«ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРРШГА БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ...»

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Дышлюк, Антон Владимирович

Принципы создания оптоэлектронных

информационно­измерительных систем

мониторинга безопасности эксплуатации

техногенных объектов

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2007

Дышлюк, Антон Владимирович.

   Принципы создания оптоэлектронных информационно­измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов [Электронный ресурс] : дис. ... канд. физ.­мат. наук

 :

05.11.16. ­ Владивосток: РГБ, 2007. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Информационно­измерительные и управляющие системы (по отраслям) Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/07/0108/070108030.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Дышлюк, Антон Владимирович Принципы создания оптоэлектронных информационно­измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов Владивосток  Российская государственная библиотека, 2007 (электронный текст) 61:07-1/

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ДВНИ им. В.В. Куйбышева)

на правах рукописи

Дышлюк Антон Владимирович

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРРШГА БЕЗОПАСНОСТИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

СОДЕРЖАНИЕ

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МОДУЛЯЦИИ

АМПЛИТУДЫ ИЗЛУЧЕНИЯ, НАПРАВЛЯЕМОГО

ВОЛОКОННЫМИ СВЕТОВОДАМИ, НА ПОДВИЖНОЙ

ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ МОНИТОРРШГА АБСОЛЮТНОГО

УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

.,1 Особенности амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения на границе раздела сред 1.2 Особенности амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения в условиях полного внутреннего отражения света на границе раздела между 1.3 Особенности амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения свободноподвешенными

2 ПРИНЦИПЫ ДЕМОДУЛЯЦИИ И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ

СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛБНБ1Х ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА

ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ

ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА

0ПТР1ЧЕСК0Й ВРЕМЕННОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

2.1 Амплитудная модуляция лазерного излучения при отражении от 2.2 Спектральные характеристики зондирующих лазерных импульсов, генерируемых волоконно-оптическим временным рефлектометром, и особенности их амплитудной модуляции брэгговскими 2.3 Экспериментальное исследование рефлектометрического метода детектирования и мультиплексирования сигналов чувствительных элементов на основе брэгговских дифракционных решеток

3 АМПЛИТУДНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ БОЛЬШЕРАЗМЕРНЫХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ И

МОНИТОРИНГА ИХ ПОЛОС ОТЧУЖДЕНИЯ

3.1 Особенности амплитудной модуляции лазерных импульсов в 3.2 Принципы создания волоконно-оптических измерительных преобразователей пороговых перемещений для мониторинга 3.3 Принципы создания волоконно-оптических измерительных преобразователей усилий для мониторинга полосы отчуждения техногенных объектов ответственного назначения

ВВЕДЕНИЕ

Современная цивилизация характеризуется бурным развитием техногенных объектов: в больших количествах создаются все более и более сложные строительные сооружения, среди которых немало уникальных, широкопролетных, высотных конструкций. Для транспортировки нефте- и газопродуктов прокладываются тысячекилометровые высокопропускные трубопроводные линии. Сдаются в эксплуатацию технически сложные морские суда, летательные, в том числе, космические аппараты, структурные элементы которых постоянно подвержены агрессивному воздействию внешней среды. При этом широко используются новые материалы, физические свойства которых, в частности, прочностные характеристики недостаточно изучены с точки зрения долговременной стабильности под воздействием деформационных нагрузок [1], Большое количество создаваемых в настоящее время конструкций и сооружений являются объектами ответственного назначения, представляющими повышенную потенциальную опасность для человеческого сообщества или экологии [2-7], Среди таких объектов мосты, по которым одновременно перемещаются тысячи автомобилей, и конструктивные элементы которых с каждым годом все более изнашиваются и теряют несущую способность. Среди таких объектов плотины, которые на протяжении многих лет должны надежно удерживать десятки тысяч тон воды, иногда и в условиях нестабильной сейсмической обстановки. К потенциально опасным сооружениям следует также отнести высотные здания и башни различного назначения, морские нефтяные вышки, транспортные туннели, горнорудные шахты, нефте- и газопроводы, морские пирсы, причалы, самолеты, космические аппараты, корабли и др [5, 6]. Авария объекта ответственного назначения может повлечь человеческие жертвы, не говоря об экологическом ущербе и колоссальных экономических убытках. Вместе с тем развитие экономики, нромышленности, науки и социальной сферы приводит к увеличению нагрузки на техногенные объекты и сооружения, что способствует ускорению износа и снижению их общей эксплуатационной надежности и безопасности.

Поэтому одной из главных проблем современной измерительной техники является мониторинг технического состояния и безопасности эксплуатации техногенных объектов, обеспечивающий минимизацию вероятности или своевременное обнаружение аварийных ситуаций за счет сбора, анализа и обработки информации о распределениях механических напряжений, относительных перемещениях структурных элементов конструкций, угловом положении элементов, целостности внешней оболочки объекта, наличии и параметрах трещин, распределениях температур, влагосодержании, степени коррозии и др. [6]. Безопасность эксплуатации техногенных объектов определяется также и человеческим фактором, например, несанкционированные строительно-монтажные работы в зоне прокладки трубопровода могут стать причиной серьезной аварии [8, 9]. Поэтому не менее важным аспектом контроля эксплуатационной безопасности широкого круга объектов является мониторинг полос отчуждения, зон ограниченного доступа, и прочих охраняемых периметров.

Традиционно для мониторинга технического состояния и эксплуатационной безопасности техногенных объектов применяется визуальное обследование [10, 11]. Этот метод в настоящее время существует в различных модификациях, например, состояние крупномасштабных инженерных объектов может контролироваться с воздуха или с околоземной орбиты в случае осуществления спутникового мониторинга [9,12]. При этом для повышения эффективности визуального контроля часто принимаются дополнительные меры. Например, при осуществлении мониторинга целостности подземного трубопровода в структуру внешней оболочки трубы может помещаться химический реагент, который при соприкосновении с транспортируемым по трубе продуктом в случае аварии приобретает яркую окраску и проступает на поверхность грунта, тем самым, обнаруживая место произошедшей аварии [8].

Визуальный контроль или видео наблюдение в сочетании с ограждениями, предупреждающими знаками и т.п. также применяются при мониторинге полос отчуждения и иных охраняемых периметров инженерных объектов [13,14].

Развитием визуального подхода к мониторингу техногенных объектов являются оптические методы, например, метод контроля целостности газопроводных сетей, основанный на обнаружении утечек природного газа, метана или этана с помощью оптической системы зондирования атмосферы в инфракрасном диапазоне длин волн [15].

В целом для визуальных методов мониторинга техногенных объектов характерна недостаточная надежность, невозможность или сложность организации продолжительного контроля в режиме реального времени, высокая стоимость и трудоемкость особенно в случае мониторинга эксплуатационной безопасности крупномасштабных объектов, а, зачастую, и зависимость результатов исследования от субъективных факторов.

Традиционными инструментальными средствами контроля параметров технического состояния строительных объектов являются механические измерительные устройства, к которым относятся барабанно-шестеренчатый прогибомер, реечно-шестеренчатый индикатор, рычажный тензометр, отвесы, уровневые клинометры, линейки, различные щупы, измерительные иглы и т.п. [16, 18]. Механические измерительные устройства применяются главным образом для контроля линейных относительных, а также угловых абсолютных и относительных перемещений, для контроля целостности внешних оболочек и процессов трещинообразования. Они просты и дешевы, однако обладают низкой чувствительностью, не позволяют проводить дистанционные измерения, а также измерения в реальном масштабе времени.

В настоящее время распространенными высокотехнологичными подходами к дефектоскопии техногенных объектов являются радиографический метод и акустический метод в различных вариантах (ультразвуковой, акустической эмиссии, волновая акустическая диагностика и пр.) [16-20].

Радиографический метод дефектоскопии техногенных объектов основан на регистрации распределения интенсивности излучения (как правило рентгеновского диапазона длин волн), прошедшего сквозь исследуемый объект [20]. В результате такого исследования могут быть выявлены дефектные места материала, трещины, раковины, коррозионные норажения, механические напряжения элементов и др. При радиографической диагностике, например, строительных сооружений, следует учитывать, что в случае дефектоскопии неоднородных материалов (например, бетона и других композитных материалов) внутренние дефекты приходиться выявлять на фоне естественной неоднородной структуры материала [16]. В связи с этим в бетонных конструкциях удается выявить такие дефекты, которые в два - три раза превосходят размер крупного заполнителя. Дефекты бетона в виде трещин выявляются в том случае, если направление просвечивания не отклоняется от направления распространения трещин на угол более 5° [16].

При ультразвуковой диагностике объекта, например, трубопроводной линии, строительного сооружения, корпуса корабля или самолета в различных местах объекта размещают излучатель и приемник ультразвука и измеряют скорость распространения механического импульса в материале испытываемой конструкции.

Скорость распространения механической волны, зависит от микроструктуры материала [18], что позволяет на основе результатов измерений сделать выводы о наличии в материале образовавшихся в силу деформационных процессов трещин и пустот, а также газовых линз, посторонних включений и т.п.

Ультразвуковые измерительные преобразователи, используются также для измерения относительных перемещений структурных элементов техногенных объектов. Например, контроль целостности трубопроводов может осуществляться на основе регистрации поперечных смещений трубы с применением дистанциометрических ультразвуковых чувствительных элементов и отражательных мишеней, устанавливающихся в тех точках трубопровода, в которых амплитуда перемещений в случае аварийной ситуации максимальна [21]. Выходные сигналы датчиков через контроллер обмена информацией направляются на персональный компьютер, с помощью которого производится дальнейшая обработка и анализ результатов измерений.

Метод акустической эмиссии является пассивным подходом к обнаружению развивающихся дефектов посредством регистрации и анализа акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и роста трещин в контролируемых объектах [22-23]. Например, при диагностике трубопроводных линий дефекты, приводящие к утечкам, обнаруживаются на ранней стадии развития по акустической эмиссии дефектных участков нагруженных трубопроводов в виде распространяющихся по трубе ультразвуковых вибраций. Акустическая эмиссия, обусловленная такими дефектами, регистрируется высокочастотными датчиками вибрации даже на значительном расстоянии от источника эмиссии [23]. С помощью соответствующих регистрирующих приборов эти сигналы детектируются и визуализируются, на основе чего делается оценка технического состояния исследуемого объекта.

Волновая акустическая диагностика применяется, главным образом, для выявления нарушений целостности эксплуатируемых трубопроводных систем [24]. В рамках данного подхода контролируемый трубопровод рассматривается как цилиндрический волновод, заполненный жидкостью. Внутри трубопровода, на одном конце контролируемого участка, устанавливается изучающая фазированная антенна бегущей волны, на другом конце приемники, расположенные на внутренней поверхности трубы. В процессе эксплуатации трубопровода акустические приемники регистрируют время распространения звуковой волны и уровень приходящего сигнала, которые определяются параметрами контролируемого трубопровода. На основе этих данных делается вывод о техническом состоянии трубопровода. Антенна может работать и в эхо-режиме для обнаружения посторонних включений внутри трубопровода [24].

Общими недостатками радиографического и акустических методов мониторинга техногенных объектов являются, как правило, сложность и, зачастую, неоднозначность интерпретации результатов и высокая трудоемкость обследования, необходимость применения дорогостоящей аппаратуры для излучения, приема и обработки акустического или электромагнитного сигнала, а также сложность организации мониторинга крупномасштабных и протяженных объектов в реальном масштабе времени [18-20].

Во многих случаях для мониторинга деформаций, перемещений и механических напряжений в элементах техногенных объектов в режиме реального времени используются электрические измерительные устройства и чувствительные элементы (ЧЭ) [25-27]. Так, для измерения параметров напряженнодеформированного состояния конструкционных элементов применяются тензорезистивные чувствительные элементы, действие которых основано на эффекте изменения электрического сопротивления под воздействием механического напряжения [25, 26]. Конструктивно тензорезистор представляет решетку, изготовленную из проволоки или фольги (из константана, нихрома, различных сплавов на основе Ni, Mo, Pt), либо пластинку из полупроводника, например. Si. Тензорезисторы механически жестко соединяют с контролируемым элементом конструкции (например, приклеивают или приваривают), и регистрируют величину деформации элемента на основе измерения электрического сопротивления тензорезистора.

Данный метод позволяет с высокой точностью контролировать распределение деформационных полей на поверхностях и в объемах элементов обследуемых объектов. К недостаткам измерительных устройств этого типа относится подверженность влиянию электромагнитных помех и неконтролируемых фактов окружающей среды: температуре, давлению, влажности и, как следствие, недостаточная стабильность [27].

Другой распространенный подход к измерению параметров напряженнодеформированного состояния техногенных объектов состоит в применении пьезометрических датчиков деформации, действие которых основано на прямом пьезоэлектрическом эффекте [27-31]. Главным достоинством чувствительных элементов данного типа являются их высокий динамический диапазон и способность воспринимать механические колебания с частотой от десятков Гц до десятков МГц. Р1менно по этому пьезометрические преобразователи широко применяются для мониторинга состояния внешних оболочек летательных аппаратов [31]; также они используются для мониторинга эксплуатационной безопасности строительных сооружений [29, 30]. Основным недостатком чувствительных элементов данного типа является относительно высокая погрешность при регистрации квазистатических или медленноменяюнцихся параметров механических воздействий [28].

Для измерения параметров деформаций используются магнитоупругие (магнитострикционные) чувствительные элементы, действие которых основано на зависимости магнитных характеристик некоторых материалов (например, пермаллоя, инвара) от механических напряжений в них [25]. Рабочий элемент измерительного преобразователя — магнитопровод с измерительными обмотками укрепляют на контролируемой поверхности в направлении действующих усилий или деформаций. Изменение магнитной проницаемости материала магнитопровода, регистрируется за счет изменения индуктивности обмоток. Недостатком чувствительного элемента данного типа является относительная сложность конструкции и невысокая точность измерений [25].

Электроизмерительные устройства в настоящее время находят также широкое применение для мониторинга углового положения элементов техногенных объектов. Наиболее распространенными в этой области измерительными преобразователями являются электромеханические и жидкостные электроизмерительные датчики [32-34]. Электромеханические датчики угла наклона основаны на регистрации положения маятникового подвеса внутри корпуса чувствительного элемента на основе одного из известных физических явлений электромагнетизма, например, изменения индуктивности или электрической емкости [32,33].

Жидкостные электроизмерительные преобразователи угла наклона представляют собой емкости, частично заполненные жидкостью. По принципу работы датчики данного типа подразделяются на два подкласса - электролитические измерительные преобразователи и емкостные электроизмерительные преобразователи. Электролитические РШ используют проводящую жидкость, в которой размещаются положительный, отрицательный и общий электроды таким образом, чтобы в исходном угловом положении положительный и отрицательный электроды были в равной степени погружены в жидкость. При наклоне датчика поверхность жидкости изменяет свое положение по отношению к электродам, что приводит к возникновению разностного электрического сигнала, пропорционального углу наклона чувствительного элемента [34, 35].

в емкостных электроизмерительных преобразователях изменение пространственного положения поверхности жидкости по отношению к электродам приводит к изменению электрической емкости конденсатора, образуемого электродами, погруженными в жидкость, регистрация чего позволяет восстановить угол отклонения от вертикали [36].

Для электроизмерительных преобразователей угла наклона характерны высокая точность и динамический диапазон измерений, однако подверженность электромагнитным помехам значительно снижает данные показатели в условиях практического применения [37].

Для контроля процессов трещинообразования в элементах инженерных объектов находит применение метод электрической рефлектометрии. Например, при мониторинге целостности трубопроводных линий на основе данного метода регистрируется изменение сопротивления сигнальных проводов при намокании полиуретановой изоляции в случае разрыва трубопровода [38, 39]. Электрическая цепь образуется двумя проводами, расположенными в изоляционном слое, и стальной трубой. Для регистрации и локализации аварийного участка применяется электрический импульсный рефлектометр, принцип действия которого основан на излучении коротких электромагнитных импульсов и регистрации импульсов, отраженных от неоднородностей волнового сопротивлепия сигнального провода. Отражение появляется в тех местах, где волновое сопротивление цепи отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения, сжатия кабеля, в местах утечек, обрывов, короткого замыкания, на ответвлениях, на конце кабеля и т.д. Недостаток данного метода состоит в сложности измерительной методики и высокой стоимости применяемого оборудования.

Общим недостатком электрических датчиков и измерительных методов является подверженность электромагнитным помехам, что существенно затрудняет их практическое применение в задачах мониторинга техногенных объектов, особенно, в случае нахождения контролируемого объекта рядом с источником электромагнитных возмущений (линии электропередачи, мощные электрические машины и пр.) []. Кроме того, электрические измерительные устройства в высокой степени подвержены агрессивному воздействию внешней среды, что препятствует их долговременному использованию в реальных условиях. Другим недостатком измерительных и коммуникационных электрических элементов является их значительные массогабаритные показатели, которые не позволяют эффективно размещать на поверхности или встраивать электрические датчики в материал элемента контролируемого объекта [25].

Значительный прогресс в области волоконной оптики, в частности, совершенствование характеристик волоконных световодов и источников излучения, разработка и освоение массового производства элементной базы пассивных волоконно-оптических компонентов, успехи в области разработки волоконнооптических датчиков физических величин и информационно-измерительных систем на их основе привели к возникновению нового направления в области контроля безопасности эксплуатации техногенных объектов - оптоэлектронные и волоконно-оптические измерительные методы [37, 40-48]. Сейчас уже трудно указать такие параметры технического состояния инженерных сооружений, которые нельзя было бы эффективно зарегистрировать на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД) и измерительных систем. И хотя в научной и инженерной практике все еще присутствуют ограничивающие факторы (относительно высокая стоимость, необходимость квалифицированного технического обслуживания), сдерживающие повсеместное внедрение оптоэлектронных и волоконнооптических измерительных методов, данное направление с каждым годом привлекает все большее внимание специалистов в области технической диагностики и мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов [49-51].

Перспективность волоконно-оптических датчиков и измерительных систем для контроля безопасности эксплуатации строительных сооружений, летательных аппаратов, морских судов, трубопроводных линий и прочих техногенных объектов во многом объясняется принципиальными преимуществами элементной базы волоконной оптики перед традиционными электрическими и механическими устройствами: основной конструктивный элемент ВОД - волоконный световод (ВС) выполняется из химически инертного кварцевого стекла и способен продолжительное время работать в экстремальных условиях химически агрессивных сред, высокой радиации и температуры [49, 50]. Это обеспечивает долговечность волоконно-оптических датчиков и информационно-измерительных систем на их основе. Как показали недавно проведенные исследования, волоконно-оптические чувствительные элементы являются единственными из известных типов датчиков, применяемых для мониторинга состояния строительных сооружений, которые обеспечивают преодоление семилетнего порога живучести при эксплуатации в реальных условия [52]. Волоконно-оптические измерительные устройства обладают высокой чувствительностью к широкому классу физических величин, в частности, к различным параметрам электрических, магнитных, температурных, акустических и деформационных полей [42-49]. Волоконные измерительные элементы невосприимчивы к электромагнитным помехам. Они легко сопрягаются с высокоскоростными, помехозащищенными волоконно-оптическими линиями связи, что открывает возможность эффективных дистанционных измерений [53-58].

В силу минимальных массогабаритных показателей измерительные световоды могут быть «органически» встроены, например, в композитные материалы, обеспечивая возможность исследования распределения физических полей внутри структурных элементов техногенных объектов. Волоконные световоды тепло и морозоустойчивы, пожаро- и взрывобезопасны, обладают низким удельным весом {'^г/м), малым диаметром (125 jum - без защитной полимерной оболочки), высокой эластичностью (относительное удлинение до 5%, радиус изгиба до 3 мм) [40]. Их предел прочности на растяжение превышает таковой у стали [1]. Поэтому, размещение измерительных волокон на поверхности элементов технических объектов не сопровождается сколько-нибудь заметным изменением механических параметров объектов и не предполагает быстрого выхода из строя волоконных ЧЭ вследствие воздействия окружающей среды или деформационных нагрузок. На основе волоконно-оптических измерительных элементов могут создаваться мультиплексированные и распределенные измерительные системы [59-97], открывающие перспективы эффективного централизованного мониторинга крупномасштабных техногенных объектов. Поэтому уже сейчас более половины всех систем мониторинга состояния техногенных объектов создаются на основе средств и методов волоконной оптики [52].

Для мониторинга распределений механических напряжений в элементах техногенных объектов в настоящее время широко применяются интерферометрические методы, основанные на регистрации изменения фазы световой волны, распространяющейся по ВС [98-104].

Наиболее распространенными интерферометрическими измерительными преобразователями являются датчики на основе интерферометра Маха-Цендера.

Такой интерферометр представляет два световодных плеча, одно из которых опорное, а второе - сигнальное, подвергаемое измеряемому механическому воздействию [100]. Для интерферометрических измерений излучение из сигнального волокна сравнивается со световым пучком, прошедшим через изолированное от внешних воздействий опорное волокно. При этом осуществляется гомодинная или гетеродинная регистрация фазовой модуляции [105].

Оптическая схема интерферометра Майкельсона похожа на описанную выше с тем различием, что на концах обоих плеч интерферометра располагаются зеркала, при этом опорный и измерительный оптические сигналы после прохождения по соответствующим плечам в прямом и обратном направлениях сравниваются с друг другом на одном из входов волоконно-оптического разветвителя, сводящего вместе два световых пучка [37, 106].

Методы регистрации механического напряжения, использующие интерферометрические схемы Маха-Цендера и Майкельсона, имеют высокую чувствительность, но сложны в реализации, так как требуют наличия двух плеч, одно или оба из которых должны быть надежно изолированы от неконтролируемых внешних воздействий, что трудно реализуемо на практике. Поэтому двуплечевые схемы интерферометрической демодуляции фазового сдвига обладают высокой паразитной чувствительностью к вибрациям, изменению температуры при измерении механического напряжения, изменению механического напряжения при измерении температуры и др. [106].

Интерферометрическая схема регистрации механических напряжений в элементах техногенных объектов вовсе не обязательно должна быть основана на применении двух волоконных нлеч. Примером одноволоконного интерферометрического преобразователя механического напряжения является межмодовый интерферометр [107].

Одноволоконный межмодовый интерферометр, представляет собой единственный волоконный световод, работающий в многомодовом режиме. Изменения фазы каждой из мод по-разному зависят от внешнего механического воздействия, в результате имеет место перераспределение картины межмодовой интерференции, формирующейся на выходе ВС, регистрация чего и позволяет восстановить величину внешнего воздействия [107].

Преимущество схемы межмодового интерферометра при измерении параметров деформационных процессов состоит в том, что взаимодействующие моды распространяются в среде с одной и той же температурой, подвергаются одним и тем же воздействиям. Это обуславливает повышенную температурную стабильность измерительных преобразователей. Особый интерес к одноволоконным межмодовым интерферометрам обусловлен также и тем, что построение измерительного преобразователя на основе единственного многомодового волоконного световода позволяет в целом значительно упростить и удешевить интерферометрическую схему.

К недостаткам межмодовых интерферометров относится сложность обработки пространственно-неоднородной интерференционной спекл-картины, формирующейся на выходе из многомодового ВС, что требует применения специальных методов обработки выходного сигнала, например, корреляционного анализа [108]. Кроме того, схема межмодового интерферометра в настоящее время не достаточно отработана для применения в системах мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов.

Анализируя достоинства и недостатки интерферометрических методов измерения механических напряжений с точки зрения их применимости для мониторинга состояния инженерных объектов, отметим, что современная техника оптической интерферометрии позволяет фиксировать изменения фазы колебаний ~ 10' рад [106, 109]. Так как в волоконно-оптических измерительных преобразователях используются оптические сигналы с длиной волны норядка микрометра, открывается возможность регистрации ничтожно малых изменений длины ВС (единицы нанометров). Столь высокая точность является во многих случаях избыточной нри мониторинге экснлуатационной безопасности техногенных объектов. Интерферометрическим методам измерений свойственны крайне высокие требования по стабилизации и юстировке элементов оптической схемы, что не всегда легко реализуемо вне лабораторных условий. Кроме того выходной сигнал фазовых измерительных преобразователей, как правило, обладает выраженной нелинейностью, что требует донолнительных мер но его обработке и существенно удорожает и усложняет конечную измерительную систему [40,41,106].

В настоящее время для регистрации относительных неремещений и механических напряжений в элементах строительных сооружений, оболочках летательных аппаратов, кораблей и нрочих техногенных объектов широкое применение находят спектральные ВОД [49-52]. Датчики такого тина основаны на модуляции измеряемым параметром длины световой волны. Наиболее распространенными типами спектральных волоконно-оптических измерительных преобразователей являются ВОД на основе интерферометров Фабри-Перо и брэгговских дифракционных решеток ноказателя нреломления [52,110].

Оптическая схема интерферометра Фабри-Перо, представляющая собой два располагаемых параллельно друг другу и перпендикулярно нанравлению распространения излучения зеркала, весьма удобна для построения волоконноонтических измерительных преобразователей, так как конструкция ВС позволяет реализовать резонатор интерферометра непосредственно в виде одного или нескольких отрезков волоконного световода [40, 106]. Характерным примером волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо служит измерительный преобразователь относительных неремещений, рассмотренный в работе [110]. Данный ИП представляет собой резонатор Фабри-Перо, образуемый двумя полупрозрачными зеркалами, нанесенными на торцы многомодовых ВС, которые запаяны в капиллярную трубку (рис. 1, а). В результате многолучевой интерференции на выходе ВС формируется излучение с максимумами на длинах волн, определяемых длиной резонатора. Особенностью рассматриваемого чувствительного элемента является то, что выходной сигнал датчика детектируется с помощью интерферометра Физо, который представляет собой прямоугольный клин с толщиной несколько десятков микрон в средней части (рис. 1, б). При нормальном падении излучения, формируемого резонатором Фабри-Перо, на клин максимальный коэффициент пропускания света наблюдается в том месте, где толщина клина равна расстоянию между зеркалами резонатора. Положение максимума интенсивности прошедшего излучения регистрируется при помощи ПЗС-матрицы [ПО].

места соедниения длииа резонатора Фабри-Перо Рис.1: а - волоконно-оптический измерительный преобразователь механического напряжения на основе интерферометра Фабри-Перо, б - схема детектирования сигнала измерительного преобразователя.

К достоинствам данного подхода можно отнести высокую точность измерений, возможность регистрации динамических деформаций. Главными недостатками метода являются относительная сложность изготовления, настройки и разделения сигналов, обусловленных механическим напряжением и температурой, что существенно затрудняет применение такого измерительного преобразователя для построения систем мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов.

В настояш;ее время в области мониторинга состояния техногенных объектов значительно более распространены спектральные измерительные преобразователи на основе волоконно-оптических брэгговских дифракционных решеток (ВОБДР). Брэгговская дифракционная решетка представляет участок волоконного световода с гармонически (как правило) модулированным показателем преломления вдоль оптической оси световода [49-52]. Такая решетка обеспечивает связь вперед и назад распространяюш,ихся направляемых мод ВС на резонансной длине волны, что приводит к отражению узкой спектральной составляющей излучения, распространяющегося по волоконному световоду (рис. 2). При воздействии на световод с ВОБДР температуры, механического напряжения или другого физического эффекта, приводящего к изменению периода решетки или эффективного показателя преломления основной направляемой моды, происходит изменение длины волны отраженной компоненты, величина которого линейно зависит от интенсивности внешнего воздействия. Регистрация этого эффекта позволяет измерить внешнее воздействие с высокой точностью [49-52].

Рис. 2. Принцип действия чувствительного элемента на основе волоконнооптической брэгговской дифракционной решетки Для чувствительных элементов на основе брэгговских дифракционных решеток, также как и для датчиков, использующих интерферометр Фабри-Перо, существует проблема разделения вкладов механического напряжения и температуры в выходной сигнал измерительного преобразователя. Однако к настоящему времени предложено уже несколько эффективных подходов к решению данной проблемы для ЧЭ на основе ВОБДР [50, 51]. Первый из них основан на использовании дополнительной ВОБДР, изолированной от одного из физических эффектов, влияющих на измерительную брэгговскую решетку (как правило, от механического напряжения). Тогда оба измеряемых параметра могут быть однозначно определены на основе сравнения сигналов двух чувствительных элементов [50].

В рамках второго подхода две ВОБДР с различными характеристиками, подвергаются одним и тем же физическим воздействиям, однако, их резонансные длины волн изменяется неодинаково, что позволяет на основе решения системы двух уравнений с двумя неизвестными определить как температуру, так и механическое напряжение, воздействующее на обе ВОБДР [50, 51]. Различные параметры таких решеток могут быть обусловлены различными периодами модуляции показателя преломления или различным диаметром сердцевины световода на участках, где записаны дифракционные решетки [50, 51].

Датчики на основе ВОБДР обладают такими преимуществами, как простота оптической схемы чувствительного элемента, минимальные массогабаритные показатели, высокая точность измерений, помехоустойчивость по отношению к флуктуациям интенсивности оптического излучения, простота организации удаленных измерений, мультиплексирования и объединения большого количества чувствительных элементов в единую измерительную систему [49-52]. Поэтому волоконно-оптические измерительные преобразователи на основе брэгговских решеток показателя преломления в настоящее время занимают лидирующее положение в области волоконно-оптических методов измерений вообще, и в области мониторинга техногенных объектов в частности [50, 52].

Для измерения внешнего физического воздействия на ВОБДР необходимо детектировать сдвиг резонансной длины волны брэгговской решетки. В настоящее время существует значительное количество методов регистрации резонансной длины волны ВОБДР [49-50]. Наиболее простой подход состоит в измерении резонансной длины волны ВОБДР оптическим анализатором спектра в отраженном или пропущенном через брэгговскую дифракционную решетку свете. Для данного метода характерна высокая точность регистрации внешнего воздействия на ВОБДР и простота спектрального разделения сигналов при опросе мультиплексированных брэгговских дифракционных решеток, однако область его применения существенно ограничена в силу относительно высокой стоимости и недостаточного быстродействия используемого оборудования [50].

Значительно больший потенциал с точки зрения практического применения представляют методы детектирования выходных сигналов измерительных преобразователей на ВОБДР, основанные на применение спектрометра с ПЗС матрицей, перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, перестраиваемого акустооптического фильтра, перестраиваемого лазера, а также несимметричного интерферометра Маха-Цендера и интерферометра Майкельсона [50].

Метод регистрации резонансной длины волны ВОБДР на основе спектрометра с ПЗС матрицей использует свойство дифракционной решетки отражать оптическое излучение под разными углами в зависимости от длины волны [50]. В данной схеме детектирования последовательно записываемые брэгговские дифракционные решетки в нескольких волоконных линиях, облучаются с помощью волоконно-оптического разветвителя одним широкополосным источником излучения (рис. 3) Рис. 3 Детектирование сигналов чувствительных элементов на основе ВОБДР с помощью спектрометра с ПЗС матрицей: 1 - широкополосный источник излучения, 2 - разветвитель, 3 - ВОБДР, 4 - изогнутая дифракционная решетка, 5 ПЗС матрица.

Отражаемое от ВОБДР излучение из всех волоконных линий нанравляется на изогнутую дифракционную решетку 4, с номощью которой сигналы от каждой из брэгговских решеток 3 нанравляются на прямоугольную ПЗС-матрицу 5 так, чтобы обеспечить пространственное разделение сигналов ВОБДР с одной волоконной линии по одной оси матрицы, и пространственное разделение излучения из разных волоконных линий по ортогональной оси. Обработка выходного сигнала ПЗС матрицы позволяет извлечь информацию о резонансной длине волны (следовательно, о величине регистрируемого воздействия) каждой из ВОБДР на каждой из волоконных линий.

Демодуляция сигналов чувствительных элементов на ВОБДР на основе применения перестраиваемых фильтров (Фабри-Перо, акустооптический фильтр) или перестраиваемого лазера состоит в скапировании заданного спектрального диапазона полосой пропускания фильтра или спектром генерации перестраиваемого лазера с одновременной регистрацией максимумов отраженной оптической мощности на длинах волн, соответствующих резонансным длинам волн каждой из опрашиваемых ВОБДР [50, 51].

Методы детектирования выходных сигналов ВОД на ВОБДР на основе несимметричного интерферометра Маха-Цендера и интерферометра Майкельсона позволяют получить большую точность регистрации измеряемых параметров, однако отличаются повышенной сложностью оптической схемы и на сегодняшний день не достаточно отработаны для практического применения [50].

В целом для рассмотренных методов детектирования сигналов измерительных преобразователей на основе ВОБДР характерна относительно высокая стоимость конечной измерительной системы, что обусловлено сложностью построения, а также высокими требованиями по стабилизации и юстировке элементов оптических схем.

Значительно более простым и менее дорогостоящим подходом к проблеме детектирования выходных сигналов чувствительных элементов на основе ВОБДР является преобразование сдвига резонансной длины волны брэгговской дифракционной решетки в амплитудно-модулированный сигнал, который может быть зарегистрирован стандартным фотоприемным устройством. Примерами реализации такого преобразования являются методы на основе использования источника излучения с заданными спектральными свойствами, широкополосных источников излучения в сочетании со спектральными фильтрами с линейной передаточной характеристикой по отношению к длине волны, а также двух ВОБДР с идентичными спектральными свойствами [50, 51].

Метод детектирования сигналов ЧЭ на ВОБДР с помощью широкополосного источника с заданной формой спектра проиллюстрирован на рис. 4. ВОБДР облучается широкополосным излучением, при этом отражаемый решеткой оптический сигнал заводится на регистрирующий фотоприемник [51]. При условии, что спектр отражения дифракционной решетки приходится на склон распределения спектральной плотности мощности излучения источника, данный метод позволяет регистрировать резонансную длину волны ВОБДР путем измерения мощности отраженного от нее излучения.

Рис. 4 Демодуляция сдвига резонансной длины волны ВОБДР на основе применения источника излучения с заданными спектральными свойствами: 1 - источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 - волоконно-оптический разветвитель, 4 - распределение спектральной плотности мощности источника излучения, 5 - спектр отражения решетки.

Другим примером амплитудного метода опроса ВОД на основе ВОБДР является применение фильтрующего оптического элемента, формирующего в окрестности резонансной длины волны ВОБДР линейную зависимость плотности мощности облучающего решетку излучения от длины волны [50, 51] (рис. 5). В Э О случае внешнее физическое воздействие на дифракционную решетку также приводит к изменению мопдности отраженного от нее излучения, что регистрируется стандартным фотоприемником.

Рис. 5 Демодуляция сдвига резонансной длины волны ВОБДР на основе фильтрующего оптического элемента, формирующего в районе резонансной длины волны ВОБДР линейное изменение спектральной плотности мощности облучающего решетку излучения: 1 - источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 - волоконнооптический разветвитель, 4 - распределение спектральной плотности мощности источника излучения, 5 - спектр отражения решетки, 6 - оптический фильтр.

Амплитудный метод детектирования выходного сигнала измерительного преобразователя на основе ВОБДР может быть реализован при использовании двух ВОБДР с идентичными спектральными свойствами [50]. В таком случае одна из решеток изолируется от внешних воздействий и служит для формирования узкого провала в спектре излучения широкополосного источника, которое далее направляется на вторую ВОБДР, воспринимающую внешнее физическое воздействие (рис. 6). В отсутствие внешнего воздействия на измерительную брэгговскую решетку отражаемая ею оптическая мощность близка к нулю, однако, при смещении ее резонансной длины волны, происходит перекрытие спектра облучающего излучения и спектра отражения решетки, что приводит к соответствующему увеличению мощности отраженного света. В этом случае волоконно-оптический разветвитель, используемый для отвода излучения, отражаемого измерительной брэгговской дифракционной решеткой, располагается между двумя ВОБДР.

Рмс. б Демодуляция сдвига резонансной длины волны ВОБДР на основе двух брэгговских дифракционных решеток с идентичными спектральными свойствами: - источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 - волоконно-оптический разветвитель, 4 - распределение спектральной плотности мощности источника излучения, 5 - спектр отражения решетки.

Рассмотренные методы демодуляции выходного сигнала измерительных преобразователей на основе ВОБДР просты в реализации, обеспечивают измерение резонансной длины волны дифракционной решетки с приемлемой для многих практических применений точностью [49-51]. Однако их существенным недостатком является сложность мультиплексирования оптических сигналов нескольких брэгговских дифракционных решеток, записанных в одной волоконнооптической линии, что в случае применения ВОБДР для мониторинга крупномасштабных и протяженных объектов является критическим требованием.

Анализируя достоинства и недостатки разработанных к настоящему времени методов демодуляции выходных сигналов волоконно-оптических измерительных преобразователей на основе ВОБДР, следует констатировать, что они либо отличаются сложностью построения и, как следствие, высокой стоимостью либо не позволяют мультиплексировать сигналы брэгговских дифракционных решеток, записанных на одной волоконно-оптической линии. Поэтому на сегодняшний день существует потребность в простых и недорогостоящих методах демодуляции сигналов измерительных преобразователей на основе ВОБДР, обеспечивающих эффективное разделение сигналов мультиплексированных брэгговских решеток.

Данная проблема может быть решена путем адаптации имеющихся стандартных и отработанных методов регистрации и разделения оптических сигналов для опроса чувствительных элементов на основе ВОБДР. Примером такого метода является оптическая временная рефлектометрия (ОВР), которая в настоящее время находит широкое применение для диагностики протяженных волоконно-оптических линий связи [111-113]. Метод ОВР основан на зондировании исследуемой волоконно-оптической линии коротким лазерным импульсом, при этом регистрация рассеянного назад и отраженного от неоднородностей световода излучения позволяет извлечь информацию о распределении и характере неоднородностей в ВС [111, 112]. В рамках рефлектометрического подхода резонансная длина волны ВОБДР может быть измерена путем преобразования в амплитудно-модулированный сигнал, при этом мультиплексирование чувствительных элементов в единой волоконной линии естественно реализуется на основе временного разделения откликов чувствительных элементов на зондирующий импульс с применением стандартного волоконно-оптического временного рефлектометра (ВОВР).

Однако, процессы амплитудной модуляции коротких лазерных импульсов на волоконных структурах с периодически изменяющимся показателем преломления не сегодняшний день недостаточно исследован. Поэтому важной научной и практической задачей является исследовапие особенностей амплитудной модуляции коротких лазерных импульсов волоконно-оптическими брэгговскими дифракционными решетками для разработки рефлектометрического метода опроса и мультиплексирования измерительных преобразователей на основе ВОБДР, что требует решения комплексных задач по разработке физических принципов регистрации резонансной длины волны ВОБДР методом ОВР, исследованию зависимости энергии отражаемого брэгговской дифракционной решеткой короткого лазерного импульса от величины механического напряжения и температуры ВОБДР, выявлению оптимальных условий регистрации сдвига резонансной длины волны брэгговских решеток методом ОВР, а также параметров ВОБДР, оптимизирующих процесс измерения величины внешнего воздействия на брэгговскую решетку рефлектометрическим способом.

Не менее важной проблемой при контроле безопасности эксплуатации широкого круга техногенных объектов является мониторинг угловых перемещений [32-37]. Данная проблема особенно актуальна в строительстве поскольку безопасность эксплуатации таких сооружений, как мосты, высотные башни, тоннели, горнорудные шахты, морские нефтяные платформы, плотины, дамбы, подпорные стенки и пр. в значительной степени зависит от угла наклона их структурных элементов [33]. Для решения этой задачи на основе элементной и методологической базы волоконной оптики могут использоваться измерительные преобразователи на интерферометрах Саньяка и Майкельсона [37, 114, 115].

Благодаря простоте оптической схемы, высокой чувствительности и надежности интерферометр Саньяка (кольцевой интерферометр) уже нашел широкое применение в области измерения угловых перемеш;ений, в системах навигации, гироскопах и пр. [37, 114]. Интерферометр данного типа представляет собой волоконный световод, свернутый в петлю или намотанный на катушку, способную вращаться вокруг своей оси. В световод с двух концов вводится излучение при помощи стандартного источника света и разветвителя. При повороте или вращении катушки с некоторой угловой скоростью оптический путь луча, распространяющего в направлении вращения, увеличивается. Лучу, распространяющемуся во встречном направлении, потребуется меньшее время, чтобы достичь противоположного конца ВС. Измеряя разность фаз лучей в точке приема, можно определить угловую скорость вращения катушки и зарегистрировать ее угловые перемещения [114].

Несмотря на свои преимущества, кольцевой интерферометр требует точной настройки и применения относительно сложных схем выделения выходного сигнала из разности фаз интерферирующих мод [50]. Кроме того, он предназначен, главным образом, для измерения относительных угловых перемещений [37, 114].

Поэтому в случае использования для измерения абсолютного угла наклона структурных элементов строительных объектов погрешность измерений может накапливаться со временем, что заметно искажает результаты оценки состояния контролируемой конструкции.

Для измерения абсолютных угловых перемещений элементов строительных сооружений в работе [115] предлагается волоконно-оптический измерительный преобразователь на основе интерферометра Майкельсона. Данный ВОД представляет маятник с установленными на нем зеркалами, который помещается между двумя волоконными световодами, ориентированными навстречу друг другу. С помощью коллимирующих элементов свет, излучаемый ВС и отражаемый от зеркал, снова вводится в световоды и направляется к блоку обработки результатов измерений. При наклоне чувствительного элемента угловое положение маятника изменяется, и возникает разность оптических путей между световыми пучками, распространяющимися по разным плечам интерферометра, что регистрируется на выходе интерферометра. Достоинством рассматриваемого подхода является высокая точность измерений, что характерно для большинства фазовых волоконнооптических чувствительных элементов. Однако данный измерительный преобразователь требует надежной изоляции подводящих волоконных световодов от внешних воздействий, что не позволяет проводить удаленные измерения. Оптическая схема чувствительного элемента отличается сложностью построения и требует прецизионной юстировки механических узлов. Кроме того, детектирование разностного фазового сигнала измерительного преобразователя требует использования специализированного оборудования, что значительно усложняет и удорожает конечную измерительную систему.

По-видимому, для более простого решения проблемы измерения абсолютного угла наклона целесообразно использовать принцип амплитудной модуляции оптического излучения. Амплитудные измерительные преобразователи являются наиболее простыми ВОД с точки зрения построения оптической схемы, что обусловлено минимальными требованиями к источнику, к приемнику оптического излучения и методу обработки результатов измерений, так как амплитудномодулированный сигнал регистрируется с помощью обычного фотоприемника [37].

Традиционно в механических и электроизмерительных нреобразователях абсолютного угла наклона применяются хорошо отработанные принципы регистрации пространственного положения подвижной границы раздела сред жидкостьвоздух, жидкость-жидкость или регистрации угла наклона маятников [32-36], Указанные принципы могут быть положены в основу амплитудных волоконнооптических методов регистрации абсолютного углового положения. Однако, процессы амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения на подвижных границах раздела сред недостаточно изучены с точки зрения регистрации абсолютного углового положения. Поэтому важной задачей диссертационной работы является исследование особенностей модуляции амплитуды световых волн, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для разработки волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга абсолютного углового положения. Необходимо разработать и определить оптимальные параметры оптических схем измерительных преобразователей абсолютного угла наклона. Поскольку прием амплитудно-модулированного сигнала может быть затруднен вследствие флуктуации интенсивности регистрируемых световых пучков, необходимо разработать принципы компенсации влияния внешних неконтролируемых факторов на результаты измерений. Важным аспектом поставленной задачи является также разработка, создание и экспериментальное исследование макетов волоконно-оптических измерительных преобразователей абсолютного углового положения.

Другой критической проблемой при обеспечении безопасности эксплуатации широкого круга техногенных объектов является мониторинг параметров деформационных процессов на поверхностях, обеспечиваюпцих безопасность эксплуатации объектов, в частности, на внешних оболочках, обшивках, сводах, перекрытиях, а также полосах отчуждения и прочих охраняемых периметрах сооружений [8, 12, 37, 116, 117], При этом одной из главных проблем является обнаружение трепдин, разрывов и прочих нарушений целостности поверхностей, образуюш,ихся, как правило, в местах стыков, например, на сварных швах, фланцевых.

клепанных и других типах соединений [118, 119]. Нарушения целостности внешних оболочек строительных сооружений открывают влаге свободный доступ внутрь конструкции, что может привести к коррозии арматуры и потере несущей способности всего сооружения [17-19]. Трещины в оболочках хранилищ химически и биологически агрессивных веществ могут привести к утечкам и разливам отравляющих субстанций. Особенно актуальна проблема обнаружения разрывов стыков протяженных нефте- и газопроводов, поскольку такой разрыв может стать причиной глобальной экологической катастрофы, колоссальных материальных убытков, а в некоторых случаях и человеческих жертв [120-126].

Для обеспечения безопасности экснлуатации сооружений ответственного назначения большое значение имеет мониторинг полос отчуждения, зон ограниченного доступа и прочих охраняемых периметров [124-126]. Актуальность данной проблемы обусловлена риском повреждения конструкции при осуществлении несанкционированных строительно-монтажных работ или в результате иного вида незаконного проникновения на охраняемую территорию.

Указанные проблемы могут быть решены на основе применения стандартных измерительных преобразователей механических воздействий в случае, если контролируемый объект представляет относительно не большое сооружение. Однако контроль целостности оболочек и мониторинг полос отчуждения конструктивно сложных, протяженных и крупномасштабных сооружений предъявляют особенно жесткие требования к измерительным системам по количеству чувствительных элементов в измерительной линии, помехоустойчивости, простоте оптических схем датчиков и методов разделения их сигналов [122]. Например, для организации мониторинга целостности стыков трубопроводной линии протяженностью 1000 км, при длине трубы 15 м потребуется около 65 тыс. измерительных преобразователей, а также эффективный метод разделения их выходных сигналов, обеспечивающий удаленную регистрацию информации о состоянии всех контролируемых стыков.

Для мониторинга процессов трещинообразования могут использоваться измерительные преобразователи на основе брэгговских дифракционных решеток.

как показано на рис. 7 [127]. Волоконный световод с записанной на нем брэгговской дифракционной решеткой натягивается и закрепляется на концах внутри полой трубки, которая размещается на контролируемой поверхности. Возникновение трещины приводит к продольной деформации трубки и, соответственно, к сдвигу резонансной длины волны ВОБДР.

Рис. 7 Принцип мониторинга процессов трещинообразования с применением волоконно-оптических брэгговских дифракционных решето: 1 - волоконный световод, 2 - ВОБДР, 3 - трещина на контролируемой поверхности, 4 - полая трубка Однако применение брэгговских дифракционных решеток для мониторинга целостности оболочек крупномасштабных и протяженных объектов представляется малоэффективным вследствие ограниченных возможностей мультиплексирования чувствительных элементов на основе ВОБДР, а также необходимости надежной изоляции чувствительных элементов от внешних неконтролируемых воздействий.

По-видимому, проблема мониторинга целостности оболочек и процессов трещинообразования может быть эффективно решена на основе применения пороговых амплитудных волоконно-оптических датчиков (ПАВОД), работающих по принципу прерывания направляемой оптической мощности, при превышении предела механической прочности световода. При всей простоте конструкции ПАВОД обеспечивают возможность временного мультиплексирования сигналов на основе стандартных и хорошо отработанных схем оптической временной рефлектометрии, что позволяет объединять в составе единой измерительной линии практически неограниченное количество чувствительных элементов, поскольку пороговые измерительные преобразователи в своем исходном состоянии не создают потерь оптической мощности. Однако, принципы построения контрольноизмерительных систем для мониторинга целостности оболочек крупномасштабных техногенных объектов на основе волоконно-оптических измерительных пороговых перемещений с применением методов оптической временной рефлектометрии недостаточно изучены. В этой связи важными задачей являются экспериментальное исследование предлагаемого подхода, определение оптимальных параметров чувствительных элементов и оптимальных условий регистрации и мультиплексирования их сигналов методом оптической временной рефлектометрии, а также проведение натурных испытаний датчиков на моделях элементов реальных конструкций.

Для мониторинга полосы отчуждения техногенных объектов и прочих охраняемых периметров указанным выше требованиям отвечают амплитудные измерительные преобразователи давления на микроизгибах волоконного световода [37, 40-42]. Принцип действия таких чувствительных элементов основан на туннелировании части направляемого ВС излучения на пространственно периодических локальных деформациях световода. Однако, существенными недостатками данного типа измерительных устройств являются сложность юстировки механических элементов датчика и значительная зависимость результатов измерений от неконтролируемых внешних воздействий, что затрудняет их практическое применение [37].

Поэтому в настоящей работе для удаленного мониторинга полосы отчуждения техногенных сооружений предлагается использовать амплитудные волоконно-оптические датчики на основе макроизгибов волоконных световодов. Такой чувствительный элемент может быть реализован в виде прямолинейного участка волоконного световода, в котором потери направляемого излучения индуцируются вследствие изгибной деформации ВС при внешнем механическом воздействии.

Поскольку в отсутствие внешних воздействий датчик данного типа не создает потерь мощности направляемого излучения, использование метода ОВР для регистрации и мультиплексирования сигналов чувствительных элементов, обеспечивает возможность расположения на одной волоконной линии очень большого количества датчиков. Однако, принцины дистанционного мониторинга полос отчуждения и прочих охраняемых периметров крупномасштабных техногенных сооружений на основе измерительных преобразователей на макроизгибах волоконного световода с применением методов оптической временной рефлектометрии для приема и разделения сигналов чувствительных элементов на сегодняшний день не изучены. В этой связи важной научной и практической задачей является исследование особенностей модуляции интенсивности лазерного излучения на локальных пространственно не периодических изгибах направляющего волоконного световода для разработки принципов организации удаленного мониторинга полос отчуждения техногенных объектов ответственного назначения. Требуется исследование зависимости потерь мощности направляемого излучения от параметров изгиба ВС. Необходимо выявить оптимальные характеристики, разработать конструктивные схемы, создать макеты и провести экспериментальное исследование амплитудных измерительных преобразователей давления, создаваемого массивными инородными объектами на контролируемой полосе отчуждения.

Таким образом, для построения эффективных информационноизмерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов, на основе волоконно-оптических методов измерения параметров деформационных процессов в средах и оболочках, требуется:

1. Исследование особенностей амплитудной модуляции коротких лазерных импульсов волоконно-оптическими брэгговскими дифракционными решетками для разработки рефлектометрического метода опроса и мультиплексирования измерительных преобразователей на основе ВОБДР;

2. Исследование особенностей модуляции амплитуды световых волн, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для разработки волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга абсолютного углового положения структурных элементов техногенных объектов.

3. Разработка и исследование волоконно-оптических рефлектометрических методов мониторинга деформаций крупномасштабных поверхностей для создания информационно-измерительных систем контроля целостности оболочек, а также охраны периметров и полос отчуждения техногенных объектов ответственного назначения на основе мультиплексированных амплитудных измерительных преобразователей механических воздействий.

Поэтому целью диссертационной работы является разработка физических принципов волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга деформационных процессов в средах и оболочках и создание элементной базы оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Исследованы особенности модуляции амплитуды световых волн, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для создания волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга абсолютного углового положения. Определены оптимальные параметры оптических схем, созданы и экспериментально исследованы макеты измерительных преобразователей угла и азимутального направления наклона.

2. Разработаны методы компенсации влияния внещних неконтролируемых факторов на амплитудно-модулированные сигналы измерительных преобразователей абсолютного угла наклона на основе сравнения сигналов нескольких измерительных каналов.

3. Теоретически и экспериментально исследованы физические принципы регистрации сигналов, формируемых чувствительными элементами на основе волоконно-оптических брэгговских дифракционных рещеток, с применением методов оптической временной рефлектометрии.

4. Разработаны принципы создания распределенных волоконно-оптических измерительных линий на основе мультиплексированных амплитудных измерительных преобразователей усилий и пороговых перемещений для мониторинга целостности протяженных трубопроводов и охраны их полос отчуждения.

Практическая ценность работы заключается в том, что представленные результаты открывают возможность создания многофункциональных оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга эксплуатационной безопасности широкого круга техногенных объектов ответственного назначения.

Результаты исследований методов мониторинга деформаций большеразмерных поверхностей демонстрируют возможность объединения в единые контрольно-измерительные линии десятков тысяч чувствительных элементов, при этом прием и мультиплексирование их сигналов могут осуществляться на основе стандартного и широкодоступного рефлектометрического оборудования. Созданы макеты и проведены натурные испытания мультиплексированных волоконнооптических измерительных преобразователей усилий и пороговых относительных перемещений. Экспериментально продемонстрирована возможность их применения для контроля целостности оболочек протяженных трубопроводных линий, а также для охраны периметров и полос отчуждения крупномасштабных техногенных объектов ответственного назначения.

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили предложить конструкции и создать макеты волоконно-оптических измерительных преобразователей абсолютного углового положения, позволяющих проводить измерения под воздействием температурных перепадов, в условиях флуктуации мощности источника излучения и прочих неконтролируемых факторов.

Предложен и исследован метод регистрации и разделения сигналов ЧЭ на основе брэгговских дифракционных решеток с применением стандартного рефлектометрического оборудования. Выработаны рекомендации к записи ВОБДР и определены оптимальные условия реализации рефлектометрического метода детектирования сигналов чувствительных элементов данного типа.

Представленные в работе исследования принципов формирования и приема амплитудно-модулированных оптических сигналов могут быть использованы не ТОЛЬКО при разработке информационно-измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов, но могут также найти применение при создании и оптимизации широкого круга приемников физических величин различного функционального назначения, а также при дальнейшем развитии элементной базы амплитудных волоконно-оптических датчиков.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в печатных работах [128-148] и были представлены на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях:

1. Fifth International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries, Vladivostok, 2003.

2. Third Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM 2003, Vladivostok, 2003.

3. Десятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва, 2004.

4. The Sixth Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, ISOPE PACOMSVladivostok, 2004.

5. Fourth Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM 2004, Vladivostok, 2004.

6. Вологдинские чтения, ДВГТУ (ДВПИ им. В.В. Куйбышева), Владивосток, 2004.

7. 3"^^ China-Japan-US Symposium on Health Monitoring and Control of Structures, Dalian, China, 2004.

8. 52-ая региональная молодежная научно-технической конференция, посвященная 60-летию высшего морского образования в России, Владивосток, 2004.

9. The 2nd International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure, Shenzhen, China, 2005.

10. International Workshop on Structural Health Monitoring 2005, Stanford University, USA, 2005.

и. Отчетная конференция инновационных проектов ДВО РАН 2005 «Перснективные инновационные разработки научных учреждений ДВО РАН для нрактического иснользования» 2005.

12. 7th International Symposium on Marine Engineering, Tokyo, Japan 2005.

13. Sixth International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries, Vladivostok, 2005.

14. Fifth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2005, Vladivostok, 2005.

15. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2006, Harbin, China, 2006.

Важнейшие практические результаты, полученные в настоящей диссертационной работе экспонировались на следующих научных и инновационных выставках:

1. Выставка завершенных научно-технических разработок, созданных научными учреждениями ДВО РАН в 2003-2004 г., Владивосток, 2005.

2. Китайская международная конференция по обмену специалистами и выставка научно-технических достижений в провинции Ляонин» (г.

3. 11-ая Всероссийская научно-производственная инновационная выставкаярмарка «ИНТЕГРАЦИЯ - 2006» в рамках 9-го Международного Всесибирского инновационного форума, Томск, 2006.

4. Российская Национальная выставка "Российская наука сегодня", Пекин (Китай), 2006.

5. Выставка инновационной продукции научных учреждений ДВО РАН, Разработка «Система дистанционного контроля безопасной эксплуатации сооружений на основе волоконно-оптического измерительного преобразователя абсолютного углового положения» удостоена медали в номинации «Новые научные разработки и технологии» на конкурсе «Сибирские Афины», проходившем в рамках 11-ой Всероссийской научно-производственной инновационной выставкеярмарке «ИНТЕГРАЦИЯ - 2006», Томск, 2006.

Диссертация состоит из введения трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 174 страницы, работа включает 78 рисунков и список литературы из 167 наименований.

Во введении обсуждаются существующие методы мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов, их достоинства и недостатки. Обосновывается актуальность, ставятся задачи проводимого исследования, намечаются возможные пути решения поставленных задач. Формулируется цель диссертационной работы и положения, выдвигаемые на защиту, приводится краткое содержание работы.

В первой главе рассматриваются особенности модуляции амплитуды световых пучков, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для разработки волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга абсолютного углового положения конструкционных узлов широкого круга техногенных объектов. Исследуются методы компенсации влияния внешних неконтролируемых факторов на амплитудно-модулированные сигналы измерительных преобразователей абсолютного угла наклона на основе сравнения сигналов нескольких измерительных каналов.

Вторая глава диссертационной работы посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию физических принципов регистрации и мультиплексирования оптических сигналов, формируемых чувствительными элементами на основе волоконно-оптических брэгговских дифракционных решеток, с применением методов оптической временной рефлектометрии. Устанавливаются оптимальные параметры брэгговских и решеток и условия регистрации отраженных оптических сигналов, обеспечивающие линейную зависимость принимаемого амплитудно-модулированного сигнала от механического напряжения и температуры ВОБДР.

В третьей главе настоящей работы проводится исследование волоконнооптических рефлектометрических методов мониторинга деформаций крупномасштабных поверхностей для построения систем контроля целостности оболочек и мониторинга полосы отчуждения техногенных объектов. Исследуются принципы создания распределенных волоконно-оптических измерительных линий на основе мультиплексированных амплитудных измерительных преобразователей усилий и пороговых перемещений для мониторинга целостности протяженных трубопроводов и охраны их полос отчуждения.

В заключении подводятся итоги проделанной работы и приводятся важнейшие результаты, полученные в ходе диссертационного исследования.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МОДУЛЯЦИИ АМНЛИТУДЫ

ИЗЛУЧЕНИЯ, НАПРАВЛЯЕМОГО ВОЛОКОННЫМИ СВЕТОВОДАМИ, НА

ПОДВИЖНОЙ ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД ДЛЯ СОЗДАНРШ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА АБСОЛЮТНОГО

УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

Одной из важных задач в области мониторинга эксплуатационной пригодности техногенных объектов является измерение абсолютного угла наклона элементов строительных сооружений ответственного назначения [32-36].

Эта проблема особенно актуальна для обеспечения долговременной безопасности эксплуатации высотных строительных конструкций, мостов, морских нефтяных платформ, горнорудных шахт, подпорных стенок, причалов, пирсов и др. [34,35].

С развитием волоконной оптики и оптоэлектроники в области мониторинга техногенных объектов открылись недоступные ранее возможности объединения большого количества чувствительных элементов в интегрированные обеспечиваюш;их высокоточные, помехоустойчивые и удаленные измерения контролируемых параметров на протяжении всего срока эксплуатации объекта [37, 40-42]. Вместе с тем большинство разработанных к настоящему времени волоконно-оптических средств и методов мониторинга техногенных объектов ориентированы на регистрацию относительных величин взаимных перемеп];ений элементов конструкций, распределений механических напряжений и пр. [37]. При их использовании для регистрации абсолютного угла наклона погрешность измерения накапливается со временем, что может затруднить или сделать невозможным проведение долговременного мониторинга. Кроме того, большинство разработанных волоконно-оптических датчиков основаны на использовании модуляции длины волны (спектральные чувствительные элементы) или фазы (интерферометрические чувствительные элементы) направляемого волоконным световодом излучения, что требует применения специальных схем детектирования и обработки выходных сигналов.

По-видимому, для разработки более простых и надежных волоконнооптических методов измерения абсолютного угла наклона целесообразно использовать принцип амплитудной модуляции оптического излучения, поскольку амплитудные измерительные преобразователи являются наиболее простыми ВОД с точки зрения построения оптической схемы, что обусловлено минимальными требованиями к источнику, к приемнику оптического излучения и методу обработки результатов измерений, так как амплитудно-модулированный сигнал регистрируется с помощью обычного фотоприемника [40].

Для измерения угла отклонения от вертикали традиционно применяются хорошо отработанные принципы регистрации пространственного положения подвижной границы раздела сред жидкость-воздух, жидкость-жидкость или регистрации угла наклона маятников [41, 42]. Данные принципы могут быть положены в основу волоконно-оптических методов измерения абсолютного угла наклона. Однако процессы амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения на подвижных границах раздела сред недостаточно изучены с точки зрения регистрации абсолютного угла наклона. Поэтому необходимо изучить особенности амплитудной модуляции световых пучков, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для разработки амплитудных методов измерения угла наклона. Требуется определить оптимальные параметры оптических схем, разработать и экспериментально исследовать макеты измерительных преобразователей угла отклонения от вертикали и азимутального направления наклона. Так как прием амплитудномодулированного сигнала может быть затруднен вследствие флуктуации интенсивности регистрируемых световых пучков, важной задачей является исследование методов компенсации влияния внешних неконтролируемых факторов на выходные сигналы разрабатываемых датчиков абсолютного углового положения.

Таким образом, целью данной главы диссертационной работы является исследование особенностей модуляции амплитуды световых волн, направляемых В Л К Н Ы И световодами, вследствие процессов отражения—преломления и ООО Н М стабилизированных волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга абсолютного углового положения.

1.1. Особенности амплитудной модуляции нанравляемого волоконными световодами излучения на границе раздела сред жидкость-воздух В данном разделе диссертационной работы рассматриваются принципы измерения угла отклонения от вертикали и азимутального направления наклона излучаемого волоконным световодом (ВС) и отражаемого от поверхности раздела приемными волоконными световодами. Амплитудная модуляция направляемого чувствительного элемента.

Рассмотрим распределение интенсивности светового пучка, формируемого волоконным световодом. Для этого воспользуемся приближением линейно поляризованных мод ВС [55]. Распределение напряженности электрического поля линейно поляризованной LP моды в поперечном сечении многомодового световода описывается выражением [55]:

Макдональда первого порядка; П2; 3 - излучающий ВС; 4 - приемный ВС; 5 - профиль распределения поля отраженного светового потока в плоскости объектива; 6 ось вращения поверхности раздела ж:идкостей; 7 - объектив чувствительного элемента, регистрируется вследствие изменения угла отражения светового пучка, формируемого стандартным многомодовым ВС, от поверхности раздела жидкостей. При этом показатели преломления жидкостей подобраны таким образом, чтобы для центрального луча падающего светового пучка в исходном угловом состоянии ЧЭ выполнялось условие полного внутреннего отражения [151]:

где а - угол падения светового пучка на границу раздела сред. В этом случае падающий световой пучок разделяется на отраженный вследствие эффекта ПВО и преломленный пучки. Отраженное оптическое излучение, интегрируется объективом и направляется на входной торец приемного ВС.

распределение интенсивности в плоскости объектива Рис. 1.12 Преобразование светового пучка, отраженного от границы раздела сред, при наклоне ЧЭ.

Наклон ЧЭ приводит к перемещению и изменению мощности (вследствие фотоприемником на оптическом выходе ИП.

Для расчета выходного сигнала ИП рассмотрим зависимость оптической мощности, интегрируемой объективом, от угла наклона чувствительного пренебрежимо малых размеров сердцевины по сравнению с размерами ЧЭ будем полагать торец излучающего ВС точечным источником (F рис. 1.12) с расходимостью, определяемой числовой апертурой световода NA.

Для описания распространения светового пучка от излучающего ВС к объективу введем трехмерную систему координат OXYZ таким образом, чтобы при наклоне ЧЭ ось 0Z совпадала с осью поворота поверхности раздела жидкостей относительно корпуса.

При этом луч F0 лежит в плоскости OXY, а его угол падения на плоскость OXZ равен апво - углу полного внутреннего отражения (рис. 1.12) [151]:

где П], П2 - показатели преломления жидкостей. Координаты точки F в выбранной системе координат запишутся в виде:

Положение поверхности раздела жидкостей при условии, что ее ось вращения совпадает с ось 0 Z системы координат, описывается уравнением:

где ^ - угол наклона датчика (рис. 1.13); ^ > О, если при наклоне датчика острый угол между лучом F0 и осью ОХ увеличивается.

Рис. 1.13 Поворот поверхности раздела жидкостей относительно корпуса ЧЭ Уравнение оси симметрии отраженного светового нучка запишется в виде:

где у^^, Xj^ - координаты изображения точки F (точка М) (рис. 1.14).

В нроизвольную точку объектива С(Хо; уо', Zo) нриходит луч, направляющий вектор которого имеет координаты (IQ, то, щ) (рис. 1.15):

где Хщ - координаты вектора для луча, распространяющегося вдоль оси пучка.

Рмс. 7.75 Построение лучевых траекторий Тогда можно считать, что угол между произвольным лучом и осью пучка определяется следующим выражением [154]:

На основе полученного ранее распределения интенсивности светового пучка, излучаемого ВС (выражение (1.32)), а также учитывая, что вследствие эффекта рассчитано распределение интенсивности излучения отраженного светового пучка в апертуре объектива для различных углов наклона ИП (рис. 1.16).

Рис. 1.16 Распределение интенсивности светового потока в плоскости объектива для различных углов поворота датчика (р: а) ср = -4°, 6) ср = -2°, в) (р г)(р=+2° Как видно из рисунка, вследствие явления ПВО апертура объектива делится на две области: в первую приходят лучи, для которых условие ПВО выполняется, вторая часть находится в области тени, возникающей вследствие нарушения условия ПВО. При этом граница, разделяющая две области, сохраняет свое положение для любых углов наклона ЧЭ.

Перейдем к новой системе координат О'XT' в плоскости объектива и найдем соответствие между трехмерной системой координат OXYZ и системой О Х Г (рис. 1.17):

Рис. 1.17 Расположение системы координат OX Для нахождения зависимости мощности светового пучка, собираемого апертурой объектива, от угла наклона ЧЭ, проинтегрируем интенсивность отраженного излучения по площади объектива:

где г - радиус объектива. График рассчитанной в соответствии с (1.43) зависимости представлен на рис. 1.18.

Для экспериментального исследования данной зависимости был создан обеспечивающем градуированное угловое перемещение. Широкоапертурный регистрации полной мощности излучения, собираемого объективом. Результаты экспериментальные данные хорошо согласуются с рассчитанной зависимостью.

Рис. 1.18 Зависимость мощности светового потока, попадающего в объектив, от угла наклона датчика Для вычисления интенсивности выходного оптического сигнала ИП в зависимости от угла наклона рассмотрим процесс возбуждения приемного чувствительного элемента происходит смещение точки фокусировки излучения относительно торца приемного ВС, что определяет изменение выходного сигнала аппроксимировать тонкой линзой, фокусное расстояние / которой примем равным фокусному расстоянию объектива.

Схема чувствительного элемента в исходном и наклоненном состоянии изображена на рис. 1.19. Световой пучок, излучаемый ВС, сфокусируется в изображение точки М относительно объектива - точку Л^. Точка М, таким местоположение при наклоне ЧЭ (рис. 1.19, б).

Рис. 1.19 Схематическое изображение чувствительного элемента в исходном (а) и наклоненном (б) состояниях: 1 - излучающий волоконный световод, 2 линза, 3 - приемный волоконный световод.

Из элементарных геометрических рассуждений следует, что координаты Хм, Ум) связаны с (х/, yj и углом наклона ЧЭ ф следующими соотношениями:

чувствительного элемента на угол Л(р = (р2-(р, может быть рассчитана в виде [150]:

В пределах небольших углов наклона (+/-15°) можно считать, что смещение мнимого источника светового пучка при наклоне ЧЭ происходит параллельно оптическим плоскостям линзы. Поэтому смещение точки фокусировки светового пучка, собираемого объективом, может быть найдено как [151]:

где ^-расстояние от мнимого источника светового пучка до объектива.

Рассчитанная в соответствии с выражением (1.43) зависимость смещения точки фокусировки излучения от угла наклона ЧЭ представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.20 Зависимость смещения точки фокусировки светового пучка от угла наклона датчика Распределение интенсивности света в точке фокусировки представляет гауссов пучок с радиусом порядка —Lf, где X - длина волны света, D - диаметр апертуры объектива, Lf - расстояние от задней плоскости объектива до точки фокусировки излучения [151]. Зная величину смещения точки фокусировки лучей при наклоне ЧЭ, построим РгСф) - зависимость мощности сфокусированного излучения, попадающего в апертуру приемного ВС, от угла наклона ЧЭ без учета ПВО для различных диаметров сердцевины ВС (рис. 1.21).

Рис. 1.21 Зависимость относительной мощности сфокусированного излучения, попадающего в апертуру приемного ВС, от угла наклона ЧЭ произведением функций Pi(9) и РгСф). Результаты расчетов выходного сигнала ИП представлены на рис. 1.22.

Рис. 1.22 Зависимость выходного сигнала ИП от угла наклона ЧЭ при различных значениях диаметра сердцевины приемного ВС Схема установки для экспериментального исследования разработанного измерительного преобразователя приведена на рис. 1.23. Результаты измерения интенсивности оптического сигнала в приемном ВС в зависимости от угла наклона ЧЭ представлены на рис. 1.22 в виде точек. Как видно из рисунка, экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. Для оценки повторяемости зависимости выходного сигнала датчика от угла наклона при использовании стандартных многомодовых ВС измерения проводились несколько раз в течение временного промежутка 30 мин. Результаты представлены на рис.

1.24. В ходе экспериментов была также измерена зависимость мощности излучения, интегрируемого объективом, от угла наклона ЧЭ. Результаты представлены на рис. 1. 25.

Рис. 1.23 Экспериментальное исследование измерительного преобразователя абсолютного углового положения: 1 - чувствительный элемент; 2 микрометрический винт; 3 - юстировочное устройство; 4 - ось вращения; 5 шкала; 6 - объектив; 7 - юстировочная система для перемещения приемного ВС;

8 - излучающий ВС; 9 - приемный ВС; 10 - генератор оптического сигнала; И детектор.

Рис. 1.24 Результаты измерения выходного сигнала ИП при размещении приемного ВС в фокусе собирающего объектива Рис. 1.25 Экспериментальные зависимости мощности оптического излучения, интегрируемого объективом, от угла наклона ЧЭ В результате экспериментов было установлено, что динамический диапазон измеряемых углов ЧЭ от расстояния между входного торцом приемного ВС и точкой фокуса объектива.

Рис. 1.26 Зависимость диапазона измеряемых углов от расстояния между приемным ВС и точкой фокуса объектива Рис. 1 27 Зависимость максимального выходного сигнала ИП от расстояния между входным торцом приемного ВС и точкой фокуса объектива чувствительность 0.003°, диапазон измеряемых углов регулируется в пределах от 1° до 10*^, максимальный динамический диапазон 60 дБ. Максимальное удаление чувствительного элемента от блоков формирования и обработки оптического сигнала 3 км.

Таким образом, в данном разделе исследованы особенности амплитудной модуляции светового пучка, направляемого волоконными световодами, при отражении от границы раздела сред жидкость-жидкость под углами близкими к углу полного впутренпего отражения. Разработан, теоретически и экспериментально исследован волоконно-оптический метод измерения абсолютного угла наклона на основе явления полного внутреннего отражения с применением стандартных многомодовых волоконных световодов. Изменение диапазона измеряемых углов в пределах от 1° до 10° достигается вследствие перемещения приемного волоконного световода. Экспериментально и теоретически установлены зависимости выходного сигнала датчика от угла наклона и местоположения приемного волоконного световода по отношению к собирающему объективу. Разработан макет измерительного преобразователя абсолютного угла наклона с параметрами: максимальная пороговая чувствительность 0.003°, максимальный динамический диапазон 60 дБ.

Максимальное удаление чувствительного элемента от блоков формирования и обработки оптического сигнала 3 км.

1.3 Особенности амплнтудной модуляцин нанравляемого волоконными световодами излучения свободнонодвешенными оптическими элементами Измерение абсолютного угла наклона на основе регистрации светового пучка, отраженного от границы раздела сред жидкость-воздух или жидкостьжидкость, сопряжено с трудностями компенсации механических вибрационных воздействий на чувствительный элемент. Поэтому рассмотренные выше методы ориентированы на регистрацию абсолютного углового положения в условиях отсутствия механических вибраций.

Для обеспечения вибрационной стабильности измерительных преобразователей угла наклона требуется демпфирование чувствительного элемента, что в настоящей работе предлагается реализовать при помощи вязкой оптически прозрачной жидкости.

Данный раздел посвящен исследованию принципов измерения абсолютного угла наклона на основе амплитудной модуляции направляемых волоконными световодами световых пучков свободноподвешенными оптическими элементами, погруженными в вязкую прозрачную жидкость.

В основу измерения угла отклонения от вертикали может быть положена свободно подвешенная непрозрачная шторка, частично перекрывающая световой пучок, формируемый многомодовым ВС, при наклоне ЧЭ (рис. ). В исходном положении чувствительного элемента (угол наклона - 0°) шторка перекрывает световой пучок наполовину. Соответственно, при наклоне ЧЭ происходит модуляция мощности светового пучка, который с помощью собирающей линзы вводится в приемный ВС. Выходной оптический сигнал приемного световода регистрируется на выходе РШ стандартным фотоприемником.

преобразователя абсолютного углового положения.

Интенсивность выходного оптического сигнала измерительного преобразователя распределения интенсивности светового пучка по его поперечному сечению с учетом положения шторки [151]:

где ф - угол наклона ИП, к - коэффициент пропорциональности, х, у - декартовы координаты в плоскости сечения светового пучка шторкой, 1(х,у) - распределение интенсивности светового пучка, в плоскости его сечения шторкой, S(a) - плошадь сечения светового пучка, не перекрытая шторкой.

пучка, излучаемого волоконным световодом (выражение (1.32)), на основе (1.44) определенности были приняты следующие параметры чувствительного элемента:

форма секущего края шторки прямолинейная, d/R ~0,1, где d- диаметр сечения светового пучка шторкой, R - расстояние от оси светового пучка до оси вращения шторки.

Рис. 1.29. Нормированная зависимость мощности выходного оптического сигнала измерительного преобразователя от угла наклона.

В результате компьютерного моделирования чувствительного элемента (рис. 1.30) было показано, что неравномерности формы секущего края шторки не оказывают влияние на зависимость выходного сигнала измерительного преобразователя от угла наклона. Поэтому к изготовлению шторки не предъявляется специальных требований.

Рис. 1.30 Интерфейс программного обеспечения для компьютерного моделирования чувствительного элемента: 1 - произвольно задаваемое поперечное распределение интенсивности светового пучка, 2 - произвольно задаваемая форма шторки, 3 - расчетная зависимость выходного сигнала ИП от угла наклона.

В результате компьютерного моделирования было также продемонстрировано, что диапазон измеряемых углов, при изменении формы шторки и расстояния R, может варьироваться в широких пределах и достигать 180^.

Рассмотрим процесс демпфирования шторки вязкой жидкостью при воздействии на чувствительный элемент механических вибраций (рис. 1.31).

Будем полагать, что в первом приближении вибрация чувствительного элемента приводит к нестабильности его выходного сигнала лишь в том случае, если вынуждающая сила имеет отличную от нуля проекцию на ось z. Тогда целесообразно ограничится рассмотрением колебаний с одной степенью свободы.

Рис. 1.31 Схематическое изображение свободноподвешенной шторки в контейнере с жидкостью: 1 - шторка, 2 — ж:идкость, 3 - ось вращения шторки При колебательном движении корпуса ЧЭ вдоль оси z на шторку, погруженную в жидкость, начинает действовать сила инерции, равная [155] где Zcp - амплитуда поперечного перемещения корпуса ЧЭ, Игр - масса шторки, < у частота колебаний. Тогда решение задачи о колебаниях шторки может быть записано в виде [156]:

где 2гр - поперечное смещения центра масс шторки, определяющее величину флуктуации выходного сигнала при колебательном движении чувствительного элемента, фазо-частотная характеристика.

- амплитудно-частотная характеристика колебательной системы шторка-корпус ЧЭ, Рш- коэффициент затухания колебаний, который согласно закону внутреннего трения может быть рассчитан в виде: д^ = —zIL-, S - площадь поверхности шторки, d - расстояние от шторки до стенки емкости (рис. 1), т - коэффициент динамической вязкости жидкости, со^ = \—^ резонансная частота колебании груза, g - ускорение свободного падения, а - длина ребра шторки, имеющей квадратную форму, /^ =—М^а^ - момент инерции шторки относительно оси вращения.

На резонансной частоте со о амплитуда колебаний шторки максимальна и больше амплитуды колебаний корпуса ЧЭ в q раз, где Поэтому наибольшее шумовое искажение выходного сигнала датчика наблюдается в условиях резонанса. Для достижения вибрационной устойчивости чувствительного элемента необходимо обеспечить минимальное значение параметра q, что, как видно из выражения (1), требует применения жидкости с возможно большим коэффициентом динамического трения. На рис. 1. представлены амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента, рассчитанные на основе выражения (1.48) для случаев применения жидкостей с различными коэффициентами динамического трения. Нри вычислении были приняты следующие параметры чувствительного элемента: Мгр= 5 г, д = 3 см, dсм.

Рис. 1.32 Амплитудно-частотная характеристика колебаний шторки при коэффициенте вязкости жидкости Т}=200 мПа'с (1), У]=500 мПа-с (2), 7]= мПа-с (3) Как видно из приведенного рисунка, резонанс удается полностью подавить при г}=1000 мПа'с, что соответствует коэффициенту динамического трения чувствительного элемента в настоящей работе в качестве рабочей жидкости, заполняющей емкость со шторкой, предлагается использовать глицерин.

Из рисунка также видно, что с ростом частоты вибрации амплитуда колебаний шторки увеличивается, но не превышает амплитуды колебаний корпуса. В случае высокочастотных колебаний для снижения погрешности регистрации абсолютного угла наклона может использоваться усреднение результатов измерений по времени.

Для экспериментального исследования разработанного измерительного преобразователя абсолютного угла наклона использовалась установка, представленная на рис. 1.33.

Рис. 1.33 Структурная схема экспериментальной установки. 1 - чувствительный элемент; 2 - прецизионное юстировочное устройство; 3 - источник излучения (полупроводниковый фотодиод); 6 - селективный усилитель; 7 - индикатор; 8 АЦП; 9 - персональный компьютер.

перемещения с точностью 0.005*^. Результаты измерения выходного сигнала ЧЭ в зависимости от угла наклона представлены на рис. 1.34. Видно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических результатов.

Рис. 1.34 Теоретическая и экспериментальная зависимости выходного сигнала ИП от угла наклона.

С течением времени измерительная характеристика чувствительного элемента может изменяться вследствие воздействия температурных неренадов, старения источника излучения, изменения оптических свойств жидкости и т.п.

Для обеспечения долговременной стабильности параметров ИП в настоящей работе разработан метод стабилизации чувствительности, основанный на сравнении результатов измерений от двух пространственно разнесенных измерительных каналов, интегрированных в едином чувствительном элементе.

Предлагается расположить два приемных ВС в окрестности фокусируемого светового пятна, так чтобы при открытой шторке на каждый из приемных световодов приходилась равная доля оптической мощности:

где 7 = — J \\lp{x,y)dxdy - средняя интенсивность оптического излучения, вводимого в приемные ВС, SF - площадь оптической сердцевины приемных ВС, Ij. - распределение интенсивности сфокусированного светового пучка в плоскости торцов приемных ВС.