本發(fā)明涉及氣壓測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。在航空航天中，氣壓是一個(gè)重要的參數(shù)，氣壓表可以對(duì)很多其他導(dǎo)航儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的氣壓表已經(jīng)不能完全滿足航空航天中對(duì)于儀表的防燃防爆防電磁干擾的需要，研制一種體積小巧且抗干擾能力強(qiáng)的氣壓表成為迫切需要。

光纖傳感技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，自從問世以來(lái)，就受到廣泛的關(guān)注和重視，在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并起到了良好的效果。近年來(lái)，隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感器在電力系統(tǒng)、石油化工、航空航天、環(huán)保、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。其中，分布式待測(cè)光纖是光纖傳感技術(shù)的重要的一種器件。

現(xiàn)有技術(shù)中，中國(guó)專利CN102680162“一種基于光纖光柵的大氣壓力計(jì)”利用匹配光柵解調(diào)發(fā)法，解調(diào)波長(zhǎng)漂移的信息，從而求得光纖光柵的應(yīng)變大小，即真空膜盒的形變程度，最終得到大氣壓力值。檢測(cè)的是光波長(zhǎng)而非光功率，光波長(zhǎng)信息不受光傳輸過程中光功率損耗的影響，因而檢測(cè)精度更高、分辨力更大，噪聲更小。相比傳統(tǒng)氣壓測(cè)量系統(tǒng)，靈敏度高，應(yīng)變分辨力強(qiáng)，而且光纖傳感器抗電磁干擾、抗震動(dòng)、抗潮濕、抗腐蝕等能力很強(qiáng)，使得此套系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中也能長(zhǎng)期正常地使用，并且本發(fā)明質(zhì)量輕、體積小。

對(duì)于大氣壓強(qiáng)的測(cè)量，由于影響大氣壓強(qiáng)的因素較多且復(fù)雜，往往在較小的范圍內(nèi)氣壓都會(huì)有差異，尤其是在垂直方向上，氣壓會(huì)隨著海拔高度的增大而減小。而現(xiàn)有技術(shù)中氣壓測(cè)量裝置一般只能測(cè)試一個(gè)位置的氣壓值，并且通常的氣壓檢測(cè)探頭的檢測(cè)面又很小，這就有可能造成較大的測(cè)量誤差。因此，將分布式光纖傳感技術(shù)運(yùn)用到氣壓測(cè)量能彌補(bǔ)傳統(tǒng)氣壓測(cè)量裝置不足，結(jié)合分布式傳感器的特點(diǎn)，能同時(shí)獲得多個(gè)不同空間位置的氣壓值，通過計(jì)算得到更準(zhǔn)確的大氣壓強(qiáng)值，在測(cè)量精度上有顯著的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述問題或者至少部分地解決上述問題，提供一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)及方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)，包括氣壓傳感裝置和氣壓計(jì)算裝置；所述氣壓傳感裝置，至少包括兩個(gè)真空膜盒和待測(cè)光纖，所述真空膜盒分布式放置并通過待測(cè)光纖串聯(lián)連接，與氣壓計(jì)算裝置相連，所述真空膜盒表面固定有所述待測(cè)光纖，用于將待測(cè)氣壓所引起的所述真空膜盒形變信息轉(zhuǎn)換成為待測(cè)光纖的應(yīng)變信號(hào)光并發(fā)送給氣壓計(jì)算裝置；所述氣壓計(jì)算裝置，用于接收所述待測(cè)光纖的應(yīng)變信號(hào)光，基于所述應(yīng)變信息，計(jì)算獲得待測(cè)氣壓值。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種氣壓測(cè)量方法，包括：步驟1，各真空膜盒將因氣壓產(chǎn)生的形變傳遞到待測(cè)光纖，待測(cè)光纖將所述各真空膜盒傳遞來(lái)的形變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變信號(hào)；步驟2，基于所述應(yīng)變信號(hào)計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)氣壓值。

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N氣壓測(cè)量系統(tǒng)及方法，通過分布式待測(cè)光纖可以同時(shí)監(jiān)測(cè)一段待測(cè)光纖上的任何位置的應(yīng)力變化，因此可以在分布式待測(cè)光纖上設(shè)置多個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，使用真空膜盒裝置感受大氣壓強(qiáng)的變化，將氣壓的變化轉(zhuǎn)換為真空膜盒的形變，再作用到分布式待測(cè)光纖上。就可以對(duì)多個(gè)點(diǎn)的氣壓值進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，再結(jié)合各個(gè)點(diǎn)的海空間位置實(shí)現(xiàn)氣壓的精確計(jì)算。本申請(qǐng)同時(shí)獲得多個(gè)不同空間位置的氣壓值，通過計(jì)算得到更準(zhǔn)確的大氣壓強(qiáng)值，避免單獨(dú)測(cè)量某幾個(gè)點(diǎn)氣壓易受溫度、濕度、氣流等各方面環(huán)境因素的影響，在氣壓測(cè)量精度上有顯著的提升。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)的整體框架示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)的真空膜盒結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種氣壓測(cè)量方法的整體流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1中，本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，示出一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)整體框架示意圖。整體來(lái)說(shuō)，包括：氣壓傳感裝置A1，至少包括兩個(gè)真空膜盒A11和待測(cè)光纖A12，所述真空膜盒分布式放置并通過待測(cè)光纖A12串聯(lián)連接，與氣壓計(jì)算裝置A2相連，所述真空膜盒表面固定有所述光纖上的待測(cè)光纖，用于將待測(cè)氣壓所引起的所述真空膜盒形變信息轉(zhuǎn)換成為待測(cè)光纖的應(yīng)變信號(hào)光并發(fā)送給氣壓計(jì)算裝置；氣壓計(jì)算裝置A2，用于接收所述待測(cè)光纖的應(yīng)變信號(hào)光，基于所述應(yīng)變信息，計(jì)算獲得待測(cè)氣壓值。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)，所述各真空膜盒分布式放置的位置有海拔差。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)A2，所述氣壓計(jì)算裝置包括線性掃頻光源A21、固定反射鏡A22、光電探測(cè)器A23和信號(hào)處理單元A24；所述氣壓傳感裝置A1通過光纖耦合器A25分別與線性掃頻光源A21、固定反射鏡A22和光電探測(cè)器A23相連，信號(hào)處理單元A24與光電探測(cè)器A23相連；線性掃頻光源A21發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器A25分成兩束，一束經(jīng)固定反射鏡A22返回，另一束則進(jìn)入氣壓傳感裝置A1中的待測(cè)光纖A12折射后返回；光纖耦合器A25接收固定反射鏡A22和光纖A12返回的光，將所述光經(jīng)光電探測(cè)器A23發(fā)送給信號(hào)處理單元A24；信號(hào)處理單元A24用于利用接收到的信號(hào)光計(jì)算得到待測(cè)氣壓值。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)，所述真空膜盒A11與待測(cè)光纖A12通過用膠粘貼緊固的方法連接，真空膜盒A11的形變量直接傳遞給待測(cè)光纖A12。

如圖2所示，本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量系統(tǒng)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，都有一個(gè)由多個(gè)真空膜盒A11串聯(lián)組成的氣壓感受裝置A1。真空膜盒A11是一種由彈性金屬焊接而成，內(nèi)腔為真空或者微量空氣狀態(tài)的封閉膜盒，真空膜盒彈性金屬面的彎曲度會(huì)隨著外界氣壓的改變發(fā)生改變，因此可以作為一種大氣壓強(qiáng)的感受裝置。對(duì)于多個(gè)膜盒的串聯(lián)，可以使用金屬連接桿A111，將連接桿的兩端分別與相鄰的兩個(gè)真空膜盒的一個(gè)彈性表面焊接固定。

固定框架的作用是固定多個(gè)串聯(lián)膜盒，實(shí)現(xiàn)將膜盒的形變傳遞到分布式光纖傳感器的待測(cè)光纖上。固定框架A112為一個(gè)由A、B、C和D四個(gè)金屬面焊接而成的框架，其中A、B和C三個(gè)面為非彈性金屬面，D面為彈性金屬面。固定框架的內(nèi)部放置串聯(lián)的真空膜盒，將膜盒的一端固定在面B的內(nèi)側(cè)，膜盒的另一端固定在面D的內(nèi)側(cè)，將待測(cè)光纖貼在固定結(jié)構(gòu)的彈性金屬面D的外側(cè)。為了標(biāo)定方便，裝置設(shè)計(jì)時(shí)，通過使固定框架的長(zhǎng)度適當(dāng)大于內(nèi)部串聯(lián)膜盒整體的長(zhǎng)度，保證固定框架的彈性金屬面在正常大氣壓強(qiáng)范圍內(nèi)始終處于向內(nèi)彎曲的狀態(tài)，即串聯(lián)真空膜盒一端連接桿對(duì)彈性金屬面D的作用力始終為向右的拉力。

圖3中，本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，示出一種氣壓測(cè)量方法總體流程示意圖。整體來(lái)說(shuō)，包括步驟1，各真空膜盒將因氣壓產(chǎn)生的形變傳遞到待測(cè)光纖，待測(cè)光纖將所述各真空膜盒傳遞來(lái)的形變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變信號(hào)；步驟2，基于所述應(yīng)變信號(hào)計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)氣壓值。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，所述分布式光纖傳感器是基于光頻域反射系統(tǒng)(OFDR)來(lái)測(cè)量待測(cè)光纖上各點(diǎn)的應(yīng)力。它利用連續(xù)波頻率掃描技術(shù)，經(jīng)耦合器進(jìn)入邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)分成兩束,一束經(jīng)反射鏡返回,其光程是固定的,稱為參考光,另一束則進(jìn)入待測(cè)光纖,由于光纖存在折射率的微觀不均勻性,會(huì)產(chǎn)生瑞利散射,其中部分后向散射光滿足光纖數(shù)值孔徑而朝注入端返回,稱為信號(hào)光,如果傳播長(zhǎng)度滿足光的相干條件,則信號(hào)光和參考光就會(huì)在光電探測(cè)器的光敏面上發(fā)生混頻。光纖中的瑞利散射是由光纖本身折射率隨機(jī)變化導(dǎo)致的，而散射的振幅又是測(cè)試距離的函數(shù)。由于光纖中存在這種比較穩(wěn)定的隨機(jī)分布的性質(zhì)，所以光纖可以看作是一種較長(zhǎng)的具有隨機(jī)周期的弱待測(cè)光纖。當(dāng)待測(cè)光纖上的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖的背向瑞利散射信號(hào)的光譜就會(huì)發(fā)生漂移，其漂移量的大小與光纖所受的應(yīng)變成正比。通過采用互相關(guān)運(yùn)算對(duì)光譜漂移量進(jìn)行解調(diào)，就可以直接獲得應(yīng)變值，再利用移動(dòng)窗對(duì)光纖的各個(gè)部位進(jìn)行掃描，就可以同時(shí)獲得被測(cè)光纖各個(gè)位置的應(yīng)變信息。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，所述對(duì)于每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，當(dāng)大氣壓強(qiáng)增大時(shí)，外界對(duì)真空膜盒表面的壓力增大，使真空膜盒的彈性表面向內(nèi)凹陷的彎曲度更大，由于串聯(lián)膜盒最右端連接在固定框架的非彈性金屬面B上，因此每個(gè)膜盒的垂直中軸線將會(huì)向右平移，而串聯(lián)真空膜盒的最左端連接桿與彈性金屬面相連接，連接桿對(duì)彈性金屬面D的拉力就會(huì)增大，導(dǎo)致D面的彎曲度增大，因此粘貼在D面上的待測(cè)光纖的應(yīng)變也會(huì)增大。反之，當(dāng)大氣壓強(qiáng)減小時(shí)，外界對(duì)膜盒表面的壓力減小，使真空膜盒的彈性表面向內(nèi)凹陷的彎曲度減小，最終導(dǎo)致待測(cè)光纖的應(yīng)變也會(huì)減小。使用多個(gè)真空膜盒串聯(lián)的目的是放大氣壓變化對(duì)光纖應(yīng)變產(chǎn)生的影響。其次，對(duì)于分布式光纖傳感器，因?yàn)槠潇`敏度極高，可以同時(shí)檢測(cè)待測(cè)光纖距離小于1m的兩個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，因此在信號(hào)解調(diào)端，可以測(cè)得每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變量。也就是能夠計(jì)算得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的氣壓值和其對(duì)應(yīng)位置。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，所述步驟1還包括：各真空膜盒在同一海拔高度分布式放置。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，所述步驟1還包括:各真空膜盒分布式放置的位置有海拔差。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，所述步驟2還包括：待測(cè)點(diǎn)氣壓值為各真空膜盒氣壓值的平均值。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，所述所述步驟2還包括：P_a＝((P_a1+P_a2+......+P_an)/n+(P_b1+P_b2+......+P_bm-m(h/8))/m)/2,其中P_a為待測(cè)點(diǎn)a氣壓值，a_n為待測(cè)點(diǎn)a同一海拔高度的各點(diǎn)，b_m為與待測(cè)點(diǎn)a有海拔差差h的各點(diǎn)。

本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例中，一種氣壓測(cè)量方法，可以通過每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的氣壓值和其對(duì)應(yīng)的空間位置計(jì)算某一海拔高度或者某區(qū)域的平均氣壓。例如，有n個(gè)位于同一海拔高度的測(cè)量點(diǎn)，這n個(gè)點(diǎn)的氣壓測(cè)量值分別為{P₁，P₂，…，P_n}，則能夠通過取平均值，可以計(jì)算這一海拔高度處的大氣壓強(qiáng)在海拔高度較低的情況下，對(duì)于兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)A與B，它們的高度差為h，氣壓值分別為P_a、P_b，則可根據(jù)大氣壓強(qiáng)與海拔高度的關(guān)系：海拔每增高8m，對(duì)應(yīng)大氣壓強(qiáng)減小1hPa，通過A點(diǎn)的氣壓計(jì)算B點(diǎn)氣壓的估計(jì)值P_b＝P_a+h/8，單位為hPa，再通過求P_b與P′_b的均值計(jì)算B點(diǎn)最終的氣壓測(cè)量值，同樣，可以通過B點(diǎn)的氣壓值估算A點(diǎn)氣壓，作為參考值對(duì)A點(diǎn)測(cè)量氣壓進(jìn)行校驗(yàn)。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。