專利名稱：編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感監(jiān)測(cè)裝置，具體地是一種編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
傳感器有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，多年來(lái)一直是研究熱點(diǎn)。由于光纖由絕緣耐高溫材料制成，光纖傳感器可以工作在強(qiáng)電磁場(chǎng)、高溫有腐蝕性的以及有爆炸危險(xiǎn)性的惡劣環(huán)境中，因而光纖傳感器比其它傳感器有更廣闊的應(yīng)用范圍。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，光電技術(shù)的不斷發(fā)展及光電器件成本的降低，光纖傳感器的研究已成為倍受關(guān)注的分支。現(xiàn)存的大容量分布式光纖傳感技術(shù)有，利用喇曼散射(專利01124438.0“分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)”；論文“用于測(cè)量空間溫度場(chǎng)的分布式光纖傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)”光電子技術(shù)與信息，2002 15(1))、布里淵散射(“基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進(jìn)展”測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2002年第16卷第2期)等不同的方法。喇曼散射和布里淵散射雖然適合分布式溫度測(cè)量，但是光纖散射光信號(hào)是十分微弱的，其中喇曼散射的光信號(hào)大約為入射光的 即億分之一，這樣弱的信號(hào)使得信號(hào)的測(cè)量和處理變得很困難，從而嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的性能，而且長(zhǎng)期使用中的性能穩(wěn)定性差，信號(hào)處理非常復(fù)雜，系統(tǒng)造價(jià)昂貴。
光纖光柵是利用紫外光的側(cè)寫入技術(shù)制作的傳感元件，可以通過(guò)調(diào)節(jié)柵距控制反射特定波長(zhǎng)的光，反射率可達(dá)90％～99％，這樣就大大提高了系統(tǒng)性能，便于信號(hào)的解調(diào)和后期的信號(hào)處理。由于采用數(shù)字式測(cè)量技術(shù)，除了具備光纖傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)外，還具有精確度高、穩(wěn)定性好、不易受外界各種因數(shù)的干擾等特點(diǎn)。
如果使用單光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)分布式測(cè)量，在對(duì)光柵進(jìn)行布點(diǎn)時(shí)，不同點(diǎn)的光柵之間，其光纖光柵布拉格中心波長(zhǎng)必須留有足夠?qū)挼拈g隔，不同點(diǎn)的光纖光柵的布拉格中心波長(zhǎng)間隔一般為2nm；又由于激光光源的帶寬較窄，通常只有40nm左右。因此，受以上兩方面因數(shù)所限，以單光柵為探頭的光纖光柵溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所部探頭的數(shù)量非常有限，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種不僅可應(yīng)用于大容量的溫度監(jiān)測(cè)，而且還可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的大容量的應(yīng)力、應(yīng)變、健康狀況等的實(shí)時(shí)在線定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的大容量編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置。
本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是一種編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置，由光纖光柵傳感陣列1、第一個(gè)寬帶光源2、第二個(gè)寬帶光源3、Y型分路器4、Y型分路器5、解調(diào)器6、解調(diào)器7、數(shù)據(jù)采集模塊8；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9和控制模塊10組成；第一個(gè)寬帶光源2通過(guò)Y型分路器4將光耦合入光纖光柵陣列1，Y型分路器4的另一個(gè)分路端口通過(guò)光纖11連接解調(diào)器6；第二個(gè)寬帶光源3通過(guò)Y型分路器5將光耦合入光纖光柵陣列1，Y型分路器5的另一個(gè)分路端口通過(guò)光纖12連接解調(diào)器7；解調(diào)器6、7通過(guò)導(dǎo)線13、14連接數(shù)據(jù)采集模塊8；數(shù)據(jù)采集模塊8、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9和控制模塊10用導(dǎo)線連接。
所述光纖光柵陣列1由編碼式光纖雙光柵組成，雙光柵即在光纖的同一位置寫入兩個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光柵，兩個(gè)中心波長(zhǎng)的窗口分布在1310nm和1550nm附近，同一個(gè)窗口中的每個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)相差2nm。
第一個(gè)寬帶光源2的光譜分布在1310nm窗口，帶寬30-40nm第二個(gè)寬帶光源3的光譜分布在1550nm窗口，帶寬30-40nm。
Y型分路器4工作在1310nm窗口，帶寬30-40nm；Y型分路器工作在1550nm窗口，帶寬30-40nm。
解調(diào)器6工作在1310nm窗口，帶寬30-40nm；解調(diào)器7工作在1550nm窗口，帶寬不能少于30-40nm。
本實(shí)用新型編碼式光纖光柵的位置、檢測(cè)量編碼原理如下由耦合模理論可知，均勻的非閃耀光纖FBG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))為
λB＝2 neffΛ (1)式(1)中neff為導(dǎo)模的有效折射率，Λ為光柵周期。
由式(1)可知，Bragg波長(zhǎng)是隨neff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neff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Δλb/λb＝(1-Pe)Δε+(α+ζ)ΔT＝KεΔε+KtΔT(2)其中Δε為外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)變量，pe為與材料泊松比、折射率和有效彈光系數(shù)有關(guān)的常數(shù)，ΔT是溫度變化量，α、ζ分別為光纖的溫度膨脹系數(shù)和熱光系數(shù).應(yīng)變量Δε、ΔT可以與很多物理量聯(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。我們利用此關(guān)系對(duì)需要檢測(cè)的狀態(tài)參量進(jìn)行編碼。
數(shù)據(jù)采集模塊8、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9和控制模塊10，計(jì)算出各個(gè)不同位置監(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)。
本實(shí)用新型不僅可應(yīng)用于大容量的溫度監(jiān)測(cè)，而且還可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的大容量的應(yīng)力、應(yīng)變、健康狀況等的實(shí)時(shí)在線定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。其原因在于光纖的小巧、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)。不僅如此，由于光纖光柵還具有波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、傳感精度和靈敏度極高，能進(jìn)行精確定位，絕對(duì)數(shù)字測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，特別是它可實(shí)現(xiàn)分布傳感，即在一根光纖上根據(jù)應(yīng)用要求刻寫多個(gè)不同布喇格波長(zhǎng)的光柵，而且能進(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、健康狀況等參數(shù)的實(shí)時(shí)、在線、分布式檢測(cè)，以及對(duì)結(jié)構(gòu)徐變、裂縫、整體性等結(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)。
本實(shí)用新型可對(duì)油罐，油氣管道、高壓變電站的溫度以及公路、橋梁、大型建筑等的應(yīng)力、應(yīng)變情況、健康狀況進(jìn)行大容量準(zhǔn)分布式測(cè)量。


圖1本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖圖2本實(shí)用新型雙光柵結(jié)構(gòu)示意圖圖3本實(shí)用新型雙光柵工作原理圖圖4本實(shí)用新型雙光柵傳感器的溫敏曲線圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1下面以對(duì)溫度的檢測(cè)、以由兩個(gè)光纖光柵組成的編碼式光纖光柵為例來(lái)對(duì)本實(shí)用新型加以詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，編碼式光纖光柵監(jiān)測(cè)裝置包括光纖光柵陣列1；寬帶激光光源2、3；Y型分路器4、5；解調(diào)器6、7；數(shù)據(jù)采集模塊8；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9和控制模塊10；。其中第一個(gè)寬帶光源2工作在1310nm窗口，帶寬30nm，它通過(guò)一個(gè)與之匹配的Y型分路器4將光耦合入光柵陣列，這個(gè)Y型分路器的另一個(gè)分路端口連接相應(yīng)的解調(diào)器6；第二個(gè)寬帶光源3工作在1550nm窗口，帶寬30nm，它通過(guò)另一個(gè)與之匹配的Y型分路器5將光耦合入光柵陣列，它的另一個(gè)分路端口連接相應(yīng)的解調(diào)器7。兩套解調(diào)器輸出的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊8對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步放大、濾噪、A\D轉(zhuǎn)換等處理。數(shù)據(jù)采集模塊8和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9的并行通信可采用計(jì)算機(jī)的EPP或ISA等標(biāo)準(zhǔn)接口。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)9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10，控制模塊10可以是一個(gè)可編程控制器(PLC)，它能根據(jù)控制信號(hào)執(zhí)行預(yù)先寫入的開(kāi)關(guān)、步進(jìn)、轉(zhuǎn)向等操作。
如圖2、圖3所示，所述的雙光柵是在光纖的同一位置寫入兩個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光柵15、16，中心波長(zhǎng)的窗口分布在1310nm和1550nm附近，同一個(gè)窗口中的每個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)相差2nm。這樣在每個(gè)窗口至少可分布15個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵。兩個(gè)光柵的布拉格中心波長(zhǎng)對(duì)所測(cè)點(diǎn)的位置和應(yīng)力進(jìn)行編碼，當(dāng)所測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)光柵的布拉格中心波長(zhǎng)同步變化。兩個(gè)光纖布拉格光柵在外界溫度變化時(shí)，布拉格中心波長(zhǎng)是同步變化的。
所述的兩套光纖光柵解調(diào)器6、7的工作波長(zhǎng)分別工作在1.30μm波段或1.55μm波段，工作波段范圍大于30nm。光纖光柵采用248nm紫外光輻射相位掩膜板技術(shù)制作的線性均勻光纖光柵，其長(zhǎng)度為5mm～12mm，反射率為90～99％，反射波段在1310或1550nm的波段。
本實(shí)用新型中的編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置是采用“準(zhǔn)分布式的光纖光柵傳感”技術(shù)來(lái)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)測(cè)，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)處光纖光柵的雙波長(zhǎng)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，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與編碼式光纖光柵的波長(zhǎng)陣列相對(duì)應(yīng)λ1l1λ2l2... λ1lnλ2l1λ2l2... λ2ln... ... ......
λnl1λnl2... λnln且確保各測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)值，在各點(diǎn)應(yīng)變達(dá)到最大值的極限情況下，各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布具有一定的間隔。光纖光柵陣列如附圖1中1所示，λ系列的波長(zhǎng)分布在1310nm窗口，λi和λi+1之間波長(zhǎng)相差2nm；l系列的波長(zhǎng)分布在1550nm窗口，同樣li和li+1之間波長(zhǎng)相差2nm。
3)確定光纖光柵解調(diào)器依據(jù)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大溫度或應(yīng)力變化值的光纖光柵波長(zhǎng)的變化值和各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布間隔大小，計(jì)算出所有測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)變化值和間隔值的總和，然后乘以相應(yīng)的波長(zhǎng)余額系數(shù)1.2～1.8，確定兩個(gè)窗口所需光纖光柵解調(diào)目的調(diào)制波長(zhǎng)的定向范圍，并結(jié)合應(yīng)力變化所需測(cè)量精度，選定兩套一定型號(hào)的適合于大容量解調(diào)的光纖光柵解調(diào)器。
4)確定光纖光柵傳感溫敏系數(shù)或應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)K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)K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。
權(quán)利要求1.一種編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述裝置由光纖光柵傳感陣列(1)、第一個(gè)寬帶光源(2)、第二個(gè)寬帶光源(3)、Y型分路器(4)、Y型分路器(5)、解調(diào)器(6)、解調(diào)器(7)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(9)和控制模塊(10)組成；第一個(gè)寬帶光源(2)通過(guò)Y型分路器(4)將光耦合入光纖光柵陣列(1)，Y型分路器(4)的另一個(gè)分路端口通過(guò)光纖(11)連接解調(diào)器(6)；第二個(gè)寬帶光源(3)通過(guò)Y型分路器(5)將光耦合入光纖光柵陣列(1)，Y型分路器(5)的另一個(gè)分路端口通過(guò)光纖(12)連接解調(diào)器(7)；解調(diào)器(6)、(7)通過(guò)導(dǎo)線(13)、(14)連接數(shù)據(jù)采集模塊(8)；數(shù)據(jù)采集模塊(8)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(9)和控制模塊(10)用導(dǎo)線連接。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光纖光柵陣列(1)由編碼式雙光柵組成，雙光柵即在光纖的同一位置寫入兩個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光柵，兩個(gè)中心波長(zhǎng)的窗口分布在1310nm和1550nm附近，同一個(gè)窗口中的每個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)相差2nm。
3.如權(quán)利要求1所述的編碼式光纖光柵溫度傳感監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于第一個(gè)寬帶光源(2)的光譜分布在1310nm窗口，帶寬30-40nm第二個(gè)寬帶光源(3)的光譜分布在1550nm窗口，帶寬30-40nm。
4.權(quán)利要求1所述的編碼式光纖光柵溫度傳感監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于Y型分路器(4)工作在1310nm窗口，帶寬30-40nm；Y型分路器(5)工作在1550nm窗口，帶寬30-40nm。
5.如權(quán)利要求1所述的編碼式光纖光柵溫度傳感監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于解調(diào)器(6)工作在1310nm窗口，帶寬30-40nm；解調(diào)器(7)工作在1550nm窗口，帶寬30-40nm。
專利摘要一種編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置，由光纖光柵傳感陣列寬帶光源Y型分路器4、Y型分路器、解調(diào)器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、和控制模塊、組成；第一個(gè)寬帶光源、通過(guò)Y型分路器、將光耦合入光纖光柵陣列，Y型分路器、的另一個(gè)分路端口通過(guò)光纖、連接解調(diào)器；第二個(gè)寬帶光源、通過(guò)Y型分路器、將光耦合入光纖光柵陣列，Y型分路器的另一個(gè)分路端口通過(guò)光纖連接解調(diào)器；解調(diào)器通過(guò)導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和控制模塊用導(dǎo)線連接。本實(shí)用新型不僅可應(yīng)用于大容量的溫度監(jiān)測(cè)，而且還可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的大容量的應(yīng)力、應(yīng)變、健康狀況等的實(shí)時(shí)在線定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的大容量編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置。
文檔編號(hào)G01K11/00GK2663961SQ200320116240
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2003年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者姜德生, 梅家純, 高雪清, 陳宏波, 南秋明, 羅裴 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)