專利名稱：一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)。
技術(shù)背景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)點而成為光纖傳感器家族中的 一員，由于是基于無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的光纖濾波器， 可用于溫度、應(yīng)變等物理量的測量，目前已廣泛用于民用建筑、大壩、橋梁、隧道、高壓變 電站等的健康檢測以及復(fù)合材料、智能結(jié)構(gòu)的無損檢測。與其它類型的傳統(tǒng)傳感器相比，盡 管它的價格比較高，但它的最大優(yōu)點是其可復(fù)用，進行網(wǎng)絡(luò)化傳感。這樣使得每個傳感器平 均價格比較低，因此對大規(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，中國專利CN1828229A公開的"基于CPLD的時分復(fù)用光纖光柵傳感測 試系統(tǒng)"，處理電路復(fù)雜，能同時監(jiān)測線路上的所有光纖光柵，但光纖光柵個數(shù)不多；中國專 利CN1546966A公開的"大容量編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)"，使用中心波長1550nm的寬帶 光源和中心波長1310nm的寬帶光源在一個光纖上進行光源復(fù)用，在現(xiàn)有光源帶寬30-40ran下 實現(xiàn)了最大光纖光柵數(shù)400,而且結(jié)構(gòu)比較簡單，性能比較穩(wěn)定，但是光纖光柵個數(shù)強烈依賴 復(fù)用的寬帶光源。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是使用一個寬帶光源，采用光纖光柵空間復(fù)用技術(shù)，提供 一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用于大容量的溫度和應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測。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)測系統(tǒng)，由二芯帶狀光纖上成對的光柵傳感陣列l(wèi);寬帶光源2; Y型分支器3;環(huán)行器4、 5;解調(diào)器6、 7;數(shù)據(jù) 采集、控制模塊8;數(shù)據(jù)處理計算機9組成;光纖光柵傳感陣列1分布著寬帶光源中芯波長附 近的光柵；寬帶光源2通過Y型分路器3連接環(huán)行器4、 5;環(huán)行器4、 5分別連接二芯帶狀 光纖的其中一支；環(huán)行器4、 5的返回輸出口分別連接解調(diào)器6、 7;解調(diào)器6、 7通過導(dǎo)線連 接數(shù)據(jù)采集、控制模塊8;數(shù)據(jù)采集、控制模塊8通過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理 計算機9連接。二芯帶狀光纖上成對的光柵傳感陣列1由一個寬帶光源劃分了 n個用于監(jiān)測的光柵反射 譜(;i,. :/ = 1,2,...,"}，任取這n個光柵的二維子集<formula>formula see original document page 4</formula>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A^對光柵，每對間隔距離可以相同，也可以不相 同。所述系統(tǒng)由三芯帶狀光纖上成對的光柵傳感陣列IO;寬帶光源2; 1X3型分支器ll;環(huán)行 器4、 5、 12;解調(diào)器6、 7、 13;數(shù)據(jù)采集、控制模塊8;數(shù)據(jù)處理計算機9組成;光纖光柵傳感 陣列10分布著寬帶光源中芯波長附近的光柵；寬帶光源2通過1X3型分支器11連接環(huán)行器 4、 5、 12;環(huán)行器4、 5、 13分別連接三芯帶狀光纖的其中一支；環(huán)行器4、 5、 12的返回輸 出口分別連接解調(diào)器6、 7、 13;解調(diào)器6、 7、 13通過導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)采集、控制模塊8;數(shù)據(jù) 采集、控制模塊8通過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計算機9連接。三芯帶狀光纖上成對的光柵傳感陣列10由一個寬帶光源劃分了 n個用于監(jiān)測的光柵反射譜"./ = 1,2,...,"}，任取這n個光柵的維子集<formula>formula see original document page 4</formula>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^A^:對光柵。 基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測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€導(dǎo)模耦合到另一個沿相 反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(Bragg波長)^=2"e#A (1)式(1)中 #為導(dǎo)模的有效折射率，A為光柵周期。由式(1)可知，Bragg波長是隨 f和A而改變的。當(dāng)光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時，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A和纖芯折射率&f將發(fā)生變化，使峰值反射波長 發(fā)生變化，其相對偏移量是^ = ^Af+ ^Ar (2)其中Ae為外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)變量，Ar是溫度變化量，^為溫敏系數(shù)，^f為應(yīng)力應(yīng) 變系數(shù)。應(yīng)變量、 Ar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、振動和轉(zhuǎn)動等各種狀態(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，將引起光纖光柵布拉格中心波長產(chǎn)生變化.光纖光柵布放時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)器獨立地記錄著帶狀光纖上每條光纖的每個光纖光柵的反射譜，組合、 計算反射譜變化就知道每個監(jiān)測點的狀態(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，對超出范圍的檢測點發(fā)出相應(yīng)的控制信號并對突發(fā)事件發(fā)出報警。本方案的優(yōu)點是 一個寬帶光源就能實現(xiàn)長距離、大容量的準(zhǔn)分布式測量。按上述一個寬帶光源可驅(qū)動20個光纖光柵，光柵間隔25m，采用三芯帶狀光纖的系統(tǒng)，最大監(jiān)測點數(shù)為 20X20X20=8000，距離長達(dá)8000X25m=200km。當(dāng)然，這么長的監(jiān)測距離，返回光功率很弱。 中心波長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1W^50W(依線路平均損耗情況而定), 工業(yè)級探測器的靈敏度在nW級，這樣有90dB的動態(tài)范圍，光纖線路損耗大約在0. 2dB/km， 理想情況的監(jiān)測距離為90/0.2/2=225101。由于熔接損耗不可忽略，顯然要加中繼放大器才能 完成200kra的監(jiān)測距離。由此本系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于長距離、大容量的溫度監(jiān)測，而且還可應(yīng) 用于惡劣環(huán)境下的長距離、大容量的應(yīng)力、應(yīng)變等的實時在線監(jiān)測。其原因不僅在于光纖的 柔軟、抗干擾能力強，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，而且由于光 纖光柵還具有偏振無關(guān)、波長分離能力強、傳感精度和靈敏度極高，絕對數(shù)字測量等優(yōu)點， 能進一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于對工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的實時、 在線、分布式檢測，以及對結(jié)構(gòu)緩變、裂縫等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實時在線監(jiān)測，使結(jié)構(gòu)能夠測量其 外部荷載以及結(jié)構(gòu)本身對荷載的響應(yīng)。因此本發(fā)明可對重要資源，如大壩、油氣管道、高壓變電站等場合的溫度以及公路、橋 梁、隧道、大型建筑等的應(yīng)力、應(yīng)變情況進行長距離準(zhǔn)分布式測量。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明三芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)示意3本發(fā)明雙寬帶光源的三芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)示意4本發(fā)明雙寬帶光源的二芯帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)示意5-1本發(fā)明雙路1400m的一條光纖的中心波長1550nm反射光譜5-2本發(fā)明雙路1400m的另一條光纖的中心波長1550nm反射光譜中標(biāo)號說明如下l-二芯帶狀光纖10,20-三芯帶狀光纖2， 14-寬帶光源3-Y型分支器4， 5， 12， 22-環(huán)行器6， 7， 13, 18， 19， 24, 25-解調(diào)器8-數(shù)據(jù)采集、控制模塊9-數(shù)據(jù)處理 計算機11-1X3型分支器15-2X2型波分復(fù)用器21-2X3型波分復(fù)用器16， 17， 23-Y 型波分復(fù)用器具體實施方式
下面以由一個寬帶光源和二芯帶狀光纖組成的光柵監(jiān)測系統(tǒng)為例來對本系統(tǒng)加以詳細(xì)說明。本發(fā)明中的帶狀光纖的光柵監(jiān)測方法是采用"準(zhǔn)分布式的光纖光柵傳感"技術(shù)來對監(jiān)測 點溫度或應(yīng)力、應(yīng)變進行長期、穩(wěn)定、無須定時跟蹤的監(jiān)側(cè)，根據(jù)圖1中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖， 其具體實現(xiàn)步驟是1 )確定應(yīng)力監(jiān)測點的分布依據(jù)被監(jiān)測現(xiàn)場具體情況和工程應(yīng)用情況，確定測量點的 數(shù)目和測量分布方式，粗估各點溫度或應(yīng)力、應(yīng)變的值，推算出整個現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變分布概 況。2 )確定各測點處光纖光柵的波長設(shè)計各監(jiān)測點的位置與光纖光柵的對應(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)整個現(xiàn)場各監(jiān)測點溫度或 應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，特別是各點的溫度或應(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U^1^ ，^):/=1，2，...大^7\^4填寫各監(jiān)測點的位置與光纖光柵的對應(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)場監(jiān)測點的固定方式(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)中進行設(shè)置， 以保證在數(shù)據(jù)處理中換算出各點溫度值或應(yīng)力大小。4) 光損失計算根據(jù)整個光路的焊接點、聯(lián)接點，計算整個光路的光強損失，以保證各 光柵反射光的強度不小于發(fā)射光強的5%。5) 現(xiàn)場整體狀態(tài)的確定依據(jù)各監(jiān)測點溫度或應(yīng)力變化的大小，軟件系統(tǒng)要進行特定程 序的運算，確定現(xiàn)場整體狀態(tài)的分布，并對極限狀態(tài)產(chǎn)生報警信號和自動調(diào)整的控制信號。 本發(fā)明中的基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)裝置如圖1所示，它包括二芯帶狀光纖上成對的光 柵傳感陣列(1);寬帶光源(2) ; Y型分支器(3);環(huán)行器(4) 、 (5);解調(diào)器(6) 、 (7);數(shù)據(jù)采集、 控制模塊(8);數(shù)據(jù)處理計算機(9)組成。光纖光柵傳感陣列1分布著寬帶光源中芯波長附近的 光柵；寬帶光源2通過Y型分路器3連接環(huán)行器4、 5;環(huán)行器4、 5分別連接二芯帶狀光纖 的其中一支；環(huán)行器4、 5的返回輸出口分別連接解調(diào)器6、 7;解調(diào)器6、 7通過導(dǎo)線連接數(shù) 據(jù)采集、控制模塊8;數(shù)據(jù)采集、控制模塊8通過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計算 機9連接。數(shù)據(jù)采集模塊8對信號進行初步放大、濾噪、整形等處理。軟件系統(tǒng)要進行特定 程序的運算，確定現(xiàn)場整體狀態(tài)的分布，并對極限狀態(tài)產(chǎn)生報警信號和自動調(diào)整的控制信號。 控制信號接入控制模塊8，控制模塊可以是一個DSP處理芯片，它能根據(jù)控制信號執(zhí)行預(yù)先 寫入的時鐘恢復(fù)、現(xiàn)場保護等操作。在上述方案和系統(tǒng)中，使用不同的中心波長1550nm、 1650nm、 1310nm的寬帶光源和各 種具體的解調(diào)器和DSP、 CPLD處理芯片等具體實現(xiàn)方式不同，都不影響本發(fā)明的權(quán)利要求 的保護。
權(quán)利要求
1、一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于一個寬帶光源劃分了n個用于監(jiān)測的光柵反射譜，任取這n個光柵的二維子集的元素依次熔接或直接制作在二芯帶狀光纖上，每對間隔距離可以相同，也可以不相同；任取這n個光柵的三維子集的元素依次熔接或直接制作在三芯帶狀光纖上；以此類推，四維子集的元素依次熔接或直接制作在四芯帶狀光纖上，五維子集的元素依次熔接或直接制作在五芯帶狀光纖上等。
2、 一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于 一個寬帶光源劃分了巧個用于監(jiān)測 的光柵反射譜，另一個沒有重疊譜的寬帶光源劃分了 A個用于監(jiān)測的光柵反射譜,任取這 w, + 個光柵的二維子集的元素依次熔接或直接制作在二芯帶狀光纖上,每對間隔距離可以相同，也可以不相同;任取這巧+"2個光柵的三維子集的元素依次熔接或直接制作在三芯帶狀光纖上；以此類推，四維子集的元素依次熔接或直接制作在四芯帶狀光纖上，五維子集的元素 依次熔接或直接制作在五芯帶狀光纖上等;如果有三個，四個寬帶光源等，則將劃分的光柵反 射譜按上述方法合并到子集中去。
3 、按權(quán)利要求l所述基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于所述系統(tǒng)由二芯帶狀 光纖上成對的光柵傳感陣列(1);寬帶光源(2); Y型分支器(3);環(huán)行器(4) 、 (5);解調(diào)器(6)、 (7);數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8);數(shù)據(jù)處理計算機(9)組成;光纖光柵傳感陣列(1)分布著寬帶光源 中芯波長附近的光柵；寬帶光源(2)通過Y型分路器(3)連接環(huán)行器(4)、 (5);環(huán)行器(4)、 (5)分別連接二芯帶狀光纖的其中一支；環(huán)行器(4)、 (5)的返回輸出口分別連接解調(diào)器(6)、 (7);解調(diào)器(6)、 (7)通過導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8);數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8)通 過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計算機(9)連接。所述系統(tǒng)由三芯帶狀光纖上成對的光 柵傳感陣列(10);寬帶光源(2); 1X3型分支器(11);環(huán)行器(4)、 (5)、 (12);解調(diào)器(6)、 (7)、 (13);數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8);數(shù)據(jù)處理計算機(9)組成;光纖光柵傳感陣列(10)分布著寬帶光 源中芯波長附近的光柵；寬帶光源(2)通過1X3型分支器(11)連接環(huán)行器(4)、 (5)、 (12);環(huán) 行器(4)、 (5)、 (13)分別連接三芯帶狀光纖的其中一支;環(huán)行器(4)、 (5)、 (12)的返回輸出 口分別連接解調(diào)器(6)、 (7)、 (13);解調(diào)器(6)、 (7)、 (13)通過導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)采集、控制模 塊(8);數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8)通過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計算機(9)連接。
4 、按權(quán)利要求2所述基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由二芯帶狀 光纖上成對的光柵傳感陣列(1);寬帶光源(2)、 (14);2X2型波分復(fù)用器(15);環(huán)行器(4)、 (5); Y型波分復(fù)用器(16)、 (17);解調(diào)器(6)、 (7)、 (18)、 (19);數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8);數(shù)據(jù)處 理計算機(9)組成;光纖光柵傳感陣列(1)分布著寬帶(2)、 (14)光源中芯波長附近的光柵；寬 帶光源(2)、 (14)通過2X2型波分復(fù)用器(15)連接環(huán)行器(4)、 (5);環(huán)行器(4)、 (5)分別連 接二芯帶狀光纖的其中一支；環(huán)行器(4)、 (5)的返回輸出口分別連接Y型波分復(fù)用器(16)、 (17); Y型波分復(fù)用器(16)連接解調(diào)器(6)、 (7); Y型波分復(fù)用器(17)連接解調(diào)器(18)、 (19); 解調(diào)器(6)、 (7) 、 (18)、 (19)通過導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8);數(shù)據(jù)采集、控制模 塊(8)通過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計算機(9)連接。所述系統(tǒng)由三芯帶狀光纖 上成對的光柵傳感陣列(20);寬帶光源(2)、 (14);2X3型波分復(fù)用器(21);環(huán)行器(4)、 (5)、 (22); Y型波分復(fù)用器(16)、 (17) 、 (23);解調(diào)器(6)、 (7)、 (18)、 (19)、 (24)、 (25);數(shù)據(jù) 采集、控制模塊(8);數(shù)據(jù)處理計算機(9)組成;光纖光柵傳感陣列(20)分布著寬帶(2) 、 (14) 光源中芯波長附近的光柵；寬帶光源(2)、 (14)通過2X3型波分復(fù)用器(21)連接環(huán)行器(4)、 (5) 、 (22);環(huán)行器(4)、 (5) 、 (22)分別連接三芯帶狀光纖的其中一支；環(huán)行器(4)、 (5)、(22)的返回輸出口分別連接Y型波分復(fù)用器(16)、 (17) 、 (23); Y型波分復(fù)用器(16)連接 解調(diào)器(6)、 (7); Y型波分復(fù)用器(17)連接解調(diào)器(18)、 (19); Y型波分復(fù)用器(23)連接解 調(diào)器(24)、 (25);解調(diào)器(6)、 (7) 、 (18)、 (19)、 (24)、 (25)通過導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)采集、控制 模塊(8);數(shù)據(jù)采集、控制模塊(8)通過計算機插槽或USB等接口與數(shù)據(jù)處理計算機(9) 連接。
5 、按權(quán)利要求3、 4所述的基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于帶狀光纖是同 一包層的多芯光纖或兩條以上的單模光纖成纜。
6 、按權(quán)利要求3、 4所述的基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于寬帶光源以連 續(xù)或脈沖方式工作；以連續(xù)方式工作時光源的功率小于受激布里淵閾值，以脈沖方式工作時 脈寬小于lOns，峰值功率小于受激拉曼閾值。
7 、按權(quán)利要求3、 4所述的基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于光纖線上設(shè)置 中繼光放大器補償線路和熔接點損耗。
全文摘要
一種基于帶狀光纖的光柵監(jiān)測系統(tǒng)，由一個寬帶光源、一個Y型分支器、兩個環(huán)行器、兩個解調(diào)器、帶狀光纖上成對的光柵陣列、軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的帶狀光纖、導(dǎo)線組成。由于采用空間復(fù)用技術(shù)，即一個寬帶光源劃分了用于監(jiān)測的光柵反射譜的二維子集元素依次熔接在二芯帶狀光纖上，二維子集與位置聯(lián)系，這樣就能實現(xiàn)準(zhǔn)分布式監(jiān)測溫度和應(yīng)力并能評估監(jiān)測點的健康狀況。本發(fā)明可對重要資源，如大壩、油氣管道、高壓變電站等場合的溫度以及公路、橋梁、隧道、大型建筑等的應(yīng)力、應(yīng)變情況進行長距離準(zhǔn)分布式測量。
文檔編號G01D5/26GK101216328SQ20081004515
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者代志勇, 永 劉, 劉永智, 張利勛, 彭增壽, 歐中華 申請人:電子科技大學(xué)