專利名稱：一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
光纖光柵以其體積小、易于封裝、可大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)而成為光纖傳感器家 族中的一員，由于是基于無(wú)偏振的傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合而反射特定波長(zhǎng)的光 纖濾波器，可用于溫度、應(yīng)變等物理量的測(cè)量，目前已廣泛用于民用建筑、大壩、橋梁、隧道、 高壓變電站等的健康檢測(cè)以及復(fù)合材料、智能結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。與其它類型的傳統(tǒng)傳感器 相比，盡管它的價(jià)格比較高，但它的最大優(yōu)點(diǎn)是其可復(fù)用，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化傳感。這樣使得每個(gè) 傳感器平均價(jià)格比較低，因此對(duì)大規(guī)模傳感應(yīng)用來說，光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是首選的技 術(shù)。在現(xiàn)有的技術(shù)中，中國(guó)專利CN1828229A(黑龍江大學(xué)，余有龍)公開的“基于CPLD 的時(shí)分復(fù)用光纖光柵傳感測(cè)試系統(tǒng)” 200610009939. X，處理電路復(fù)雜，能同時(shí)監(jiān)測(cè)線路上的 所有光纖光柵，但光纖光柵個(gè)數(shù)不多；中國(guó)專利CN1546966A(武漢理工大學(xué)，姜德生)公開 的“大容量編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)” 200310111529. 2，使用中心波長(zhǎng)1550nm的寬帶 光源和中心波長(zhǎng)1310nm的寬帶光源在一個(gè)光纖上進(jìn)行光源復(fù)用，在現(xiàn)有光源帶寬30-40nm 下實(shí)現(xiàn)了最大光纖光柵數(shù)400，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，性能比較穩(wěn)定，但是光纖光柵個(gè)數(shù)強(qiáng)烈 依賴復(fù)用的光源寬帶。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠用于長(zhǎng)距離、大容量的溫度和 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)的基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包 括設(shè)有光柵傳感陣列、且光柵傳感陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的帶狀光纖， 寬帶光源，分支器，環(huán)行器，解調(diào)器，數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，其特征在于所 述寬帶光源通過分支器分別與至少兩個(gè)環(huán)行器連接，環(huán)行器的輸出口分別連接帶狀光纖中 的一支，環(huán)行器的返回輸出口分別連接一解調(diào)器，解調(diào)器分別通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集控制模 塊連接，數(shù)據(jù)采集控制模塊通過計(jì)算機(jī)插槽或USB接口與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接。上述設(shè)有光柵傳感陣列、且光柵傳感陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的 帶狀光纖為二芯帶狀光纖或三芯帶狀光纖。上述帶狀光纖上成對(duì)的光柵傳感陣列是由一個(gè)寬帶光源劃分η個(gè)光柵反射譜，取 該η個(gè)光柵的子集元素依次熔接或直接制作在帶狀光纖上構(gòu)成。上述寬帶光源為單寬帶光源或雙寬帶光源。本方案的優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)寬帶光源就能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量的準(zhǔn)分布式測(cè)量。按上述 一個(gè)寬帶光源可驅(qū)動(dòng)20個(gè)光纖光柵，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔25m，采用三芯帶狀光纖的系統(tǒng)，最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)為20X20X20 = 8000，距離長(zhǎng)達(dá)8000 X 25m = 200km。當(dāng)然，這么長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)距離，返回 光功率很弱。中心波長(zhǎng)1550nm的寬帶光源加前置寬帶光纖放大器以脈沖方式工作，占空比 大于2，脈寬小于10ns，每芯入射的峰值功率小于受激拉曼閾值，大約為IW - 50ff(依線路 平均損耗情況而定)，工業(yè)級(jí)探測(cè)器的靈敏度在nW級(jí)，這樣有90dB的動(dòng)態(tài)范圍，光纖線路損 耗大約在0. 2dB/km,理想情況的監(jiān)測(cè)距離為90/0. 2/2 = 225km。由于熔接損耗不可忽略， 顯然要加中繼放大器才能完成200km的監(jiān)測(cè)距離。由此本系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容 量的溫度監(jiān)測(cè)，而且還可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)距離、大容量的應(yīng)力、應(yīng)變等的實(shí)時(shí)在線監(jiān) 測(cè)。其原因不僅在于光纖的柔軟、抗干擾能力強(qiáng)，集傳感與傳輸于一體，易于制作及埋入材 料內(nèi)部等優(yōu)點(diǎn)，而且由于光纖光柵還具有偏振無(wú)關(guān)、波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、傳感精度和靈敏度極 高，絕對(duì)數(shù)字測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，能進(jìn)一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的 應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的實(shí)時(shí)、在線、分布式檢測(cè)，以及對(duì)結(jié)構(gòu)緩變、裂縫等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線 監(jiān)測(cè)，使結(jié)構(gòu)能夠測(cè)量其外部荷載以及結(jié)構(gòu)本身對(duì)荷載的響應(yīng)。因此，本實(shí)用新型資源，如大壩、油氣管道、高壓變電站等場(chǎng)合的溫度以及公路、橋 梁、隧道、大型建筑等的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行長(zhǎng)距離準(zhǔn)分布式測(cè)量。

圖1是本實(shí)用新型二芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型雙寬帶光源的二芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型三芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置如圖1所示，它包括設(shè)有光柵傳感陣列、 且光柵傳感陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的帶狀光纖，寬帶光源，分支器，環(huán)行 器，解調(diào)器，數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。寬帶光源2通過Y型分支器3與環(huán)行器 連4、5連接，環(huán)行器的輸出口分別連接二芯帶狀光纖中的一支，環(huán)行器的返回輸出口分別 連接一解調(diào)器6、7，解調(diào)器分別通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集控制模塊8連接，數(shù)據(jù)采集控制模塊通 過計(jì)算機(jī)9插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9連接。二芯帶狀光纖1上成對(duì)的光柵傳感陣列由一個(gè)寬帶光源劃分η個(gè)用 于監(jiān)測(cè)的光柵反射譜I^1 :i = 1，2，……，n}，任取這η個(gè)光柵的二維子集
υ{(Λ ,,Λ,> ,=1，2，……，k·’ k,"“丨的元素依次熔接或直接制作在二芯帶狀光纖上構(gòu)成，
總共有Nk對(duì)光柵，每對(duì)間隔距離可以相同，也可以不相同。圖2所示的是雙寬帶光源的二芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雙寬帶光源2、14通過 2X2型波分復(fù)用器15與環(huán)行器連4、5連接，環(huán)行器的輸出口分別連接二芯帶狀光纖中的 一支，每一芯帶狀光纖上的同一位置刻有和雙寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的雙波長(zhǎng)編碼光柵， 環(huán)行器的返回輸出口分別與Y型波分復(fù)用器16、17連接。Y型波分復(fù)用器16分別通過解 調(diào)器6、18與數(shù)據(jù)采集控制模塊8連接；解調(diào)器分別通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集控制模塊8連接； Y型波分復(fù)用器17分別通過解調(diào)器7、19與數(shù)據(jù)采集控制模塊8連接。本實(shí)用新型中的帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)方法是采用“準(zhǔn)分布式的光纖光柵傳感”技術(shù)來對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度或應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、無(wú)須定時(shí)跟蹤的監(jiān)側(cè)，根據(jù)圖1中系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)示意圖，其具體實(shí)現(xiàn)步驟是1)確定應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布依據(jù)被監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)具體情況和工程應(yīng)用情況，確定測(cè)量 點(diǎn)的數(shù)目和測(cè)量分布方式，粗估各點(diǎn)溫度或應(yīng)力、應(yīng)變的值，推算出整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力、應(yīng)變分 布概況。2)確定各測(cè)點(diǎn)處光纖光柵的波長(zhǎng)設(shè)計(jì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與光纖光柵的對(duì)應(yīng)表格， 根據(jù)制作成型的各光纖光柵的最大變化光譜范圍作單調(diào)遞增排列，根據(jù)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn) 溫度或應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，特別是各點(diǎn)的溫度或應(yīng)力變化的最大值作單調(diào)遞增排列，依據(jù)
它們的關(guān)系取二維子集 |(Λ，Λ):/=1，2，……，k ’ k> 填寫各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與光纖
m=\、 “‘
光柵的對(duì)應(yīng)表。3)確定光纖光柵傳感溫敏系數(shù)或應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)依據(jù)光纖光柵在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 固定方式(焊接、粘貼)，分布方式(外置、內(nèi)嵌)，選定系數(shù)值，并在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè) 置，以保證在數(shù)據(jù)處理中換算出各點(diǎn)溫度值或應(yīng)力大小。4)光損耗計(jì)算根據(jù)整個(gè)光路的焊接點(diǎn)、聯(lián)接點(diǎn)，計(jì)算整個(gè)光路的光強(qiáng)損失，以保 證各光柵反射光的強(qiáng)度不小于發(fā)射光強(qiáng)的5%。5)現(xiàn)場(chǎng)整體狀態(tài)的確定依據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度或應(yīng)力變化的大小，軟件系統(tǒng)要進(jìn)行 特定程序的運(yùn)算，確定現(xiàn)場(chǎng)整體狀態(tài)的分布，并對(duì)極限狀態(tài)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)和自動(dòng)調(diào)整的控 制信號(hào)?？刂菩盘?hào)接入控制模塊8，控制模塊可以是一個(gè)DSP處理芯片，它能根據(jù)控制信號(hào) 執(zhí)行預(yù)先寫入的時(shí)鐘恢復(fù)、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)等操作。其監(jiān)測(cè)原理如下由耦合模理論可知，均勻的非閃耀光纖TOG可將其中傳輸?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模耦合到另一 個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(zhǎng)(Bragg波長(zhǎng))λΒ = 2neffA (1)式(1)中Iieff為導(dǎo)模的有效折射率，A為光柵周期。由式⑴可知，Bragg波長(zhǎng)是 隨nrff和Λ而改變的。當(dāng)光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可能導(dǎo)致光纖光柵本身的溫度、 應(yīng)力應(yīng)變、壓力等發(fā)生變化，其光柵周期Λ和纖芯折射率nrff將發(fā)生變化，使峰值反射波長(zhǎng) 發(fā)生變化，其相對(duì)偏移量是
A O=+(2)
又b其中Δ ε為外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)變量，ΔΤ是溫度變化量，Kt為溫敏系數(shù)，Ke為應(yīng) 力應(yīng)變系數(shù)。應(yīng)變量Δ ε、ΔΤ與很多物理量聯(lián)系在一起，如溫度、濕度、位移、壓力、電磁 力、流量、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等各種狀態(tài)量。由(2)式可知，當(dāng)光柵所在位置的環(huán)境狀況發(fā)生變化 時(shí)，將引起光纖光柵布拉格中心波長(zhǎng)產(chǎn)生變化.光纖光柵布放時(shí)二或三維子集元素已經(jīng)與 位置聯(lián)系在一起了，并且解調(diào)器獨(dú)立地記錄著帶狀光纖上每條光纖的每個(gè)光纖光柵的反射 譜，組合、計(jì)算反射譜變化就知道每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)參量大小的變化、變化速率數(shù)據(jù)，并且 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值，對(duì)超出范圍的檢測(cè)點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)并對(duì)突發(fā)事件發(fā)出報(bào)警。如圖3所示，基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括設(shè)有光柵傳感陣列、且光柵傳感 陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的帶狀光纖，寬帶光源，分支器，環(huán)行器，解調(diào)器，數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。寬帶光源2通過1X3型分支器3與環(huán)行器連4、5、 12連接，環(huán)行器的輸出口分別連接三芯帶狀光纖中的一支，環(huán)行器的返回輸出口分別連接 一解調(diào)器6、7、13，解調(diào)器分別通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集控制模塊8連接，數(shù)據(jù)采集控制模塊通 過計(jì)算機(jī)9插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9連接。 三芯帶狀光纖上成對(duì)的光柵傳感陣列10由一個(gè)寬帶光源劃分了 η個(gè) 用于監(jiān)測(cè)的光柵反射譜:i = 1,2,……，n}，任取這η個(gè)光柵的子集
k' N、，MS (的元素依次熔接或直接制作在三芯帶
狀光纖上構(gòu)成，總共有N1N2Ic對(duì)光柵。
權(quán)利要求一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括設(shè)有光柵傳感陣列、且光柵傳感陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的帶狀光纖，寬帶光源，分支器，環(huán)行器，解調(diào)器，數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，其特征在于所述寬帶光源(2).通過分支器分別與至少兩個(gè)環(huán)行器連接(4、5)，環(huán)行器的輸出口分別連接帶狀光纖(1)中的一支，環(huán)行器的返回輸出口分別連接一解調(diào)器(6、7)，解調(diào)器分別通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集控制模塊(8)連接，數(shù)據(jù)采集控制模塊通過計(jì)算機(jī)(9)插槽或USB接口與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述設(shè)有 光柵傳感陣列、且光柵傳感陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的帶狀光纖(1)為二 芯帶狀光纖或三芯帶狀光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述 帶狀光纖(1)上成對(duì)的光柵傳感陣列是由一個(gè)寬帶光源劃分η個(gè)光柵反射譜，取該η個(gè)光 柵的子集元素依次熔接或直接制作在帶狀光纖上構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述 寬帶光源為單寬帶光源(2)或雙寬帶光源(2、14)。
專利摘要一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。其目的是提供一種能夠用于長(zhǎng)距離、大容量的溫度和應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)的基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其包括設(shè)有光柵傳感陣列、且光柵傳感陣列分布著寬帶光源中心波長(zhǎng)附近的光柵的帶狀光纖，寬帶光源，分支器，環(huán)行器，解調(diào)器，數(shù)據(jù)采集控制模塊和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，寬帶光源(2)通過分支器分別與至少兩個(gè)環(huán)行器連接(4、5)，環(huán)行器的輸出口分別連接帶狀光纖(1)中的一支，環(huán)行器的返回輸出口分別連接一解調(diào)器(6、7)，解調(diào)器分別通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集控制模塊(8)連接，數(shù)據(jù)采集控制模塊通過計(jì)算機(jī)(9)插槽或USB接口與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接。
文檔編號(hào)G01D5/26GK201653436SQ20102015549
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者劉慶, 劉斌, 李友松, 汪洪波, 連鋒 申請(qǐng)人:合肥正陽(yáng)光電科技有限責(zé)任公司