Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 59088-2020 "Оптика и фотоника. Датчики волоконно-оптические. Классификация" (утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 октября 2020 г. N 780-ст)

Optics and Photonics. Fiber optical sensors. Classification

ОКС 17.020

Дата введения - 1 марта 2021 г.
Введен впервые

Предисловие

1 Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ФГУП "НИИФООЛИОС ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") и Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ")

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 296 "Оптика и фотоника"

3 Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 октября 2020 г. N 780-ст

4 Введен впервые

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на волоконно-оптические датчики (ВОД), применяемые для измерений физических величин (температуры, деформации, давления, расстояния, скорости и др.), используемые в различных отраслях экономики (машиностроение, судостроение, авиастроение, электроэнергетика, горнодобывающая отрасль, нефтяная и газовая отрасли, строительство и эксплуатация зданий и сооружений и др.), и устанавливает классификацию ВОД.

2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1 волоконно-оптический датчик; ВОД: Небольшое по размерам устройство, в котором оптическое волокно использовано одновременно в качестве линии передачи данных и чувствительного элемента, способного детектировать изменения различных физических величин.

Примечание - В качестве чувствительного элемента может выступать само оптическое волокно или оптический (содержащий оптическую часть) элемент в его составе, в общем случае состоящий из подводящих волоконно-оптических кабелей и преобразователя сигналов. Конфигурации ВОД приведены в приложении А на рисунках А.1-А.3.

2.2 оптическое волокно; ОВ: Оптический волновод волоконно-оптической системы передачи, выполненный в виде нити из диэлектрических материалов с покрытием.

2.3 внешний волоконно-оптический датчик: Волоконно-оптический датчик, в котором чувствительным элементом является само оптическое излучение, находящееся вне оптического волокна, по которому оно доставлено к месту измерений.

2.4 встроенный волоконно-оптический датчик: Волоконно-оптический датчик, чувствительный элемент которого состоит из одного или нескольких оптических волокон, в которых одна или несколько характеристик, таких как интенсивность, фаза, поляризация, спектр, длина волны или время распространения оптического излучения, зависят от измеряемой величины.

Примечание - Существует множество встроенных ВОД, в которых чувствительным элементом является оболочка ОВ (например, химические ВОД) или взаимное расположение оболочки и сердцевины ОВ (например, ВОД изгиба). Такие датчики могут быть определены как встроенные ВОД непрямого действия. Встроенные ВОД прямого действия основаны на непосредственном воздействии на характеристики сердцевины ОВ (например, ВОД на основе рассеяния Мандельштама - Бриллюэна, Рамана, Рэлея).

2.5 интегрирующий волоконно-оптический датчик: Волоконно-оптический датчик, обеспечивающий результат измерений величины в пространстве с помощью непрерывного чувствительного элемента определенной длины, площади или объема.

Примечание - Измеряемая величина не является пространственно разрешенной, а интегрируется или суммируется по длине чувствительного элемента.

2.6 интеррогатор (волоконно-оптический контроллер, анализатор сигналов волоконно-оптического датчика): Устройство опроса волоконно-оптического датчика (вторичный преобразователь в измерительной системе на основе волоконно-оптического датчика), совмещающее в себе часть оптического интерфейса и сигнальный интерфейс.

2.7 распределенный волоконно-оптический датчик: Волоконно-оптический датчик, обеспечивающий пространственно разрешенные измерения величины в протяженном объекте с помощью непрерывного чувствительного элемента по всей его длине (площади, объему).

2.8 точечный волоконно-оптический датчик: Волоконно-оптический датчик, состоящий из одного дискретного чувствительного элемента, который генерирует сигнал, связанный со значением измеряемой величины.

2.9 квазираспределенный волоконно-оптический датчик: Волоконно-оптический датчик, состоящий из нескольких точечных волоконно-оптических датчиков, обеспечивающий пространственно разрешенные измерения величины в протяженном объекте в некоторой совокупности точек.

2.10 оптический приемник: Устройство, регистрирующее излучение, подверженное воздействию измеряемой величины, и преобразующее его по заранее заданному закону в другую величину, как правило, электрическую.

Примечание - Оптический приемник может быть оснащен одним или несколькими фотодетекторами, формирователями сигналов и интерфейсами связи.

2.11 оптический источник: Устройство, обеспечивающее подачу оптической энергии, необходимой для регистрации/индикации взаимодействия с измеряемой величиной.

Примечание - Оптический источник оснащен как минимум одним источником излучения и может содержать систему формирования сигнала. Если оптическая энергия воспроизводится физическим явлением, то оптический источник не требуется.

2.12 пространственное разрешение: Мера, характеризующая способность распределенного волоконно-оптического датчика различать пространственные признаки измеряемой величины.

Примечание - Разрешение измеряемой величины (например, температуры или деформации), пространственное разрешение, диапазон расстояний и время измерения взаимосвязаны. Дополнительное влияние на указанные характеристики оказывает обработка сигнала.

2.13 оптический или имеющий оптическую часть чувствительный элемент: Устройство, воспринимающее воздействие физической величины и преобразующее ее в изменение оптической величины по определенному закону.

2.14 длина базы: Длина, отмеченная на прямолинейной части измеряемого объекта, относительно которой измеряют удлинение.

Примечания

1 Данный показатель используют при механических испытаниях материалов.

2 Если ВОД закреплен в двух фиксированных точках на расстоянии L друг от друга, то длина базы равна L. Если ВОД длиной I непрерывно закреплен в или на измеряемом объекте длиной L, то фактическая длина базы зависит от способа крепления к измеряемому объекту и от механических параметров самого ВОД и окружающей среды; как правило, длина базы больше I, но короче L.

3 С целью достижения определенной длины базы рекомендуется учитывать способ, с помощью которого ВОД будет закреплен/прикреплен/встроен. В случае непрерывно закрепленного ВОД его фиксированная длина должна превышать определенную длину базы на несколько десятков диаметров ОВ для того, чтобы избежать проблем по краям ВОД, связанных с эффектом сдвигового запаздывания. В конкретном случае разрушения или трещины в пределах длины базы образца окончательную длину базы рассчитывают исходя из длины базы при разрушении путем вычитания из последней упругой части удлинения.

2.15 оптический интерфейс: Условное место в структурной схеме волоконно-оптического датчика, в котором оптическим путем определяется влияние измеряемой величины на чувствительный элемент.

Примечание - На выходе оптического интерфейса формируется первичный оптический сигнал для последующей обработки пользователем. Типичными характеристиками таких сигналов могут быть длина волны, состояние поляризации, оптическая мощность и т.д. К более детальным техническим требованиям относят тип волоконно-оптического разъема, тип ОВ и т.д.

2.16 сигнальный интерфейс: Условное место в схеме волоконно-оптического датчика, в котором эффект измеряемой величины присутствует в форме, непосредственно используемой для целей контроля или измерений.

Примечание - Оптический(ие) интерфейс(ы) и сигнальный(ые) интерфейс(ы) в некоторых случаях могут совпадать.

2.17 аналоговый сигнальный интерфейс: Сигнальный интерфейс, обеспечивающий аналоговые выходные сигналы в форме, непосредственно используемой для целей управления или измерения, и, как правило, являющийся электрическим.

Примечание - Выходные сигналы должны соответствовать существующим стандартам на интерфейсы с аналогично существующими для электрических аналоговых сигналов. Выходные сигналы могут быть, например, от 4 до 20 мА, от 0 до 20 мА, от 0 до 5 В и т.д.

2.18 коммуникационный интерфейс: Цифровой интерфейс волоконно-оптического датчика, обеспечивающий цифровые выходные сигналы в форме, непосредственно используемой для целей контроля или измерения, или цифровую связь с другими устройствами.

2.19 волоконная решетка Брэгга (волоконная брэгговская решетка); ВБР: Участок одномодового оптического волокна, в сердцевине которого индуцирована периодическая структура показателя преломления, предназначенная для избирательного отражения оптического излучения в определенном диапазоне длин волн.

3 Классификация

3.1 ВОД классифицируют по следующим признакам:

- назначение;

- принцип преобразования;

- пространственное распределение;

- вид интерфейса.

3.2 Классификация ВОД по назначению приведена в таблице 1. Пояснения к классификации ВОД по назначению приведены в приложении Б.

Таблица 1

Категория	Вид	Примечание
Наличие/отсутствие объектов или явлений	Концевые выключатели. ВОД уровня. ВОД сближения. ВОД на основе эффекта фотопрерывания	См. Б.1 (приложение Б)
Тип измеряемого положения	ВОД линейного положения. ВОД углового положения. ВОД сближения. ВОД положения в пространстве. ВОД размеров	См. Б.2 (приложение Б)
Тип измеряемого изменения положения	ВОД линейной скорости. ВОД угловой скорости. ВОД угла поворота и скорости вращения. ВОД линейного ускорения. ВОД углового ускорения	См. Б.3 (приложение Б)
ВОД потока	-	См. Б.4 (приложение Б)
ВОД температуры	-	См. Б.5 (приложение Б)
Одномерные ВОД силы	Сейсмические ВОД. ВОД вибрации. ВОД крутящего момента. ВОД массы и веса	См. Б.6 (приложение Б)
Двумерные ВОД силы	Акустические ВОД (измерение изменяющегося во времени давления, вызванного акустическими волнами). ВОД давления (давление газов или жидкостей)	См. Б.7 (приложение Б)
ВОД деформации	-	См. Б.8 (приложение Б)
ВОД электромагнитных величин	ВОД магнитного поля. ВОД электрического тока. ВОД электрического поля. ВОД электрического напряжения. ВОД электромагнитного излучения	См. Б.9 (приложение Б)
ВОД ионизирующего и радиационного излучения	-	См. Б.10 (приложение Б)
ВОД других физических свойств материалов	ВОД показателя преломления среды. ВОД плотности среды. ВОД вязкости среды. ВОД ударной нагрузки	См. Б.11 (приложение Б)
ВОД химического состава и специальных химических величин	-	См. Б.12 (приложение Б)
ВОД частиц	ВОД количества частиц. ВОД атомного состава. ВОД мутности	См. Б.13 (приложение Б)

3.3 В зависимости от принципа преобразования ВОД подразделяют на ВОД, основанные:

- на активной генерации оптического излучения;

- атомно-полевом взаимодействии;

- модуляции когерентного оптического излучения;

- модуляции оптического излучения по интенсивности;

- спектральной модуляции оптического излучения;

- фазовой модуляции оптического излучения;

- модуляции оптического излучения по состоянию поляризации.

Пояснения к классификации ВОД по принципу преобразования приведены в приложении В.

3.4 В зависимости от пространственного распределения ВОД подразделяют:

- на точечные;

- квазираспределенные;

- интегрирующие;

- распределенные.

3.5 В зависимости от вида интерфейса ВОД подразделяют на ВОД:

- с сигнальным интерфейсом;

- аналоговым сигнальным интерфейсом;

- коммуникационным интерфейсом.