические технологии в приборостроении» (г. Туапсе) в 2007 г.;
на 5-й Межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО, г. Санкт-Петербург) в 2008 г.;
на конференции «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» (ФГУП «ВНИИОФИ», г. Москва) в 2008 г.;
на Всероссийской конференции по волоконной оптике (г. Пермь) в 2009 г.;
на международной конференции «International OSA Network of Students - IONS-8 Moscow» (г. Москва) в 2010 г.;
на международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Геленджик) в 2011 г.;
на международном симпозиуме «Optics and its applications» (Ереванский государственный университет, Армения) в 2011 г.;
на международной конференции «International OSA Network of Students: North America Conference IONS-NA-3» (Стенфордский университет, США) в 2011 г.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в центральных научно-технических журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ. На разработанные способы и устройства для измерения деформации и температуры на основе брэгговских датчиков получены 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы, включающего 107 наименований. Общий объем работы - 185 страниц машинописного текста, включая 73 рисунка и 43 таблицы.
Классификация и сравнительный анализ волоконно-оптических датчиков для измерения деформации и температуры
В предыдущем параграфе рассмотрены существующие методы измерения деформации и температуры и показано, что традиционные (неволоконные) датчики способны измерять широкий класс механических физических и химических параметров [21] (см. Таблицу 10). В целях мониторинга различных объектов инфраструктуры особенно важно измерять механическую деформацию и температуру в режиме реального времени в определенных участках конструкции. Такой мониторинг позволяет проводить своевремен 24 ный контроль состояния объектов, а также принимать комплекс мер при воз никновении аварийных или предаварийных ситуаций.
Химические Проницаемость хлоридов, сульфатов, степень карбонизации, уровень кислотности, степень окисления арматуры и стали, степень гниения древесины
Мониторинг представленных параметров возможен на двух уровнях: мониторинг состояния материала и мониторинг состояния конструкции. В случае мониторинга состояния материала датчики монтируются внутрь исследуемого образца. Такой мониторинг характерен, прежде всего, для композиционных материалов. В случае мониторинга конструкции датчики устанавливаются на определенные элементы и фиксируют изменение их параметров.
Необходимо отметить достоинства волоконно-оптических датчиков, во многом обусловленные соответствующими свойствами самого оптического волокна [21]:
малые потери (минимальные 0,154 дБ/км); малый (около 125 мкм) диаметр; малая (приблизительно 30 г/км) масса; эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм); механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг); отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех); безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети); взрывобезопасность; высокая электроизоляционная прочность; высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде. В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Полезными являются и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять различные параметры: давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.
Классификацию волоконно-оптических датчиков, как правило, проводят по степени распределённости, то есть по степени протяженности чувствительной зоны датчика. Выделяют точечные датчики, которые проводят измерения в одной точке, датчики с удлиненной базой, у которых чувствительная зона представляет конечную протяженную область, и распределённые датчики, чувствительным элементом которых является само оптическое волокно на всем своём протяжении. Далее в каждой группе выделяют датчики в зависимости от физического принципа. Классификация схематически представлена на рис. 1.6 [22].
Датчик состоит из пары одномодовых оптических волокон, установленных в конструкцию, состояние которой надо контролировать. Одно из волокон, называемое измерительным, находится в непосредственном контакте с конструкцией (с преднатяжением закреплены концы волокна), второе, называемое опорным, помещено свободно в ту же трубку. Все деформации конструкции приводят к изменению оптической разности хода между этими двумя волокнами. Для измерений используется двойной интерферометр Майкельсона со сканирующим зеркалом. Первый интерферометр образован двумя волокнами, а второй содержится в измерительном модуле и посредством сканирующего зеркала может задавать известную разность между двумя плечами.
Вследствие пониженной когерентности источника (используется светоизлу-чающий диод на длине волны 1,3 мкм) интерференционная картина детектируется только когда второй интерферометр точно компенсирует разность хода между измеряемым и опорным волокном.
Основным недостатком описанной системы является уменьшение точности измерений с уменьшением длины базы датчика, что препятствует использованию датчика для задач измерений деформации в локальных областях.
Датчик на основе интерферометра Фабри-Перо представляет собой тонкую кварцевую трубку, в которую вставлены два сколотых отрезка волокна, которые устанавливаются с воздушным промежутком порядка 10 мкм. Излучение, проходящее по волокну, отражается от границы стекло-воздух и воздух стекло, что вызывает появление обратно отраженного интерференционного сигнала. Измерения этого сигнала позволяют вычислить ширину воздушного промежутка между волокнами, которая в свою очередь связана с величиной деформации конструкции. Схематически устройство датчика показано на рис. 1.8 [21].
Обоснование структурной схемы быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
Проведенный в разделе 1.4 анализ существующих методов построения систем измерения деформации и температуры показал, что наиболее перспективным вариантом с точки зрения потенциального быстродействия является схемное решение на основе метода одновременной регистрации полного спектра излучения, отраженного от брэгговских датчиков. Данное решение предполагает использование широкополосного источника (суперлюминесцентного диода), излучение которого подаётся на набор брэгговских датчиков. Отражённое излучение попадает на дифракционную решётку, которая раскладывает падающее излучение в пространственный спектр. Спектр фиксируется линейкой фотодиодов, после чего следует оцифровка и дальнейшая обработка сигналов. Обработанные сигналы ЭВМ выводит на экран в удобном для оператора виде. Таким образом, основными компонентами измерительной системы, разрабатываемой по данному варианту являются:
1) брэгговские датчики различного назначения;
2) Суперлюминесцентный диод;
3) Дифракционная решётка;
4) Многоэлементное фотоприёмное устройство.
Описываемая схема обладает целым рядом преимуществ, среди которых стоит выделить потенциально высокое быстродействие, высокую точность и стабильность работы в сочетании с компактностью. Структурная схема такой системы измерения представлена на рис. 2.1 [55].
В представленной схеме излучение широкополосного источника – суперлюминесцентного диода проходит через оптический изолятор, препятствующий обратному отражению, и попадает на оптический разветвитель А, который отводит 10% мощности в калибратор, а 90% – в оптический разветви-тель Б. Излучение, прошедшее через разветвитель Б, попадает на брэгговские датчики, отражается от них, вновь проходит разветвитель Б и попадает на оптический переключатель. Сюда же попадает излучение, прошедшее калибратор. Оптический переключатель находится преимущественно в режиме подключения к ветви оптического разветвителя Б, но с некоторой периодичностью подключает калибратор для осуществления процедуры калибровки блока регистрации по шкале длин волн.
В литературе можно встретить множество вариантов построения калибратора [103-105]. Например, в [56] предложен оригинальный способ калибровки с помощью модуляции суперлюминесцентного диода. Однако такой способ требует наличия специально изготовленного суперлюминесцентного диода, что в рамках серийно выпускаемых систем мониторинга нежелательно, поэтому можно предложить следующую структуру калибратора (см. Рисунок 2.2) [60].
Излучение, поступающее на вход калибратора, проходит через оптический разветвитель ОР 1, который 50% мощности отводит в оптический раз-ветвитель ОР 2, а остальное излучение отводит в интерферометр Фабри-Перо. Излучение, прошедшее оптический разветвитель ОР2 отражается от брэгговской решетки, проходит оптический разветвитель ОР 2 и суммируется с излучением, вышедшим из интерферометра Фабри-Перо, с помощью оптического разветвителя ОР 3. Таким образом, на выходе калибратора наблюдается сумма сигналов, прошедших интерферометра Фабри-Перо и сигнала, отраженного от брэгговской решётки [61]. По взаимному расположению этих сигналов на шкале длин волн можно провести калибровку всей системы.
Представленная на рис. 2.1 структурная схема реализует одноканальный режим работы. Проведем оценку количества датчиков, которые можно разместить в таком случае.
Для этого в начале необходимо оценить максимальный сдвиг спектра одного брэгговского датчика под воздействием температуры и деформации. Положим, что деформация изменяется в пределах от до , а темпе ратура в пределах от до , при этом будем считать, что датчики в одном канале пребывают в одинаковых условиях по воздействию температу 72 ры. Тогда комбинируя выражения (1.27) и (1.29) с учетом (1.28) получим значение сдвига длины волны для одного датчика:
Выражение для оценки максимального количества количество датчиков, которое можно разместить в одном канале, примет следующий вид: где - ширина спектра источника излучения. Проведем оценку количе ства датчиков, задавшись типовыми характеристиками материала волоконного световода и диапазоном работы системы измерения: значение брэгговской длины волны при нормальных условиях в отсутствие деформации: = 1 550 нм; эффективный показатель преломления: =1,4682; коэффициенты Поккельса в тензоре оптических напряжений: 0,113, =0,252; коэффициент Пуассона: v = 0,16; температурный ко эффициент линейного расширения: =0,55 10-6; термооптический коэффи циент: =8,610-6; диапазон измерений деформации: =-0,001; =0,001; диапазон измерений температуры: =-40 С; = 150 С; ширина спектра источника излучения: =40 нм. Подсчитаем константу деформации, согласно выражению (1.28) она будет равна: 0,2087. Тогда получим значение сдвига длины волны для одного датчика, равное: 5,14 нм. Общее число датчиков в одном канале: N = 7. Таким образом, в одном измерительном канале можно разместить небольшое количество датчиков. При выборе более широкополосного источника число размещаемых датчиков может достигать 15 на один измерительный канал. В этой связи для увеличения количества размещаемых датчиков применяют специальные оптические переключатели, которые последовательно подключают к системе измерения каналы. При первоначальном анализе указанных устройств было выявлено, что лучшие зарубежные образцы переключателей, построенные на основе МЭМС-технологий, обеспечивают каче 73 ственное переключение только первые 10 млрд раз (например, продукция компании Sercalo). Тогда общее время опроса всех датчиков в системе будет определяться выражением: где – время переключения оптического переключателя, – частота опроса одного канала, – количество измерительных каналов. Рисунок 2.3 поясня ет ход расчетов применительно к 4-канальной системе измереия.
Разработка методики исследований метрологических характеристик быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэг-говских датчиков
При разработке измерительных систем помимо параметров быстродействия, динамического диапазона, рабочего спектрального диапазона большое внимание стоит уделить точностным параметрам измерительной системы, так как основная функция разрабатываемой системы – проведение измерений температуры и деформации. Измеряемые параметры, как было отмечено выше, связаны соотношениями (1.27) и (1.29) с длиной волны отраженного излучения, а сама система измеряет сдвиг брэгговской длины волны. Поэтому основным нормируемым параметром в нашем случае будет длина волны. Для определения погрешностей по нормируемому параметру на основе методик и нормативных документов, разработанных в ФГУП «ВНИИОФИ» при участии автора, создана методика исследований погрешности системы измерения по шкале длин волн.
Точностные характеристики системы измерения определяются неис-ключённой систематической погрешностью и случайной погрешностью.
Оценка неисключённой систематической погрешности быстродействующей системы измерения температуры и деформации проводится на основании экспериментальных данных исследований системы, анализа погрешностей метода измерения и погрешностей от действия влияющих величин.
Оценка случайной погрешности быстродействующей системы измерения температуры и деформации проводится на основании экспериментальных данных, полученных при исследовании системы, и на основе анализа влияющих величин. При этом случайная погрешность характеризуется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений S с указанием числа независимых наблюдений.
Граница неисключённой систематической погрешности системы измерения при числе слагаемых неисключённых систематических погрешностях N 4вычисляется по формуле [80]: где - граница i-й составляющей неисключенной систематической погрешности системы измерения; K - коэффициент зависимости неисключенных систематических погрешностей от выбранной доверительной вероятности при их равномерном распределении. При доверительной вероятности 0,99 K = 1,4.
Среднее квадратическое отклонение результата прямых измерений с многократными наблюдениями S выражается формулой [80]: , (2.53) где Si - среднее квадратическое отклонение результата наблюдений, вычисляемое по формуле [80]: где X, n - число наблюдений; Xi - результат i-го наблюдения; X результат измерений, вычисленный как среднее арифметическое результатов наблюдений.
Рассмотрим составляющие неисключённой систематической погрешности измерений длины волны применительно к разрабатываемой системе измерения температуры и деформации. Основными источниками погрешности являются:
- погрешность системы калибровки ;
- погрешность вследствие температурного смещения и дефокусировки ;
- погрешность алгоритма определения максимума в спектре отраженного излучения ;
- погрешность дискретизации сигналов в АЦП.
Рассмотри эти составляющие более подробно.
Погрешность системы калибровки зависит от её конкретной схемной реализации. В разработанной функциональной схеме системы измерения температуры и деформации в качестве калибратора используется эталонная брэгговская решётка и интерферометр Фабри-Перо. Под действием температуры будет изменяться база интерферометра и будет происходить сдвиг брэг-говской решётки согласно выражению (1.12), однако за счет разных зависимостей от температуры указанный сдвиг будет происходить у каждого элемента по-разному, таким образом можно пересчитать шкалу длин волн при изменении температуры [37]: где – длина базы интерферометра Фабри-Перо, – температурный коэф фициент линейного расширения материала интерферометра, – разность температур.
Однако от температуры будет также зависеть и ширина спектральной линии интерферометра, что и будет приводить к погрешности по шкале длин волн: где R – коэффициент отражения.
Для оценки погрешности вследствие температурного смещения и дефокусировки проанализируем, каким образом влияет температура на положение спектральных линий. Здесь можно различить следующие механизмы воздействия:
1) изменение размеров прибора в результате температурного расширения;
2) изменение фокусных расстояний вследствие температурного изменения радиусов кривизны, а также и вследствие температурного изменения показа теля преломления;
3) изменение углов дифракции как результат изменения постоянной решетки;
4) изменение углов дифракции и из-за температурного изменения рефракции воздуха.
Лабораторные испытания макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры
При анализе функциональной схемы системы измерения деформации и температуры в разделе 2.2 выделены два составных звена системы измерения деформации и температуры: система измерения и набор волоконно-оптических брэгговских датчиков. Поэтому целесообразно разделить лабораторные испытания созданного макета системы измерения на две части: лабораторные испытания системы измерения и калибровка датчиков деформации.
При этом система измерения построена на основе метода одновременной регистрации полного спектра и представляет собой полихроматор. Таким образом, основным измеряемым параметром системы является длина волны отраженного от датчика излучения. Далее в ЭВМ происходит пересчёт длин волн в деформацию и температуру с учетом его передаточной характеристики, задаваемой выражением (1.14).
Проведенный анализ функциональной схемы системы измерения деформации и температуры позволяет выделить ряд её основных характеристик, подлежащих исследованиям:
- рабочий спектральный диапазон;
- абсолютная погрешность измерений длины волны;
- динамический диапазон системы измерения;
- относительная погрешность измерений уровня средней мощности;
- быстродействие системы измерения;
В соответствии с вышеизложенным была разработана программа лабораторных испытаний созданного макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэггов-ских датчиков, представленная в табл. 18.
Внешний вид экспериментального стенда представлен на рис. 3.5. Испытуемая система 5 при помощи разветвителя оптического одномодового 4 через аттенюатор 3 посредством кабеля оптического одномодового 2 подключается к перестраиваемому лазеру 1 из состава ГСЭ. Одновременно половина мощности отводится с помощью разветвителя 4 в ИДВ из состава ГСЭ 6.
При изменении длины волны перестраиваемого лазера 1 от 1510 нм до 1610 нм, отмечается появление/исчезновение сигнала на дисплее ЭВМ, подключённой к системе 5, и фиксируются значения длин волн, на которых это произошло, то есть находят рабочий спектральный диапазон р.
Результаты лабораторных испытаний по определению рабочего спектрального диапазона представлены в таблице 19.
Определение абсолютной погрешности измерений длины волны проводится на той же установке с помощью перестраиваемого лазера из состава ГСЭ последовательно на каждой рабочей длине волны (X) из следующего набора: Х1 = 1528,00 нм, Х2 = 1535,00 нм, Х3 = 1545,00 нм, Х4 = 1555,00 нм, 5 = 1565,00 нм - путём сравнения показания, отображенного на дисплее ЭВМ, подключённой к системе 5, со значением, зарегистрированным ИДВ из состава ГСЭ. При включении лазера 1 на дисплее ЭВМ, подключённой к системе 5, появляется спектр излучения в виде узкого пика. В меню прибора 5 устанавливается время интегрирования не менее 20 мс (см. Рисунок 3.6).
Для оценки погрешности измерений созданного макета необходимо, как уже отмечалось, провести исследования полихроматора. При этом необходимо провести исследования точностных параметров не только по шкале длин волн, но и по шкале мощности, так как алгоритм обработки сигналов, предложенный во второй главе, учитывает уровень мощности при поиске максимума в спектре излучения, отраженного от брэгговской решётки.
Для исследования точностных параметров по шкале мощности необходимо провести исследования диапазона измерений уровня средней мощности и относительной погрешности измерений уровня средней мощности.
Для определения диапазона измерений уровня средней мощности при участии автора был создан экспериментальный стенд, структурная схема которого представлена на рис. 3.7. Он содержит перестраиваемый лазер из состава ГСЭ, ИДВ из состава ГСЭ и измеритель оптической мощности из состава РЭСМ-В.
Внешний вид стенда представлен на рис. 3.8. Анализатор 6 при помощи двух разветвителей 2 и 5 через аттенюатор 3 соединяется с перестраиваемым лазером 1 из состава ГСЭ. Измерение уровня средней мощности лазера 1 (излучающего на длине волны 1550 нм) производится одновременно с помощью исследуемой системы измерения 6 и с помощью измерителя оптической мощности из состава РЭСМ-В 7, подключённого через разветвитель 5. С помощью аттенюатора 3 выставляется уровень средней мощности оптического излучения на входе в исследуемую систему измерения 6 в окрестности значения 510-3 Вт или +7 дБм (здесь и далее (дБм) обозначает (дБ) относительно 1 мВт), проводится измерение длины волны с помощью исследуемой системы измерения 6 и ИДВ из состава ГСЭ 4.
