NO991026L

NO991026L - System for oppdagelse av tverrgÕende deformasjon i optisk fiber

Info

Publication number: NO991026L
Application number: NO991026A
Authority: NO
Inventors: Eric Udd
Original assignee: Blue Road Research Inc
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 1999-03-02
Also published as: NO991026D0; JP2001510556A; AU4336197A; JP4083809B2; EP0923703A1; CN1230253A; EP0923703A4; RU2213328C2; CA2258640A1; CN1155798C; US5828059A; WO1998010242A1

Abstract

Et system og fremgangsmåte for å føle påføring av tverrgående spenning på et optisk fiber innbefatten- de en lyskilde (32) som frembringer en lysstråle med forholdsvis bredt spekter, et optisk fiber (22), et gitter (26) inne i fiberet og en spektralanalysator (54). Lysstrålen reflekteres av eller overføres gjennom det optiske gitter i kjernen (24) i det optiske fiber som er tverrgående påført spenning, direkte ved eksponering mot trykk. Det optiske gitter produserer ved påføring av tverrgående spenning en refleksjon eller overføring av lysstrålen som har to topper eller fordypninger i sitt frekvens- spekter hvis avstand og/eller bredde er indikerende for de påførte krefter på fiberet. En eller flere detektorer føler refleksjonen eller overføringene fra det optiske gitter for å frembringe et utgangssignal representativt for de påførte krefter. Flere optiske gitre og detektorer kan benyttes for samtidig å måle temperatur eller krefter på ulike steder langs fiberet.

Description

U. S. Regjeringsrettigheter

Denne oppfinnelse er utført med støtte fra regjeringen i USA under kontrakt NAS 1-20638 tildelt NASA. Regjeringen i USA har bestemte rettigheter til denne oppfinnelse.

Oppfinnelsens bakgrunn

Det er et behov for et nøyaktig og lett reagerende miljømessig sensorsystem for å måle tverrgående deformasjon og tverrgående deformasjonsgradienter. Det er også et behov for trykksensorer som er basert på tverrgående deformasjonsmålinger som er nærmest temperatur-uavhengige og/eller kan være temperaturkompensert. Anvendelse av denne type tverrgående sensorsyste-mer bør innbefatte plassering, identifikasjon og måling av tverrgående deformasjon i en fly- eller romfarts-konstruksjon. Disse konstruksjoner må være i stand til, for å utføre sitt oppdrag, å frembringe en kontinuerlig indikasjon av deres status i virkelig tid innbefattende tverrgående deforma-sjonspåkjenning. Nærmest temperatur-uavhengige eller temperaturkompen-serte fibergitter-trykksensorer basert på tverrgående deformasjon kan benyttes for å måle trykk i flytende oksygen- og hydrogentanker såvel som andre farlige områder. Bygningsapplikasjoner av disse sensorer ville innbefatte målinger av tverrgående deformasjon gjennom en bro, bygning eller veikonstruksjon såvel som tverrgående belastning av gruvetak. Disse sensorer kunne også benyttes for å understøtte systemer som kunne benyttes for å identifisere konstruksjonsskade i bolig eller kommersiell bygning etter en ulykke slik som et jordskjelv eller orkan. Trykksensorer kunne benyttes for et flertall industrielle anvendelser innbefattende prosesskontroll av mat og kjemikalier.

Andre anvendelser av disse sensorer innbefatter det etterhvert stigende område av tenkende konstruksjoner hvor sensorer benyttes for å overvåke miljøparametre som benyttes for å øke fremstilling, utføre ikke-destruktive evalueringer, implementere helseovervåkningssystemer for konstruksjoner og økende styresystemer. Disse konstruksjoner var i stand til kontinuerlig å overvåke deres situasjon i virkelig tid. De må være i stand til å operere over ekstremt lange tidsperioder med lav krafttilførsel. Sensorene benyttet til å understøtte disse konstruksjoner må være i stand til nøyaktig å måle små endringer i miljøsignaler og fremdeles være i stand til å beholde brede egenskaper i dynamisk område.

Fiberoptiske gitre er blitt foreslått for fiberoptiske sensorer som har potensi-ale til å møte mange av disse krav. Fibergitrene er konstruert ved å dope kjernen av et optisk fiber med materiale slik som germanium. Når det utsettes for lys, er det observert at lysbrytningsindeksen til den optiske kjerne i det silikonbaserte fiber ved egnede kjerne-dopemidler endres. Ved å benytte fasefiltre eller interfererende laserstråler er det blitt demonstrert at det er mulig å frembringe flere variasjoner i lysbrytningsindeksen langs lengden av fiberkjernen som frembringer en indre gitterstruktur. Ved å justere periode-avstanden under dannelse av fibergitteret, endres dets spektraloverføring og refleksjonskarakteristikker.

Når et fibergitter er utsatt for en miljøeffekt slik som deformasjon, temperatur, trykk, eller vibrasjon, endres lengden av den optiske fiber og følgelig perioden av fibergitteret. Som et eksempel rapporterer W.W. Morey i «Distributed Fiber Grating Sensors», Proceedings of the Seventh Optical Fiber Sensor Conference, side 285-288, Sydney, Australia, desember 1990, at vanlige temperaturendringer er 0,0043 nm pr. grad C ved 833 nm for Andrew PM-fiber og 0,0074 nm pr. grad C for Corning FlexCore-fiber ved 824 nm. Når fiberet deformeres endres også lengden av fiberet. Endringer i braggbøl-gelengden ble målt av Morey til å resultere i en endring av 5,2xl0~<4>nm pr. microstrain ved 820 nm.

For mange bruksområder er det nødvendig å måle både temperatur og deformasjon samtidig. I US-patent 5.380.995 «Fiberoptiske gittersensorsy-stemer for oppdagelse av miljøeffekter», beskriver E. Udd og T. E. Clark hvorledes to overliggende fibergitre ved ulike bølgelengder slik som 1,3 og 1,5 mikron benyttes for å måle to miljøparametre slik som deformasjon og temperatur på et enkelt punkt. I det siste har også M. G. Xu, H. Geiger og J. P. Dakin demonstrert i «Multiplexed Point and Stepwise Continuous Fibre Grating Based Sensors: Practical Sensor for Structural Monitoring?», møtereferat fra SPIE, volum 2294, side 69-80, 1994, samtidig måling av deformasjon og temperatur ved å benytte 1,3 og 0,85 mikron bølgelengder og overliggende fibergitre for punktmålinger. For å fullstendiggjøre målinger av deformasjon innvendig i en konstruksjon er det ofte nødvendig å måle alle tre deformasjonskomponenter. R. M. Measures, D. Hogg, R. D. Turner, T. Valis og M. J. Giliberto, demonstrerte i «Structurally Integrated Fiber Optic Strain Rosette», møtereferat fra SPIE, volum 986, side 32-42, 1988, en fiberoptisk deformasjonsrosett bestående av tre separate fibersensorer. Fordi visse fibersensorer ikke er samlokalisert og fordi organer for å kompensere for temperaturfluktueringer ikke ble benyttet, ble disse rosettene benyttet i svært begrenset utstrekning. Eric Udd beskriver i US-patentsøknad nr. 08/438.025 «Multiparameter Fiber Optic Grating System» en fibergittersensor basert på dobbelt overliggende fibergitter påført dobbeltbrytende fiber som tillater deformasjon og temperatur over tre akser å bli målt innbefattende tverrgående deformasjon. Det er imidlertid et kontinuerlig behov for å forbedre og forfine tverrgående deformasjonsmålingsevne såvel som å understøtte målinger av trykk og deformasjonsgradienter.

Kortfattet beskrivelse av foreliggende oppfinnelse

I foreliggende oppfinnelse er et fibergitter påført en enkel modus optisk fiber for å danne en tverrgående deformasjonssensor. Når fiberet er ordinært enkelt modus-fiber resulterer tverrgående deformasjon påført fiberet i en oppdeling av fibergitterets spektralprofil i to topper. Målinger av spektralseparasjonen mellom disse to topper kan utføres for å indikere mengden av tverrgående påkjenning på fiberet. Denne tilnærmingen er anvendbar når orienteringen av den tverrgående fibergittersensor er ukjent i forhold til retningen av den tilførte belastning. Som et eksempel kan dette være tilfelle når de tverrgående fibergittersensorer er plassert i langtrukne bjelker for å understøtte og måle taket i en gruvegang. For små tverrgående laster er imidlertid spektraltoppene svært nær hverandre, hvilket gjør det vanskelig å få frem en nøyaktig måling av topp-til-topp-separasjonen. Ved å påføre fibergitteret på en dobbeltbrytende optisk fiber slik som polarisasjonsbevarende fibre med elliptiske kjerner, eller optiske kapper som frembringer dobbeltbrytning ved spenning, er det mulig å få frem en klar separasjon mellom spektraltopper og nøyaktig måling kan utføres for svært små endringer i tverrgående belastning. For ikke-symmetrisk fiberkapper, slik som de som innbefatter elliptiske kapper eller sidelufthull, vil endringer i trykk frembringe endringer i tverrgående deformasjon. Når et fibergitter er påført en kjerne av denne type fiber, kan det benyttes for å danne en fibertrykksensor. Da spektralseparasjonen mellom de to spenningsfrembrakte topper er liten, vil endringen i topp-til-topp-separasjonen på grunn av temperatur være liten. Imidlertid vil det totale spektralskiftet av toppene reagere på deformasjon og temperatur på et vis i likhet med et ordinært fibergitter og kan måles ved benyttelse av doble overliggende fibergitre som beskrevet av Udd og Clark.

Det foreliggende system kan benyttes for å understøtte flere målinger av deformasjon eller trykk ved å benytte flere fibergitre som opererer ved ulike bølgelengder og/eller ved å benytte tidsdelte multiplekseteknikker.

Derfor er det en hensikt ved foreliggende oppfinnelse å frembringe sensorsy-stemer bestående av et fibergitter påført en ordinær enkeltmodusfiber for å måle tverrgående deformasjon uavhengig av lasteretning.

En ytterligere hensikt ved oppfinnelsen er å frembringe et miljøsensorsystem i stand til å måle amplituden og plasseringen til et tidsvarierende miljøsignal.

En ytterligere hensikt ved foreliggende oppfinnelse er å frembringe en tverrgående deformasjonssensor som er i stand til å måle svært små endringer i tverrgående deformasjon.

En ytterligere hensikt med oppfinnelsen er å måle trykk.

En ytterligere hensikt ved oppfinnelsen er å måle tverrgående deformasjons-gradi enter.

En ytterligere hensikt ved oppfinnelsen er å måle tverrgående deformasjonsgradienter og identifisere deres orientering i forhold til aksene til det optiske fiber.

En ytterligere hensikt med oppfinnelsen er å frembringe et system som kan måle tverrgående belastninger i gruveganger.

En ytterligere hensikt ved oppfinnelsen er å frembringe flerpunkts trykk- og temperatursensorer for prosesstyring.

En ytterligere hensikt ved oppfinnelsen er å frembringe både tverrgående deformasjons- og trykk-/temperaturmålinger langs en enkelt optisk fiberleng-de.

En ytterligere hensikt ved oppfinnelsen er å frembringe strukturell informa-sjon i forhold til konstruksjonen av dammer for å varsle brukeren når det er nødvendig å foreta korrigerende handlinger.

Disse og andre hensikter og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremkomme for en fagmann på området etter å vurdere den etterfølgende detaljerte beskrivelse og de vedlagte tegninger, hvor:

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et diagram av et fibergitter påført et sirkulær symmetrisk enkeltmodus optisk fiber. Fig. 2 viser et grunnleggende fibergitter-demoduleringssystem utformet for å operere i reflektiv modus. Fig. 3A viser en profil av det reflekterte spekter av et fibergitter innført i sirkulært symmetrisk optisk fiber uten tverrgående belastning, og fig. 3B viser et profil av det reflekterte spekter fra et fibergitter innført i et sirkulært symmetrisk optisk fiber med tverrgående belastning. Fig. 4 illustrerer multipleksede fibergitre i et optisk fiber som er formet til en stav som er utsatt for tverrgående belastning. Fig. 5 viser et dobbeltbrytende optisk fiber, som kan være et polarisasjonsbevarende fiber med et fibergitter påført sin kjerne. Fig. 6 viser et dobbeltbrytende optisk fiber, som kan være et polarisasjonsbevarende fiber med dobbelt overliggende fibergitre påført sin kjerne. Fig. 7A og 7B viser det reflekterte spektrum fra dobbelt overliggende fibergitre ved henholdsvis 1300 og 1550 nm påført 3M polarisasjonsbevarende dobbeltbrytende fiber. Fig. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F og 8G viser tverrsnitt av ulike typer dobbeltbrytende polarisasjonsbevarende fibre. Fig. 9 viser en fibergitterbasert trykksensor basert på å påføre fibergitter på en optisk fiber med luftsidehull. Fig. 10 illustrerer en fibergitterbasert trykksensor innspleiset mellom to lengder av optiske fibre for å tette lufthullene. Fig. 11 viser en serie multipleksede fibergitterbaserte trykksensorer i en enkel fiberlinje. Fig. 12 viser et system som understøtter demoduleringen av multipleksede fibergitterbaserte trykksensorer. Fig. 13 viser et fibergitterbasert trykksensor med dobbelt overliggende fibergitre påført sidehullsfiber. Fig. 14 er et diagram som illustrerer et fibergittersensor som består av en seksjon med dobbeltbrytende fiber som kan være sidehullsfiber med et fibergitter påført dette og et andre fibergitter påført en ytterligere lengde av optisk fiber for å måle trykk og temperatur. Fig. 15 er et diagram som illustrerer et dobbeltbrytende fiber på hvilket et fibergitter er påført og til hvilket tverrgående deformasjonsgradienter påføres. Fig. 16 er et diagram som illustrerer det reflekterte spektrum fra et polarisasjonsbevarende fiber med et fibergitter påført dette, som er blitt dyppet i en epoksy-resin-sylinder og utsatt for 300 punds belastning tilført via flate plater. Fig. 17 er et diagram som illustrerer det reflekterte spektrum fra et polarisasjonsbevarende fiber med et fibergitter påført dette som er dyppet i en epoksy-resin-sylinder og utsatt for 400 punds belastning tilsatt via flate plater. Fig. 18 er et diagram som illustrerer det reflekterte spektrum fra et polarisasjonsbevarende fiber med et fibergitter påført dette som er blitt dyppet i en epoksy-resin-sylinder og utsatt for 450 punds belastning tilført via flate plater. Fig. 19 er et diagram som illustrerer et forsøkssett for å måle spektraltoppene til et fibergitter i overføring. Fig. 20 viser spektralkurvene til et dobbelt overliggende fibergitter innført i dobbeltbrytende polarisasjonsbevarende fiber ved 1300 og 1550 nm.

Detaljert beskrivelse av de viste utførelsesformer

Med nærmere henvisning til tegningene med henvisningstall, viser 22 i fig. 1 en sirkulær symmetrisk lengde enkeltmodus optisk fiber. Et fibergitter 26 er påført kjernen 24 av det optiske fiber. Når fibergitteret 26 er forbundet med et fibergitter-demoduleringssystem 30, som vist i fig. 2, kan endringer i perioden til fibergitteret på grunn av miljøendringer slik som deformasjon og temperatur, bestemmes ved å måle spektralskiftet i lys reflektert eller overført gjennom fibergitteret. I tilfellet av demoduleringssystemet vist i fig. 2, kan en lyskilde 32 være en bredbånds-lyskilde slik som en lysemitterende diode eller en forholdsvis smalbåndet variabel lyskilde, benyttes for å sende lys inn i fiberenden 34. Den overførte lysstråle 36 rettes deretter gjennom en stråledeler, slik som et fiberstråledeler 38. En port av fiberstråledeleren 38 kan termineres med en ikke-reflekterende ende 40 eller den kan benyttes for å understøtte målinger på ytterligere fibergitre. En del av lysstrålen 36 deles i en utgangsport 42 av stråledeleren 38 for å bli lysstrålen 44. Utgangsporten 42 er forbundet via en spleis eller forbindelse 46 til fibergitteret 26. Delen 48 av lysstrålen 44 som reflekteres av fibergitteret 26, rettes tilbake til stråledeleren 38 og en del av denne rettes inn i stråledelerporten 50 som lysstrålen 52. Denne lysstrålen 52 kommer deretter inn i spektralanalysatoren 54 som måler spektralskifter i lysstrålen 52 på grunn av endringer i fibergitterets 26 tilstand påført av miljøeffekter.

Fig. 3A viser spektralrefleksjonsprofilen til fibergitteret 26 bestemt av spektraldemodulatoren 54 når fibergitteret 26 ikke er utsatt for tverrgående spenning. Legg merke til at det er en enkel topp i profilet 100. Denne korresponderer til tilfellet hvor det er liten om i det hele tatt noe påført dobbeltbrytning. Når tverrgående spenning påføres fibergitteret 26, begynner den reflekterte profil 100 å dele seg til det er et dobbelttopp-profil slik som 102 vist i fig. 3B. Mengden tverrgående spenning er proporsjonal med den induserte dobbeltbrytning, hvilken igjen bestemmer spektralseparasjonen 104 mellom toppene 106 og 108.

For første orden, er topp-til-topp-separasjonen 104 forholdsvis temperaturav-hengig fordi begge topper 106 og 108 er nærmest ved samme bølgelengde og temperatur forårsaker at begge topper 106 og 108 beveges i samme totale retning ved nærmest samme spektralskifte. Tilnærmingen ved å benytte fibergitre innført i sirkulære symmetriske enkeltmodus optiske fibre har fordel ved å benytte lavkostnads telekommunikasjonstype optiske fibre og har tverrgående følsomhet som er uavhengig av lasteretning. Som et eksempel på hvorledes dette kan benyttes, kan man vurdere tilfellet vist i fig. 4 med en sirkulær symmetrisk optisk fiber inneholdende en serie med fibergitre 154, 156, 158,.... som er plassert i en posisjon nær sentret av staven 160 under fabrikasjon. Fabrikasjonen kan gjennomføres ved en prosess slik som utskyvning. Dersom staven 160 er plassert i en tverrgående lastbærende konstruksjon, hvilket kan være taket i en bygning, gruve eller tunnel, vil denne utsettes for variasjoner i tverrgående belastning 162, 164 og 166 langs sin lengde. Disse laster kan deretter måles ved å bestemme topp-til-topp-separasjonen i det reflekterte spektralprofilet til fibergitrene 154, 156 og 158. En ulempe ved å benytte sirkulære symmetriske enkeltmodus optiske fibre er at for små tverrgående laster, kan topp-til-topp-separasjonen være ekstremt vanskelig å måle ettersom toppene kan være begravet i støy. For å eliminere dette problem, kan fibergitre være innført i polarisasjonsbevarende fibre 200, som vist i fig. 5. Her har det polarisasjonsbevarende fiber 200 to fiberakser 202 og 204 med ulike effektive brytningsindekser. Når fibergitteret 206 er påført fiberet 200, resulterer tverrgående spenning i to adskilte spektraltopper i likhet med fig. 3B når de undersøkes av en demodulator 30. Det er også mulig å påføre dobbelt overliggende fibergitre 250 og 252 på det polarisasjonsbevarende fiber 200 ved adskilte bølgelengder som vist i fig. 6. Dette resulterer i fire effektive fibergitre og som beskrevet av Eric Udd i US-patentsøknad med serienr. 08/438.025 kan dette benyttes til å måle deformasjon og temperatur over tre akser.

Fig. 7 A og 7B viser spektralrefleksjonssvaret fra dobbelt overliggende fibergitre ved henholdsvis 1300 og 1550 nm påført en polarisasjonsbevarende optisk fiber fremstilt av 3M-selskapet. Topp-til-topp-separasjonen ved 1300 nm er omtrent 0,427 nm og topp-til-topp-separasjonen ved 1550 er omtrent 0,488 nm. Denne separasjonen er tilstrekkelig til at toppene er klart adskill-bare, hvilket tillater nøyaktig måling av topp-til-topp-separasjonen nødven-dig for å bestemme tverrgående deformasjon.

Fibergitre er påført flere uavhengige typer polarisasjonsbevarende fibre for å bestemme anvendbarheten av tverrgående deformasjonsfølende fibre innbefattende polarisasjonsbevaring fremstilt av 3M. Hver av disse fibre har en elliptisk kappe i likhet med den elektriske kappe 298 på den optiske fiber 300 vist i tverrsnitt i fig. 8A. Her er kjernen 302 av fiberet 300 omgitt av en elliptisk kappekonstruksjon 298 konstruert av glass, som har en ulik hardhet i forhold til glassdekket 306 påtrykket på dette for å danne det sirkulære symmetriske optiske fiber 300. Fujikura polarisasjonsbevarende optiske fibre som har en konstruksjon i likhet med den vist i tverrsnittsseksjon av optiske fibre 320 og 322 i fig. 8A og 8B ble også benyttet. I Fujikura-fibrene er spenningsstaver 324 og 326 benyttet for å frembringe en ulik spenning gjennom de sirkulære symmetriske fiberkjerner 328 og 330. Mengden påført spenning kan styres ved å endre diameteren av spenningsstavene som vist i fig. 8A og 8B som forskjellen i diameter mellom spenningsstavene 324 og 326. Den kan også varieres ved å endre hardheten i det omgivende glass i forhold til hardheten i spenningsstavene. Fibergitre ble vellykket påført på fibre av spenningsstavtypen, selv om orienteringen av fibre i lyskilden og fasemasken som ble benyttet for å påføre fibergitre måtte justeres slik at spenningsstavene ikke maskerte fiberkjernen. En tredje type fibre 360, som vist i fig. 8D og levert av Fibercore, hadde fibergitre påført for tverrgående deformasjonsmålinger. Fiberet 360 innbefatter myke glassidegroper 362 og 364. Dette fiber 360 har spenning påført over den sirkulære kjernen 366 forårsaket av ulikhet i hardhet mellom sidegropene 362 og 364 og glasset 368 rundt disse benyttet for å danne en symmetrisk fiber 360. Alle disse fiberty-per oppviste klar topp-til-topp-separasjon egnet for tverrgående deformasjonsmålinger i likhet med elliptiske kjernefibre 380, 382 og 384 levert av Corning (fig. 8E, 8F og 8G). Fibre 380, 382 og 384 illustrerer en serie optiske fibertverrsnitt med elliptiske kjerner 390, 392 og 394. Mens Corning-fibrene som ble testet hadde en elliptisk kjerne i en sirkulær kappe, er det mulig å justere kappekonstruksjonen på måter som kunne tjene til å øke tverrgående deformasjonsfølsomhet. Fiberet 380 hadde en flat side 396, fiberet 382 hadde spenningsstaver 398 og 400 som er orientert parallelt med hovedaksen 401 i den elliptiske kjerne 392, mens fiberet 384 hadde spenningsstaver 402 og 404 som er orientert perpendikulært på hovedaksen 406 i den elliptiske kjerne 394. Det er også mulig å ha andre geometriske former som kan tjene til å øke tverrgående følsomhet.

En anvendelse av tverrgående deformasjonssensorer dannet ved å innføre fibergitre i optiske fibre er målingen av trykk. Fig. 9 illustrerer en fibergitterbasert trykksensor 450. Den består av en fiberkjerne 452 på hvilken et fibergitter 454 er skrevet. Inneholdt i kappen 456 til 450 er doble sidehull 458 og 460 som kan inneholde luft eller andre gasser og materialer. Sensoren 450 kan være spleiset til lengder av optisk fiber 470 og 472 som kan være enkeltmodus optiske fibre som vist i fig. 10. Når det utvendige trykk påføres sensoren 450, endrer denne dobbeltbrytningen i fibertrykksensoren 450 langs hovedaksene 474 og 476. Følsomheten i fibertrykksensoren 450 kan justeres ved å endre størrelsen og geometrien av sidehullene 478 og 480.

Fibertrykksensoren 450 kan være multiplekset som vist i fig. 11. Her er en fibertrykksensor 500 med et fibergitter 502 sentrert omkring bølgelengden X\ spleiset mellom de optiske fibersegmenter 504 og 506. Segmentet 506 er igjen spleiset med fibertrykksensoren 508 med et fibergitter 510 sentrert omkring bølgelengden % 2- Det optiske fibersegment 512 er spleiset mellom den andre ende av fibertrykksensoren 508 og fibertrykksensoren 514 med sitt fibergitter 516 sentrert omkring bølgelengden ^,3. Den motsatte ende av fibertrykksensoren 514 er spleiset til det optiske fibersegment 518. På dette vis, kan et stort antall fibergitterbaserte trykksensorer spleises sammen og multiplekses ved benyttelse av bølgelengdedivisjonsmultipleksing. Det er også mulig å benytte tidsdivisjons-multiplekseteknikker ved benyttelse av fibergitterbaserte trykksensorer opererende ved lignende bølgelengder, gitt at refleksiviteten i fibergitrene er mindre enn 100% for å unngå «skygge»-fibergitter-trykksensorer som er lengre fra lyskilden.

Fig. 12 illustrerer et system 550 med multipleksede fibergitterbaserte trykksensorer 552, 554 og 556. En lyskilde 558, som kan være en bredbånds-lyskilde slik som en lysemitterende diode eller en justerbar smalbånds-lyskilde, kan benyttes for å overføre en lysstråle 560 inn i fiberenden 562. Lysstrålen 560 passerer inn i stråledeleren 564 hvor denne deles i lysstråler 556 og 568. Lysstrålen 568 slipper ut av systemet via den terminerte ende 570 (som et alternativ kan lysstrålen 568 benyttes for å lyse opp et ytterligere sett med fibergitter-trykksensorer). Lysstrålen 566 føres inn i fibergitter-trykksensoren 552 og en del av denne lysstråle 566 reflekteres fra fibergitteret 572 som lysstrålen 574. Lysstrålen 574 returnerer til stråledeleren 564 og en del av denne er rettet inn i enden av stråledeleren 576 som lysstrålen 578. Lysstrålen 578 slipper inn i spektraldemodulatoren 580, som kan være et søkende Fabry-Perot-filter eller akusto-optisk innstillbart filterbasert system og resultater som er representative for topp-til-topp-separasjonen på grunn av trykkindusert dobbeltbrytning leses som utgangssignal 582. Dette kan igjen tolkes for å lese ut trykket 584. Det totale spektralskiftet i profilet avhenger av aksiell deformasjon og temperatur og dette vil være utlesningen 586.

Dersom aksiell deformasjon kun er på grunn av trykk og ingen andre typer av belastning, kan et enkelt fibergitter være tilstrekkelig for å bestemme deformasjon og temperatur. I hovedsak krever imidlertid nærværet av aksiell belastning at deformasjonen i lengderetningen også måles. Dette kan gjøres ved å benytte dobbelt overliggende fibergitter som vist i fig. 13. Her har den fibergitterbaserte trykksensor 600 et fibergitter 602 ved bølgelengden X\som er overliggende med et andre fibergitter 604 ved bølgelengden \ 2- Dette danner fire effektive fibergitre som kan benyttes for å måle deformasjon og temperatur over tre akser.

En alternativ tilnærming er vist i fig. 14. Her er den fibergitterbaserte fibersensor 650 med et fibergitter 652 ved bølgelengden X\multiplekset med et andre segment av sirkulært symmetrisk fiber 654 ved et fibergitter 656 ved bølgelengden A-2- Fibergitteret 652 vil svare ulikt på tverrgående deformasjon i forhold til fibergitteret 656. Særlig vil trykkindusert dobbeltbrytning frembringe en målbar spektral topp til spektraltopp-separasjon i det reflekterte eller overførte signal fra fibergitteret 652. Fibergitteret 656 vil imidlertid ha en enkel topp med et fullstendig spektraltskifte som avhenger av deformasjon og temperatur. Ved å sammenligne det fullstendige spektralskiftet (snittet for topp-til-topp-separasjonen for fibergitteret 652) i fibergitrene 652 og 656 kan deformasjon og temperatur måles. Ved å påføre fibergitrene 652 og 656 på ulike typer av optiske fibersegmenter 650 og 654 kan inverteringen av de to ligninger i de to ukjente av deformasjon og temperatur forenkles ved en ytterligere grad av frihet. Legg imidlertid merke til at slikt skjema er anvendbart i miljøer hvor det er liten, om noe, kortfattet temperatur- og deformasjonsfluktueringer fordi gitre 652 og 654 ikke er samlokalisert.

Det skal bemerkes at mens sidehulltypen av dobbeltbrytende fibre ble benyttet for å illustrere fibergitterbaserte trykksensorer i fig. 9 t.o.m.14, kunne andre typer av ikke-symmetriske polarisasjonsbevarende fibre slik som de vist i fig. 8 ha blitt benyttet i stedet.

En ytterligere anvendelse av tverrgående deformasjonssensorer er målingen av tverrgående deformasjonsgradienter. Fig. 15 viser en fibergitterbasert tverrgående deformasjonssensor 700 basert på dobbeltbrytende optisk fiber. Et fibergitter 702 er påført kjernen 704 i det dobbeltbrytende optiske fiber 706 med hovedakse 708 og 710. Når tverrgående deformasjonsgradienter 712 og 714 er tilført langs aksene 708 og 710, vil resultatet være en endring i det forhøyede spektralprofil som et resultat av deformasjonsgradienten.

Fig. 16 viser resultatet av et Fibercore-polarisasjonsbevarende fiber med 1550 nm fibergitter påført sin kjerne som ble støpt inn i en epoksysylinder og tverrgående belastet med parallelle flate plater ved 300 pund. Begge topper er klart synlige selv om noe spredning av det reflekterte spektrum har oppstått. Fig. 17 viser det resulterende reflekterte spektrum ved 400 punds belastning. Den høyre topp korresponderende til en av de tverrgående akser begynner å spre seg bredt på grunn av tverrgående deformasjonsgradienter, mens den andre fremdeles beholder noe av sin originale form. Fig. 18 viser resultatet når 450 punds belastning påføres. I dette tilfellet viser en av de tverrgående akser betydelig spredning på grunn av tverrgående deformasjonsgradienter, mens den andre såvidt begynner å vise betydelig endring. Ved å måle bredden av denne spredningen såvel som intensitetsspektret er det mulig å måle tverrgående deformasjonsgradienter.

Oppfinnelsen som så langt er beskrevet har alle blitt beskrevet ved at de opererer ved refleksjon. Det er også mulig å operere tverrgående deformasjonssensorer i overføring for målinger av deformasjon, trykk og deformasjonsgradienter. Fig. 19 viser en grunnleggende utforming 500. En lyskilde 502 som kan være en bredbånds-lyskilde eller en justerbar nærbånds-lyskilde overfører lys inn i fiberenden 504 og genererer en lysstråle 506 som beveger seg ned langs det optiske fiber 508. Lysstrålen 506 beveger seg til ett eller flere fibergitre 510 innført i det optiske fiber 508. Det optiske fiber 508 kan i området ved fibergitrene 510 være dobbeltbrytende og/eller geometrisk formet som beskrevet i forbindelse med tidligere figurer. En del av lysstrålen 506 passerer gjennom fibergitrene 510 som lysstrålen 512 og er rettet langs det optiske fiber 508 til utgangsspektral-analysatoren/prosessoren 514. Spektralanalysatoren/prosessoren 514 genererer igjen utgangssignalet 516 som kan være indikerende for tverrgående deformasjon, trykk eller deformasjonsgradienter.

Fig. 20A og 20B viser det overførte utgangsspekter fra en dobbelt overliggende fibergitter tverrgående sensor ved benyttelse av en utforming i likhet med den som er vist i fig. 19. Lyskilden benyttet i dette tilfellet besto av kantemitterende lysemitterende dioder som opererer med senterbølgelengder på 1300 og 1550 nm. Disse lyskilder kunne benyttes individuelt eller kombinert i en enkel effektiv lyskilde ved benyttelse av et bølgelengde-divisjonsmultiplekseelement. Fibergitrene korresponderende til dataene vist i fig. 20A og 20B ble skrevet ved 1300 og 1550 nm i hovedsakelig den samme posisjon på Fujikura-polarisasjonsbevarende optisk fiber. Fig. 20A viser at topp-til-topp-separasjonen mellom de to overførte fordypninger er omtrent 0,320 nm ved 1300 nm. Fig. 20B viser at topp-til-topp-separasjonen mellom de to overførte fordypninger er omtrent 0,406 nm ved 1550 nm. Som det er vist i fig. 20A og 20B tillates også ved operasjon i en overføringsutforming i likhet med fig. 19 topp-til-topp-målinger for å bestemme tverrgående deformasjon, trykk eller deformasjonsgradienter på lignende vis som det som er beskrevet i forbindelse med tidligere figurer. En ulempe med overføringstilnærmingen i forbindelse med fig. 19 i motsetning til å benytte refleksjonsutforming beskrevet med tidligere figurer, er at den krever tilgang til begge ender av den tverrgående fibersensor. I enkelte anvendelser kan dette legge til betydelig kostnad, særlig når det er en betydelig avstand mellom måleområdet og området hvor informasjonen skal prosesseres.

Det er derved vist og beskrevet nye tverrgående deformasjonssensorer som kan benyttes for å måle trykk, temperatur og tverrgående deformasjonsgradienter og oppfylle alle hensiktene og fordelene i denne forbindelse. En rekke endringer, modifikasjoner, variasjoner, anvendelser og benyttelser av oppfinnelsen vil imidlertid fremkomme for en fagmann på området etter å ha studert beskrivelsen og de vedlagte tegninger. Alle slike endringer, modifikasjoner, tilpasninger og andre anvendelser og benyttelser som ikke avstår fra det oppfinneriske konsept anses å være dekket av oppfinnelsen som kun begrenses av de etterfølgende krav.

Claims

1. System for å måle tverrgående spenning i en optisk fiber innbefattende: en lyskilde for å frembringe en første lysstråle; en stråledeler forbundet for å motta den første lysstråle fra den nevnte lyskilde og dele denne i andre og tredje lysstråler; et optisk fiber forbundet for å motta den andre lysstråle fra stråledeleren, hvilken optisk fiber er karakterisert ved at et første optisk fiber er dannet for eksponering mot tverrgående spenning for å reflektere en del av den andre lysstråle som en fjerde lysstråle med to maksimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning på den nevnte optiske fiber ved det nevnte første optiske gitter; og en detektor for å måle spektralavstanden til de to maksimale spektralintensiteter og for å frembringe et første utgangssignal representativt for den tverrgående spenning i det nevnte optiske fiber.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte detektor er forbundet med den nevnte stråledeler for å motta en del av den fjerde lysstråle.

3. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte optiske fiber er et dobbeltbrytende optisk fiber med asymmetrisk fysisk svar på tilført trykk omkring dette, hvorved det første utgangssignal representativt for tverrgående spenning er representativt for trykk påført det nevnte dobbeltbrytende optiske fiber ved det nevnte optiske gitter.

4. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte detektor måler spektralavstanden til de to maksimale spektralintensiteter for å frembringe det første utgangssignal representativt for den tverrgående spenning påført den nevnte optiske fiber ved det første optiske gitter.

5. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte detektor måler den spektrale spredning til i det minste en av de to maksimale spektralintensiteter og frembringer det første utgangssignal representativt for enhver tverrgående deformasjonsgradient påført det nevnte optiske fiber ved det nevnte første optiske gitter.

6. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte første optiske gitter har: en første gitteravstand slik at det nevnte første optiske gitter reflekterer en første del av den andre lysstråle omkring en første frekvens, hvilket nevnte optiske fiber videre innbefatter: et andre optisk gitter samlokalisert med det første optiske gitter for eksponering mot tverrgående spenning for å reflektere en andre del av den andre lysstråle som en femte lysstråle med to maksimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning i det nevnte optiske fiberet ved det nevnte optiske gitter, hvilket andre optiske gitter har: en andre gitteravstand ulik fra den første gitteravstand slik at det nevnte andre optiske gitter reflekterer den andre del av den andre lysstråle omkring en andre frekvens ulik fra den første frekvens.

7. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte første optiske gitter har: en første gitteravstand slik at det nevnte første optiske gitter reflekterer en første del av den andre lysstråle omkring en første frekvens som den fjerde lysstråle, hvilket nevnte optiske fiber videre innbefatter: et andre optisk gitter adskilt fra det nevnte første optiske gitter for eksponering mot tverrgående spenning for å reflektere en andre del av den andre lysstråle som en femte lysstråle med to maksimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning til det nevnte andre optiske gitter, hvilket nevnte andre optiske gitter har: en andre gitteravstand ulik fra den første gitteravstand slik at det nevnte andre optiske gitter reflekterer den andre del av den andre lysstråle omkring en andre frekvens ulik fra den første frekvens.

8. System ifølge krav 7, karakterisert ved at den nevnte detektor måler de to maksimale spektralintensiteter i den fjerde og femte lysstråle for å frembringe det første utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter i den fjerde lysstråle og et andre utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter i den femte lysstråle.

9. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte optiske fiber er et første dobbeltbrytende optisk fiber med asymmetrisk fysisk svar i forhold til påført trykk, og hvor det første utgangssignal representativt for den tverrgående spenning er representativt for det påførte trykk, hvilket første optiske gitter har: en første gitteravstand slik at denne reflekterer en første del av den andre lysstråle omkring en første frekvens, hvilket system videre innbefatter: et andre dobbeltbrytende optisk fiber forbundet med den nevnte første dobbeltbrytende optiske fiber ved asymmetrisk fysisk svar i forhold til påført trykk, hvilket andre dobbeltbrytende optiske fiber har: et andre optisk gitter for eksponering mot tverrgående spenning for å reflektere en andre del av den andre lysstråle som en femte lysstråle ved to maksimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning til det nevnte andre optiske gitter, hvilket nevnte andre optiske gitter har: en andre gitteravstand ulik fra den første gitteravstand slik at det nevnte andre optiske gitter reflekterer den andre del av den nevnte andre lysstråle omkring en andre frekvens ulik fra den første frekvens.

10. System ifølge krav 9, karakterisert ved at den nevnte første dobbeltbrytende fiber er forbundet med den nevnte andre dobbeltbrytende optiske fiber ved et ikke-dobbeltbrytende optisk fiber.

11. Fremgangsmåte for å føle påføring av tverrgående spenning til en optisk fiber med et påført optisk gitter, karakterisert ved frembringelse av en første lysstråle; påføring av den første lysstråle på det optiske gitter når tverrgående spenning tilføres dette for å frembringe en refleksjon av en del av den første lysstråle med to maksimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning på det optiske fiber ved det første optiske gitter; oppdagelse av de to maksimale spektralintensiteter; og frembringelse av de to oppdagede maksimale spektralintensiteter et første utgangssignal representativt for den tverrgående spenning påført det optiske fiber.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den nevnte oppdagelse av de to maksimale spektralintensiteter innbefatter: oppdagelse av avstanden mellom de to maksimale spektralintensiteter og hvor det frembringes et første utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter innbefattende: frembringelse av et første utgangssignal representativt for avstanden mellom de to maksimale spektralintensiteter.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at det optiske fiber er dobbeltbrytende optisk fiber, trykk påført det dobbeltbrytende optiske fiber ved det optiske gitter forårsaker tverrgående spenning i det optiske gitter, og frembringelse av et første utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter innbefatter: frembringelse av et første utgangssignal representativt for trykket påført det dobbeltbrytende optiske fiber ved det optiske gitter.

14. (tillegg) Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at det første optiske gitter reflekterer et første spekter, og det optiske fiber er et dobbeltbrytende optisk fiber som innbefatter et andre optisk gitter som reflekterer et andre spekter ulikt fra det første spekter, trykk påført det dobbeltbrytende optiske fiber ved det andre optiske gitter forårsaker tverrgående spenning i det andre optiske gitter, hvor det frembringes et første utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter innbefattende: frembringelse av et første utgangssignal representativt for trykket påført det dobbeltbrytende optiske fiber ved det første optiske gitter og temperaturen i dette, og frembringelse av et andre utgangssignal representativt for trykket påført det dobbeltbrytende optiske fiber ved det andre optiske gitter og temperaturen i dette slik at trykket og temperaturen kan avledes fra det første og andre utgangssignal.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at det første og andre optiske gitter er samlokalisert.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at det første og andre optiske gitter er plassert slik at de er utsatt for hovedsakelig samme trykk og temperatur.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at det optiske fiber er et ikke-dobbeltbrytende optisk fiber, deformasjonsgradienter påført omkring det dobbeltbrytende optiske fiber ved det optiske fiber forårsaker tverrgående spenning i det optiske gitter som sprer i det minste en av de to maksimale spektralintensiteter, hvor det frembringes et første utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter innbefattende: frembringelse av et første utgangssignal representativt for deformasjonsgradienten påført omkring det ikke-dobbeltbrytende optiske fiber ved det optiske gitter.

18. System for å føle påføring av trykk innbefattende: en lyskilde for frembringelse av en første lysstråle; et dobbeltbrytende optisk fiber forbundet for å motta den første lysstråle, hvilket dobbeltbrytende optisk fiber er karakterisert ved et første optisk gitter dannet i dette for eksponering mot tverrgående spenning forårsaket av påført trykk til det dobbeltbrytende optiske fiber, hvilket nevnte første optiske gitter skal reflektere en første del av den første lysstråle som en andre lysstråle med to maksimale spektralintensiteter, hvilke spektralavstand mellom de maksimale spektralintensiteter varierer med det påførte trykk til det nevnte dobbeltbrytende optiske fiber ved det første optiske gitter; og en detektor for å måle de to maksimale spektralintensiteter i den andre lysstråle og for å frembringe et første utgangssignal representativt for det påførte trykk på den nevnte dobbeltbrytende optiske fiber.

19. System ifølge krav 18, karakterisert ved at den nevnte detektor måler avstanden mellom de to maksimale spektralintensiteter i den andre lysstråle og frembringer et første utgangssignal representativt for det påførte trykk på det første optiske gitter fra denne.

20. System ifølge krav 18, karakterisert ved at den nevnte dobbeltbrytende optiske fiber videre innbefatter: et andre optisk gitter dannet i dette for eksponering mot tverrgående spenning forårsaket av påført spenning på den nevnte dobbeltbrytende optiske fiber og temperaturen i dette, hvilket nevnte andre optiske gitter skal reflektere en andre del av den første lysstråle ved ulik frekvens i forhold til den første del som en tredje lysstråle med to maksimale spektralintensiteter, hvilken spektrale avstand mellom de maksimale spektralintensiteter i den tredje lysstråle varierer med det påførte trykk på den nevnte dobbeltbrytende optiske fiber og det nevnte andre optiske gitter og temperaturen i dette, hvor den nevnte detektor også måler avstand mellom de to maksimale spektrale intensiteter i den tredje lysstråle og frembringer et andre utgangssignal representativt for det påførte trykk på det andre optiske gitter og temperaturen i dette.

21. Et system for å føle tverrgående deformasjon i et optisk fiber innbefattende: en kilde for frembringelse av en første lysstråle; et optisk fiber forbundet for å motta den første lysstråle fra den nevnte lyskilde hvilket optisk fiber er karakterisert ved et første optisk gitter dannet i dette for eksponering mot tverrgående spenning for å overføre en del av den nevnte første lysstråle som en andre lysstråle med to minimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning på den nevnte optiske fiber ved det nevnt første optiske gitter; og en detektor for å måle de to minimale spektralintensiteter og for å frembringe et første utgangssignal representativt for den spektrale avstand mellom disse.

22. System ifølge krav 21, karakterisert ved at den nevnte optiske fiber er en dobbeltbrytende optisk fiber med asymmetrisk fysisk svar i forhold til påført trykk omkring dette, hvor det første utgangssignal representativt for tverrgående spenning er representativt for påført trykk på den nevnte dobbeltbrytende optiske fiber ved det nevnte første optiske gitter.

23. System ifølge krav 21, karakterisert ved at det nevnte første optiske gitter har: en første gitteravstand slik at den nevnte første optiske gitter overfører en del av den første lysstråle omkring en første frekvens, den nevnte optiske fiber innbefatter videre: et andre optisk gitter samlokalisert med det første optiske gitter for eksponering mot tverrgående spenning for overføring av en andre del av den første lysstråle som en tredje lysstråle med to minimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning på den nevnte optiske fiber ved det nevnte optiske gitter, hvilket andre optiske gitter har: en andre gitteravstand ulik fra den første gitteravstand slik at det nevnte andre optiske gitter overfører den andre del av den andre lysstråle omkring en andre frekvens ulik fra den første frekvens.

24. System ifølge krav 21, karakterisert ved at det nevnte første optiske gitter har: en første gitteravstand slik at det første optiske gitter overfører en første del av den første lysstråle omkring en første frekvens som den tredje lysstråle, hvilken nevnte optiske fiber videre innbefatter: et andre optisk gitter adskilt fra det nevnte første optiske gitter for eksponering mot tverrgående spenning for overføring av en andre del av den første lysstråle som en fjerde lysstråle med to minimale spektralintensiteter hvis spektrale avstand varierer med den påførte tverrgående spenning på det andre nevnte optiske gitter, hvilket andre optisk gitter har: en andre gitteravstand ulik fra den første gitteravstand slik at det nevnte andre optiske gitter reflekterer den andre del av den andre lysstråle omkring en andre frekvens ulik fra den første frekvens.

25. System ifølge krav 24, karakterisert ved at den nevnte detektor måler de to maksimale spektralintensiteter i den tredje og fjerde lysstråle for å frembringe det første utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter i den tredje lysstråle og et andre utgangssignal representativt for de to maksimale spektralintensiteter i den fjerde lysstråle.