专利名称：一种基于带状光纤的光栅监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于带状光纤的光栅监测系统，属于传感监测系统技术领 域。
背景技术：
光纤光栅以其体积小、易于封装、可大规模生产等突出优点而成为光纤传感器家 族中的一员，由于是基于无偏振的传输方向相反的模式之间发生耦合而反射特定波长的光 纤滤波器，可用于温度、应变等物理量的测量，目前已广泛用于民用建筑、大坝、桥梁、隧道、 高压变电站等的健康检测以及复合材料、智能结构的无损检测。与其它类型的传统传感器 相比，尽管它的价格比较高，但它的最大优点是其可复用，进行网络化传感。这样使得每个 传感器平均价格比较低，因此对大规模传感应用来说，光纤光栅传感网络应该是首选的技 术。在现有的技术中，中国专利CN1828229A(黑龙江大学，余有龙)公开的“基于CPLD 的时分复用光纤光栅传感测试系统” 200610009939. X，处理电路复杂，能同时监测线路上的 所有光纤光栅，但光纤光栅个数不多；中国专利CN1546966A(武汉理工大学，姜德生)公开 的“大容量编码式光纤光栅传感监测系统” 200310111529. 2，使用中心波长1550nm的宽带 光源和中心波长1310nm的宽带光源在一个光纤上进行光源复用，在现有光源带宽30-40nm 下实现了最大光纤光栅数400，而且结构比较简单，性能比较稳定，但是光纤光栅个数强烈 依赖复用的光源宽带。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够用于长距离、大容量的温度和 应力、应变监测的基于带状光纤的光栅监测系统。本发明解决上述技术问题的技术方案是一种基于带状光纤的光栅监测系统，包 括设有光栅传感阵列、且光栅传感阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的带状光纤， 宽带光源，分支器，环行器，解调器，数据采集控制模块和数据处理计算机，其特征在于所 述宽带光源通过分支器分别与至少两个环行器连接，环行器的输出口分别连接带状光纤中 的一支，环行器的返回输出口分别连接一解调器，解调器分别通过导线与数据采集控制模 块连接，数据采集控制模块通过计算机插槽或USB接口与数据处理计算机连接。上述设有光栅传感阵列、且光栅传感阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的 带状光纤为二芯带状光纤或三芯带状光纤。上述带状光纤上成对的光栅传感阵列是由一个宽带光源划分η个光栅反射谱，取 该η个光栅的子集元素依次熔接或直接制作在带状光纤上构成。上述宽带光源为单宽带光源或双宽带光源。本方案的优点是一个宽带光源就能实现长距离、大容量的准分布式测量。按上述 一个宽带光源可驱动20个光纤光栅，监测点间隔25m，采用三芯带状光纤的系统，最大监测点数为20X20X20 = 8000，距离长达8000 X 25m = 200km。当然，这么长的监测距离，返回 光功率很弱。中心波长1550nm的宽带光源加前置宽带光纤放大器以脉冲方式工作，占空比 大于2，脉宽小于10ns，每芯入射的峰值功率小于受激拉曼阈值，大约为IW - 50ff(依线路 平均损耗情况而定)，工业级探测器的灵敏度在nW级，这样有90dB的动态范围，光纤线路损 耗大约在0. 2dB/km,理想情况的监测距离为90/0. 2/2 = 225km。由于熔接损耗不可忽略， 显然要加中继放大器才能完成200km的监测距离。由此本系统不仅可应用于长距离、大容 量的温度监测，而且还可应用于恶劣环境下的长距离、大容量的应力、应变等的实时在线监 测。其原因不仅在于光纤的柔软、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，而且由于光纤光栅还具有偏振无关、波长分离能力强、传感精度和灵敏度极 高，绝对数字测量等优点，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、应变等参数的实时、在线、分布式检测，以及对结构缓变、裂缝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。因此，本实用新型资源，如大坝、油气管道、高压变电站等场合的温度以及公路、桥 梁、隧道、大型建筑等的应力、应变情况进行长距离准分布式测量。

图1是本实用新型二芯带状光纤的光栅监测系统结构示意图；图2是本实用新型双宽带光源的二芯带状光纤的光栅监测系统结构示意图；图3是本实用新型三芯带状光纤的光栅监测系统结构示意图。
具体实施方式
一种基于带状光纤的光栅监测系统装置如图1所示，它包括设有光栅传感阵列、 且光栅传感阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的带状光纤，宽带光源，分支器，环行 器，解调器，数据采集控制模块和数据处理计算机。宽带光源2通过Y型分支器3与环行器 连4、5连接，环行器的输出口分别连接二芯带状光纤中的一支，环行器的返回输出口分别 连接一解调器6、7，解调器分别通过导线与数据采集控制模块8连接，数据采集控制模块通 过计算机9插槽或USB等接口与数据处理计算机9连接。二芯带状光纤1上成对的光栅传感阵列由一个宽带光源划分η个用 于监测的光栅反射谱I^1 :i = 1，2，……，n}，任取这η个光栅的二维子集
υ{(Λ ,,Λ,> ,=1，2，……，k·’ k,"“丨的元素依次熔接或直接制作在二芯带状光纤上构成，
总共有Nk对光栅，每对间隔距离可以相同，也可以不相同。图2所示的是双宽带光源的二芯带状光纤的光栅监测系统。双宽带光源2、14通过 2X2型波分复用器15与环行器连4、5连接，环行器的输出口分别连接二芯带状光纤中的 一支，每一芯带状光纤上的同一位置刻有和双宽带光源中心波长附近的双波长编码光栅， 环行器的返回输出口分别与Y型波分复用器16、17连接。Y型波分复用器16分别通过解 调器6、18与数据采集控制模块8连接；解调器分别通过导线与数据采集控制模块8连接； Y型波分复用器17分别通过解调器7、19与数据采集控制模块8连接。本实用新型中的带状光纤的光栅监测方法是采用“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、无须定时跟踪的监侧，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波长设计各监测点的位置与光纤光栅的对应表格， 根据制作成型的各光纤光栅的最大变化光谱范围作单调递增排列，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作单调递增排列，依据
它们的关系取二维子集 |(Λ，Λ):/=1，2，……，k ’ k> 填写各监测点的位置与光纤
m=\、 “‘
光栅的对应表。3)确定光纤光栅传感温敏系数或应力应变系数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。4)光损耗计算根据整个光路的焊接点、联接点，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5%。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，软件系统要进行 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8，控制模块可以是一个DSP处理芯片，它能根据控制信号 执行预先写入的时钟恢复、现场保护等操作。其监测原理如下由耦合模理论可知，均勻的非闪耀光纤TOG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)λΒ = 2neffA (1)式(1)中Iieff为导模的有效折射率，A为光栅周期。由式⑴可知，Bragg波长是 随nrff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nrff将发生变化，使峰值反射波长 发生变化，其相对偏移量是
A O=+(2)
又b其中Δ ε为外力产生的轴向应变量，ΔΤ是温度变化量，Kt为温敏系数，Ke为应 力应变系数。应变量Δ ε、ΔΤ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.光纤光栅布放时二或三维子集元素已经与 位置联系在一起了，并且解调器独立地记录着带状光纤上每条光纤的每个光纤光栅的反射 谱，组合、计算反射谱变化就知道每个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并对突发事件发出报警。如图3所示，基于带状光纤的光栅监测系统，包括设有光栅传感阵列、且光栅传感 阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的带状光纤，宽带光源，分支器，环行器，解调器，数据采集控制模块和数据处理计算机。宽带光源2通过1X3型分支器3与环行器连4、5、 12连接，环行器的输出口分别连接三芯带状光纤中的一支，环行器的返回输出口分别连接 一解调器6、7、13，解调器分别通过导线与数据采集控制模块8连接，数据采集控制模块通 过计算机9插槽或USB等接口与数据处理计算机9连接。 三芯带状光纤上成对的光栅传感阵列10由一个宽带光源划分了 η个 用于监测的光栅反射谱:i = 1,2,……，n}，任取这η个光栅的子集
k' N、，MS (的元素依次熔接或直接制作在三芯带
状光纤上构成，总共有N1N2Ic对光栅。
权利要求一种基于带状光纤的光栅监测系统，包括设有光栅传感阵列、且光栅传感阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的带状光纤，宽带光源，分支器，环行器，解调器，数据采集控制模块和数据处理计算机，其特征在于所述宽带光源(2).通过分支器分别与至少两个环行器连接(4、5)，环行器的输出口分别连接带状光纤(1)中的一支，环行器的返回输出口分别连接一解调器(6、7)，解调器分别通过导线与数据采集控制模块(8)连接，数据采集控制模块通过计算机(9)插槽或USB接口与数据处理计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于带状光纤的光栅监测系统，其特征在于所述设有 光栅传感阵列、且光栅传感阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的带状光纤(1)为二 芯带状光纤或三芯带状光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于带状光纤的光栅监测系统，其特征在于所述 带状光纤(1)上成对的光栅传感阵列是由一个宽带光源划分η个光栅反射谱，取该η个光 栅的子集元素依次熔接或直接制作在带状光纤上构成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于带状光纤的光栅监测系统，其特征在于所述 宽带光源为单宽带光源(2)或双宽带光源(2、14)。
专利摘要一种基于带状光纤的光栅监测系统属光纤传感监测系统技术领域。其目的是提供一种能够用于长距离、大容量的温度和应力、应变监测的基于带状光纤的光栅监测系统。其包括设有光栅传感阵列、且光栅传感阵列分布着宽带光源中心波长附近的光栅的带状光纤，宽带光源，分支器，环行器，解调器，数据采集控制模块和数据处理计算机，宽带光源(2)通过分支器分别与至少两个环行器连接(4、5)，环行器的输出口分别连接带状光纤(1)中的一支，环行器的返回输出口分别连接一解调器(6、7)，解调器分别通过导线与数据采集控制模块(8)连接，数据采集控制模块通过计算机(9)插槽或USB接口与数据处理计算机连接。
文档编号G01D5/26GK201653436SQ20102015549
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者刘庆, 刘斌, 李友松, 汪洪波, 连锋 申请人:合肥正阳光电科技有限责任公司