一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于光纖光柵技術(shù)的降雨量監(jiān)測(cè)方法和裝置。利用等強(qiáng)度懸臂梁的受力把雨水的重力轉(zhuǎn)化為梁的應(yīng)變，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)變化，利用解調(diào)儀檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的改變量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣降雨的測(cè)量。裝置為：從光纖光柵雨量筒里的電動(dòng)溢水閥（5）引出電纜（9）以及光纖光柵應(yīng)變傳感器（8）引出光纜（10），電纜（9）與控制單元模塊（11）連接，光纜（10）與光纖光柵解調(diào)儀（12）連接；控制單元模塊（11）和解調(diào)儀（12）的輸出接下位機(jī)（13）的輸入，下位機(jī)（13）輸出接無線通信模塊Ⅰ（14），無線通訊模塊Ⅱ（15）輸出接上位機(jī)（16）的輸入。本發(fā)明對(duì)大氣降水能高傳感精度、高測(cè)量精度、低成本及自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【專利說明】一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于光纖光柵技術(shù)的降雨量監(jiān)測(cè)方法和裝置，涉及液位的測(cè)量和氣象學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣降水測(cè)量是氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境評(píng)估等多方面的重要環(huán)節(jié)。目前較為常用的降雨量監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有翻斗式雨量計(jì)和虹吸式雨量計(jì)。其中翻斗式雨量計(jì)原理簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但翻斗的動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差隨雨強(qiáng)變化劇烈變化，這種缺陷是翻斗式雨量計(jì)固有的原理和結(jié)構(gòu)上的缺陷，在使用中易受隨機(jī)因素的影響(如:翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙、風(fēng)沙影響、翻斗軸承游隙變化及灰塵阻滯使摩擦力變化的影響等)，使得翻斗式雨量計(jì)測(cè)量誤差可能超過±10%。虹吸雨量計(jì)可以連續(xù)記錄降水量和降水時(shí)間，測(cè)量精度高，受雨強(qiáng)變化影響的誤差小，但當(dāng)前普遍使用的虹吸式雨量計(jì)為日記型，每天必須更換記錄紙，人工測(cè)量?jī)?chǔ)水瓶中的虹吸水量進(jìn)行虹吸訂正、人工摘錄時(shí)段雨量和人工錄入計(jì)算機(jī)，因此，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，這與當(dāng)前電子信息時(shí)代及不相稱。
[0003]光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)外，光纖光柵還具有其獨(dú)特的特性:易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復(fù)用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域有著廣闊的前景。作為光子研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術(shù)近年來受到普遍關(guān)注，各國研究者積極開展有關(guān)研究工作。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測(cè)的物理量有:溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等，其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。
[0004]光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡(jiǎn)單、最普遍的一種光纖光柵。它是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過檢測(cè)光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測(cè)量溫度和應(yīng)變的基本原理。
[0005]由I禹合模理論可知,均勻的光纖布拉格光柵可以將其中傳輸?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模I禹合到另一個(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)(布拉格波長(zhǎng))X B為:
[0006]入B= 2neffA (I)
[0007]式中:\ B為布拉格波長(zhǎng)為光纖傳播模式的有效折射率；A為光柵柵距。
[0008]對(duì)式(I)微分可得光柵的中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系:
[0009]
【權(quán)利要求】
1.一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于本方法是使用基于光纖光柵傳感技術(shù)的大氣降雨自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，所述裝置主要包括光纖光柵雨量筒及設(shè)置在監(jiān)測(cè)站里的控制單元模塊(11)、解調(diào)儀(12)、下位機(jī)(13)、無線通信模塊I (14)、無線通訊模塊II (15)和上位機(jī)(16);從光纖光柵雨量筒里的電動(dòng)溢水閥(5)引出電纜(9)以及光纖光柵應(yīng)變傳感器(8)引出光纜(10 )，電纜(9 )與控制單元模塊(11)連接，光纜(10 )與光纖光柵解調(diào)儀(12 )連接；控制單元模塊(11)和解調(diào)儀(12)的輸出接下位機(jī)(13)的輸入，下位機(jī)(13)輸出接無線通信模塊I (14)，無線通訊模塊II (15)輸出接上位機(jī)(16)的輸入； 當(dāng)所監(jiān)測(cè)的區(qū)域發(fā)生大氣降雨時(shí)，雨水透過金屬網(wǎng)格遮蓋(I)落入不銹鋼圓筒(2)內(nèi)，并在圓臺(tái)形承雨器(4)內(nèi)匯集，隨著雨水的逐漸增加，承雨器(4)在雨水重力的作用下沿筒壁向下滑動(dòng)，通過剛性承接桿(6)將雨水的重力傳遞到等強(qiáng)度懸臂梁(7)上，使得懸臂梁(7)發(fā)生垂直方向的純彎曲，進(jìn)而引起粘貼其上的光纖光柵應(yīng)變傳感器(8)發(fā)生變形，通過將懸臂梁作為光纖光柵傳感器載體，根據(jù)材料力學(xué)理論，將大氣降水的重量轉(zhuǎn)變?yōu)槭┘釉趹冶哿鹤杂啥说牧W(xué)荷載，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為光纖光柵傳感器的應(yīng)變，推導(dǎo)公式如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于本方法的流程是: 開始； 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集； 光纖光柵解調(diào)儀采集數(shù)據(jù)； 下位機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理； 無線通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)； 上位機(jī)判斷數(shù)據(jù)是否完整？若不完整，則返回到下位機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理；若完整，則 數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理； 降雨量曲線動(dòng)態(tài)顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于監(jiān)測(cè)方法中還加有自動(dòng)排水控制，自動(dòng)排水的控制單元模塊(11)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種情況的自動(dòng)排水:降雨終止；雨量筒內(nèi)承納的雨水體積達(dá)到單次測(cè)量的最大量程；對(duì)于情況(1)，當(dāng)降雨終止后，懸臂梁(7)的彎曲位移會(huì)停止，從而粘貼在壁上的光纖光柵應(yīng)變傳感器(8)的變形也將趨于穩(wěn)定，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值的恒定時(shí)間超過預(yù)設(shè)時(shí)間后，控制單元模塊(11)會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)至承雨器上的電動(dòng)溢水閥(5)，控制閥門自動(dòng)打開，將筒內(nèi)的雨水排盡后再自動(dòng)關(guān)閉；對(duì)于情況(2)，當(dāng)所監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，隨著雨量筒內(nèi)雨水的逐漸累積，懸臂梁(7)的彎曲變形也會(huì)逐漸增大，取懸臂梁變形極限值的85%作為該監(jiān)測(cè)裝置單次測(cè)量的最大量程閾值，一旦監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值達(dá)到該閾值，控制單元模塊(11)也會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)至承雨器上的電動(dòng)溢水閥(5)，控制閥門自動(dòng)打開，將筒內(nèi)的雨水排盡后再自動(dòng)關(guān)閉，繼續(xù)進(jìn)行降雨量監(jiān)測(cè)，與此同時(shí)，下位機(jī)(13)所采集的應(yīng)變值中會(huì)自動(dòng)累加一倍閾值； 其流程是: 下位機(jī)采集應(yīng)變值； 判斷應(yīng)變是否持續(xù)增加？若否，則轉(zhuǎn)控制單元模塊發(fā)送脈沖信號(hào)；若是，則 判斷應(yīng)變是否達(dá)到閥值？若否，則轉(zhuǎn)判斷應(yīng)變是否持續(xù)增加？若是，則 下位機(jī)應(yīng)變值累加一倍閥值； 控制單元模塊發(fā)送脈沖信號(hào)； 電動(dòng)溢水閥打開； 雨量筒排水； 電動(dòng)溢水閥關(guān)閉。
4.一種采用權(quán) 利要求1所述方法的光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于它主要包括光纖光柵雨量筒及設(shè)置在監(jiān)測(cè)站里的控制單元模塊(11)、光纖光柵解調(diào)儀(12)、下位機(jī)(13)、無線通信模塊I (14)、無線通訊模塊II (15)和上位機(jī)(16);從光纖光柵雨量筒里的電動(dòng)溢水閥(5)引出電纜(9)以及光纖光柵應(yīng)變傳感器⑶引出光纜(10)，電纜(9)與控制單元模塊(11)連接，光纜(10)與光纖光柵解調(diào)儀(12)連接；控制單元模塊(11)和光纖光柵解調(diào)儀(12)的輸出接下位機(jī)(13)的輸入，下位機(jī)(13)輸出接無線通信模塊I (14)，無線通訊模塊II (15)輸出接上位機(jī)(16)的輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光纖光柵雨量筒的主體為一不銹鋼圓筒(2)，上覆金屬網(wǎng)格遮蓋(1)，圓筒(2)的底端外壁安裝有排水口(3);在雨量筒的內(nèi)部，能沿筒壁上下自由滑動(dòng)的圓臺(tái)形承雨器(4)通過剛性承接桿(6)與固定在圓筒內(nèi)壁上的等強(qiáng)度懸臂梁(7)自由接觸，將一支光纖光柵應(yīng)變傳感器(8)粘貼在懸臂梁(7)上，與引至監(jiān)測(cè)站的光纜(10)連接；在圓臺(tái)形承雨器(4) 一端側(cè)面上安裝電動(dòng)溢水閥(5)，與引至監(jiān)測(cè)站的電纜(9)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光纖光柵應(yīng)變傳感器(8)為溫度補(bǔ)償型光纖光柵應(yīng)變傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于本監(jiān)測(cè)裝置還設(shè)置有自動(dòng)排水的控制單元模塊(11)，控制單元模塊(11)的輸出接電動(dòng)溢水閥(5);降雨終止后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值的恒定時(shí)間超過預(yù)設(shè)時(shí)間后，控制單元模塊(11)會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)至承雨器上的電動(dòng)溢水閥(5)，控制閥門自動(dòng)打開，將筒內(nèi)的雨水排盡后再自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)所監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，取懸臂梁變形極限值的85%作為該監(jiān)測(cè)裝置單次測(cè)量的最大量程閾值，一旦監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值達(dá)到該閾值，控制單元模塊(11)也會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)至承雨器上的電動(dòng)溢水閥(5)，控制閥門自動(dòng)打開，將筒內(nèi)的雨水排盡后再自動(dòng)關(guān)閉，繼續(xù)進(jìn)行降雨量監(jiān)測(cè)，與此同時(shí)，下位機(jī)(13)所采集的應(yīng)變值中會(huì)自動(dòng)累加一倍閾值。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于大氣降雨自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的原理為:光纖光柵應(yīng)變傳感器的輸出接光纖光柵解調(diào)儀的輸入，光纖光柵解調(diào)儀的輸出接下位機(jī)的輸入；電動(dòng)溢水閥的輸出接控制單元模塊的輸入，控制單元模塊的輸出接下位機(jī)的輸入；下位機(jī)的輸出接無線通訊模塊I ;無線通訊模塊II的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理和變化曲線動(dòng)態(tài)顯示。
9.根據(jù)權(quán)利要求4 所述的一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于大氣降雨自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的電原理為:光纖光柵應(yīng)變傳感器的PC接頭接光纖光柵解調(diào)儀的PC端口，光纖光柵解調(diào)儀的LAN端口接下位機(jī)的LAN端口 ；電動(dòng)溢水閥的R232 口接控制單元模塊的R232 口，控制單元模塊的R232 口接下位機(jī)的R232 口 ；下位機(jī)的R232 口接GPRS模塊的R232 口 ；GPRS模塊有GSM天線通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與另一 GPRS模塊的GSM天線連接，該GPRS模塊的R232 口接上位機(jī)的R232 口，上位機(jī)的VGA 口接顯示器的VGA 口。
【文檔編號(hào)】G01W1/14GK103809223SQ201210455691
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月14日
【發(fā)明者】韓冰, 譚東杰, 馬云賓, 李亮亮, 荊宏遠(yuǎn), 郝建斌, 鄭軍, 劉建平 申請(qǐng)人:中國石油天然氣股份有限公司