专利名称：大容量编码式光纤光栅传感监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种用于多点的分布式传感的大容量编码式光纤光栅传感监测系统。
背景技术：
传感器有着非常广泛的应用领域，多年来一直是研究热点。由于光纤由绝缘耐高温材料制成，光纤传感器可以工作在强电磁场、高温有腐蚀性的以及有爆炸危险性的恶劣环境中，因而光纤传感器比其它传感器有更广阔的应用范围。近年来，随着半导体激光器的出现，光电技术的不断发展及光电器件成本的降低，光纤传感器的研究已成为倍受关注的分支。现存的大容量分布式光纤传感技术有，利用喇曼散射(专利01124438.0“分布式光纤温度传感系统”；论文“用于测量空间温度场的分布式光纤传感器的系统设计”光电子技术与信息，2002 15(1))、布里渊散射(“基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展”测试技术学报，2002年第16卷第2期)等不同的方法。喇曼散射和布里渊散射虽然适合分布式温度测量，但是光纤散射光信号是十分微弱的，其中喇曼散射的光信号大约为入射光的1/108，即亿分之一，这样弱的信号使得信号的测量和处理变得很困难，从而严重限制了系统的性能，而且长期使用中的性能稳定性差，信号处理非常复杂，系统造价昂贵。
光纤光栅是利用紫外光的侧写入技术制作的传感元件，可以通过调节栅距控制反射特定波长的光，反射率可达90％～99％，这样就大大提高了系统性能，便于信号的解调和后期的信号处理。由于采用数字式测量技术，除了具备光纤传感器的一般优点外，还具有精确度高、稳定性好、不易受外界各种因数的干扰等特点。
如果使用单光栅实现对温度的准分布式测量，在对光栅进行布点时，不同点的光栅之间，其光纤光栅布拉格中心波长必须留有足够宽的间隔，不同点的光纤光栅的布拉格中心波长间隔一般为2nm；又由于激光光源的带宽较窄，通常只有30-40nm左右。因此，受以上两方面因数所限，以单光栅为探头的光纤光栅温度传感监测系统所部探头的数量非常有限，远不能满足实际需要。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不仅可应用于大容量的温度监测，而且还可应用于恶劣环境下的大容量的应力、应变、健康状况等的实时在线定点监测的大容量编码式光纤光栅传感监测系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案是一种大容量编码式光纤光栅传感监测系统，由光纤光栅传感阵列1；宽带光源2、3；Y型分路器4、5；解调器6、7；数据采集模块8；数据处理计算机9和控制模块10组成；光纤光栅传感阵列1分布着中心波长分别在1310nm和1550nm附近的光栅；第一个宽带光源2和第二个宽带光源3为该阵列提供光源；第一个宽带光源2通过Y型分路器4将光耦合入光栅阵列，Y型分路器4的另一个分路端口通过光纤11连接解调器6；第二个宽带光源3通过Y型分路器5将光耦合入光栅阵列，Y型分路器5的另一个分路端口通过光纤12连接解调器7；解调器6、7通过导线13、14连接数据采集模块8；数据采集模块8、数据处理计算机9和控制模块10用导线连接。
光纤光栅阵列1为2个以上的双光栅或多光栅编码组合而成，双光栅即在光纤的同一位置写入两个中心波长不同的光栅，光栅的中心波长分布在1310nm和1550nm窗口附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm；多光栅即在光纤的同一位置写入两个以上中心波长不同的光栅，光栅的中心波长分布在1310nm和1550nm窗口附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm。
第一个宽带光源2的光谱分布在1310nm窗口，带宽30-40nm；第二个宽带光源3的光谱分布在1550nm窗口，带宽30-40nm。
Y型分路器4工作在1310nm窗口，带宽30-40nm；Y型分路器5工作在1550nm窗口，带宽30-40nm。
解调器6工作在1310nm窗口，带宽30-40nm；解调器7工作在1550nm窗口，带宽30-40nm。
光纤光栅阵列将双光栅或多光栅编码组合而成，如双光栅是在光纤的同一位置写入两个中心波长不同的光栅，中心波长的窗口分布在1310nm和1550nm附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm。这样在每个窗口至少可分布15个不同中心波长的光栅，使用二维编码测量技术可形成225个探测点。每个探测点两个光栅的布拉格中心波长对所测点的位置和应力应变进行编码，当所测点的应力应变发生变化时，两个光栅的布拉格中心波长同步变化。
编码式光纤光栅的位置、检测量编码原理如下由耦合模理论可知，均匀的非闪耀光纤FBG可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长(Bragg波长)为λB＝2 neffΛ(1)式(1)中neff为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。
由式(1)可知，Bragg波长是随neff和Λ而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时，可能导致光纤光栅本身的温度、应力应变、压力等发生变化，其光栅周期Λ和纤芯折射率neff将发生变化，使峰值反射波长发生变化，其相对偏移量是Δλb/λb＝(1-Pe)Δε+(α+ζ)ΔT＝KεΔε+KtΔT (2)其中Δε为外力产生的轴向应变量，pe为与材料泊松比、折射率和有效弹光系数有关的常数，ΔT是温度变化量，α、ζ分别为光纤的温度膨胀系数和热光系数应变量Δε、ΔT可以与很多物理量联系在一起，如温度、湿度、位移、压力、电磁力、流量、振动和转动等各种状态量。由(2)式可知，当光栅所在位置的环境状况发生变化时，将引起光纤光栅布拉格中心波长产生变化。我们利用此关系对需要检测的状态参量进行编码数据处理系统计算出各个不同位置监测点的状态参量大小的变化、变化速率数据，并且根据系统设定值，对超出范围的检测点发出相应的控制信号。本发明可对油罐，油气管道、高压变电站的温度以及公路、桥梁、大型建筑等的应力、应变情况、健康状况进行大容量准分布式测量编码式光纤光栅以两个光栅的布拉格中心波长对所测点的位置和应力应变进行编码。两个光栅处于同一位置，当所测点的应力发生变化时，两个光栅的布拉格中心波长同步变化，这类似于转码。
编码式光纤光栅传感监测系统不仅可应用于大容量的温度监测，而且还可应用于恶劣环境下的大容量的应力、应变、健康状况等的实时在线定点监测。其原因在于光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强，集传感与传输于一体，易于制作及埋入材料内部等优点。不仅如此，由于光纤光栅还具有波长分离能力强、传感精度和灵敏度极高，能进行精确定位，绝对数字测量等优点，特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，而且能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、健康状况等参数的实时、在线、分布式检测，以及对结构徐变、裂缝、整体性等结构参数的实时在线监测，使结构能够测量其外部荷载以及结构本身对荷载的响应。
本发明可对油罐，油气管道、高压变电站的温度以及公路、桥梁、大型建筑等的应力、应变情况、健康状况进行大容量准分布式测量。


图1本发明结构示意2本发明双光栅的结构示意3本发明双光栅传感工作原理4本发明三光栅的结构示意5本发明双光栅的温敏曲线图
具体实施例方式
实施例1下面以对温度的检测、以由双光栅组成的编码式光纤光栅为例来对本系统加以详细说明。
本发明中的编码式光纤光栅传感监测方法是采用“准分布式的光纤光栅传感”技术来对监测点温度或应力应变进行长期、稳定、无须定时跟踪的监测，根据图1中系统的结构示意图，其具体实现步骤是；1)确定应力监测点的分布依据被监测现场具体情况和工程应用情况，确定测量点的数目和测量分布方式，粗估各点温度或应力应变的值，推算出整个现场应力应变分布概况。
2)确定各测点处光纤光栅的双波长根据整个现场各监测点温度或应力应变分布状态，特别是各点的温度或应力变化的最大值，将各监测点的位置与编码式光纤光栅的波长阵列相对应λ1l1λ1l2… λ1lnλ2l1λ2l2… λ2ln…… … …λnl1λnl2… λnln且确保各测点的波长值，在各点应变达到最大值的极限情况下，各点的波长分布具有一定的间隔。光纤光栅阵列如附图1中1所示，λ系列的波长分布在1310nm窗口，λi和λi+1之间波长相差2nm；l系列的波长分布在1550nm窗口，同样li和li+1之间波长相差2nm。
3)确定光纤光栅解调器依据对应测点最大温度或应力变化值的光纤光栅波长的变化值和各点的波长分布间隔大小，计算出所有测点的波长变化值和间隔值的总和，然后乘以相应的波长余额系数1.2～1.8，确定两个窗口所需光纤光栅解调目的调制波长的定向范围，并结合应力变化所需测量精度，选定两套一定型号的适合于大容量解调的光纤光栅解调装置6、7。
4)确定光纤光栅传感温敏系数或应力应变系数K依据光纤光栅在现场监测点的固定方式(焊接、粘贴)，分布方式(外置、内嵌)，选定系数K值，并在数据处理系统中进行设置，以保证在数据处理中换算出各点温度值或应力大小。
5)现场整体状态的确定依据各监测点温度或应力变化的大小，数据处理系统要进行特定程序的运算，确定现场整体状态的分布，并对极限状态产生报警信号和自动调整的控制信号。
本发明中的编码式光纤光栅监测系统装置如图1所示，它包括光纤光栅阵列1；宽带激光光源2、3；Y型分路器4、5；解调器6、7；数据采集模块8；数据处理计算机9和控制模块10等。其中第一个宽带光源2工作在1310nm窗口，带宽不少于30nm，它通过一个与之匹配的Y型分路器4将光耦合入光栅阵列，这个Y型分路器的另一个分路端口连接相应的解调装置6。第二个宽带光源3工作在1550nm窗口，带宽不少于30nm，它通过另一个与之匹配的Y型分路器5将光耦合入光栅阵列，它的另一个分路端口连接相应的解调器7。两套解调器输出的信号通过相应的传阵列，它的另一个分路端口连接相应的解调器7。两套解调装置输出的信号通过数据采集模块8对信号进行初步放大、滤噪、A\D转换等处理。数据采集模块8和数据处理计算机9的并行通信可采用计算机的EPP或ISA等标准接口。数据处理系统要进行特定程序的运算，确定现场整体状态的分布，并对极限状态产生报警信号和自动调整的控制信号。控制信号接入控制模块10，控制模块可以是一个可编程控制器(PLC)，它能根据控制信号执行预先写入的开关、步进、转向等操作。
图2为双光栅原理图，所述的双光栅是在光纤的同一位置写入两个中心波长不同的光栅15、16，光栅15、16的中心波长的窗口分布在1310nm和1550nm附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm。这样在每个窗口至少可分布15个不同中心波长的光栅。两个光栅的布拉格中心波长对所测点的位置和应力进行编码，当所测点的应力发生变化时，两个光栅的布拉格中心波长同步变化。如图5所示，两个光纤布拉格光栅在外界温度变化时，布拉格中心波长是同步变化的。
所述的两套光纤光栅解调器的工作波长分别工作在1.30μm波段或1.55μm波段，工作波段范围大于30nm。光纤光栅采用248nm紫外光辐射相位掩膜板技术制作的线性均匀光纤光栅，其长度为5mm～12mm，反射率为90～99％，反射波段在1310或1550nm的波段。
所述监测装置的设置步骤包括1)编码式光纤光栅传感系统的设计a)根据现场情况，优化和确定测点数目和位置，进而确定光纤光栅传感系统的布置方式。
b)计算光纤光栅解调器的工作波段范围 若计算出的传感光栅工作波段超出解调器的工作波段范围，则可重新设计光纤光栅分布传感系统，采用多路光纤光栅传感系统来降低对光纤光栅解调器的工作波段范围要求。
c)光损失计算。根据整个光路的焊接点、联接点、分路器数目，计算整个光路的光强损失，以保证各光栅反射光的强度不小于发射光强的I发射×3％。
2)光纤光栅传感阵列的制备a)依据各点的波长λilj，制备出编码式光纤光栅，其制备出光栅的反射波长的变化量，不能超出Δλ×35％。
b)光纤光栅传感阵列与传输光纤的焊接、保护、封装首先进行光纤光栅的封装及可能保证整个系统所用的光栅在同一批次进行封装，保证其传感的一致性，通过光纤自动焊接机进行光纤光栅与传输光缆的焊接，保证二者为同种型号的光纤，焊接损失小于1％，此外，还要对焊点进行再涂敷保护。
3)光纤光栅传感阵列上光纤光栅的粘贴或焊接a)对于φ0.5nm钢管封装的光纤光栅传感阵列上的光纤光栅可采用激光微焊接技术进行焊接，对于粘贴式的光纤光栅传感阵列则采用快速固化粘接剂进行粘贴，在上述二种工艺中，要保证在相同工艺条件下焊接和粘贴，特别是要保证光纤光栅传感阵列上的光纤光栅焊接或粘贴后呈直线，且在固化过程中施加相同的预应力。
b)确定光纤光栅的灵敏度系数K采用相同的工艺，将光栅光栅焊接(或粘贴)安装在试验索上，拉伸受力，确定灵敏度系数K。
4)系统的调试；将整个系统安装完毕后，进行相关调试、检查。
a)首先检查整个光路是否相通。
b)采用加热的方式，检查测量各点的位置与光栅的波长相对应。
实施例2如图1、图4所示，为以三光栅为光纤光栅传感阵列实施例。
它包括光纤光栅阵列1；宽带激光光源2、3；Y型分路器4、5；解调器6、7；数据采集模块8；数据处理计算机9和控制模块10等。其中第一个宽带光源2工作在1310nm窗口，带宽不少于30nm，它通过一个与之匹配的Y型分路器4将光耦合入光栅阵列，这个Y型分路器的另一个分路端口连接相应的解调器6。第二个宽带光源3工作在1550nm窗口，带宽不少于30nm，它通过另一个与之匹配的Y型分路器5将光耦合入光栅阵列，它的另一个分路端口连接相应的解调器7。两套解调装置输出的信号通过相应的传阵列，它的另一个分路端口连接相应的解调器7。两套解调装置输出的信号通过数据采集模块8对信号进行初步放大、滤噪、A\D转换等处理。数据采集模块8和数据处理计算机9的并行通信可采用计算机的EPP或ISA等标准接口。数据处理系统要进行特定程序的运算，确定现场整体状态的分布，并对极限状态产生报警信号和自动调整的控制信号。控制信号接入控制模块10，控制模块可以是一个可编程控制器(PLC)，它能根据控制信号执行预先写入的开关、步进、转向等操作。
图4为三光栅原理图，所述的三光栅是在光纤的同一位置写入两个中心波长不同的光栅17、18、19，光栅17、18、19的中心波长的窗口分布在1310nm和1550nm附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm。这样在每个窗口至少可分布15个不同中心波长的光栅。当所测点的应力发生变化时，三个光栅的布拉格中心波长同步变化。光纤光栅的传感阵列如下L1λ1λ11L1λ1λ12…………L1λ1λ15L1λ2λ11L1λ2λ12…………L1λ2λ15……… ……… ………L10λ10λ11 L10λ10λ12………L10λ10λ15L1λ1L11 L1λ1λ12…………L1λ1λ15……… ……… ………L10λ10L11 L10λ10L12………L10λ10L15每十个光栅分为一组，三组光栅进三维编码组成103＝1000个探测点。其它工艺方法如实例所述即可。
权利要求
1.一种大容量编码式光纤光栅传感监测系统，其特征在于所述系统由光纤光栅传感阵列(1)；宽带光源(2)、(3)；Y型分路器(4)、(5)；解调器(6)、(7)；数据采集模块(8)；数据处理计算机(9)和控制模块(10)组成；光纤光栅传感阵列(1)分布着中心波长分别在1310nm和1550nm附近的光栅；第一个宽带光源(2)和第二个宽带光源(3)为该阵列提供光源；第一个宽带光源(2)通过Y型分路器(4)将光耦合入光栅阵列，Y型分路器(4)的另一个分路端口通过光纤(11)连接解调器(6)；第二个宽带光源(3)通过Y型分路器(5)将光耦合入光栅阵列，Y型分路器(5)的另一个分路端口通过光纤(12)连接解调器(7)；解调器(6)、(7)通过导线(13)、(14)连接数据采集模块(8)；数据采集模块(8)、数据处理计算机(9)和控制模块(10)用导线连接。
2.权利要求1所述的编码式光纤光栅传感监测系统，其特征在于光纤光栅阵列(1)为2个以上的双光栅或多光栅编码组合而成，双光栅即在光纤的同一位置写入两个中心波长不同的光栅，光栅的中心波长分布在1310nm和1550nm窗口附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm；多光栅即在光纤的同一位置写入两个以上中心波长不同的光栅，光栅的中心波长分布在1310nm和1550nm窗口附近，同一个窗口中的每个光栅的中心波长相差2nm。
3.如权利要求1所述的编码式光纤光栅温度传感监测系统，其特征在于第一个宽带光源(2)的光谱分布在1310nm窗口，带宽30-40nm；第二个宽带光源(3)的光谱分布在1550nm窗口，带宽30-40nm。
4.如权利要求1所述的编码式光纤光栅温度传感监测系统，其特征在于Y型分路器(4)工作在1310nm窗口，带宽30-40nm；Y型分路器(5)工作在1550nm窗口，带宽30-40nm。
5.如权利要求1所述的编码式光纤光栅温度传感监测系统，其特征在于解调器(6)工作在1310nm窗口，带宽30-40nm；解调器(7)工作在1550nm窗口，带宽30-40nm。
全文摘要
一种大容量编码式光纤光栅传感监测系统，由中心波长在1550nm的宽带光源、中心波长在1310nm的宽带光源、1550nm窗口Y形分路器、1310nm窗口Y形分路器、编码式光纤光栅阵列、大容量1550nm解调器、大容量1310nm解调器、数据处理系统、控制系统以及相应的光纤、导线组成。由于采用多光栅编码技术，即在光纤的同一位置写入两个或者两个以上中心波长不同的光栅，对检测点的位置和温度或者应力、应变、健康状况等同时进行编码测量，使系统具有准确度高、稳定性好、信息量大等特点。本发明可对油罐、油气管道、高压变电站等场合的温度以及公路、桥梁、大型建筑等的应力、应变情况、健康状况进行大容量准分布式测量。
文档编号G01K11/00GK1546966SQ200310111529
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月8日 优先权日2003年12月8日
发明者姜德生, 梅家纯, 高雪清, 陈宏波, 南秋明, 罗裴 申请人:武汉理工大学