CN103454014A - 光纤传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤传感系统。提出了一种用于用光纤传感系统来检测警报条件的方法。具有光源、光谱仪以及数据处理器的询问器被用来执行多个光纤传感元件的快速扫描。根据由询问器在第一扫描期间收集的摄谱数据针对每个光纤传感元件计算第一环境参数并与第一阈值值相比较。如果第一环境参数值超过用于任何光纤传感元件的第一阈值值，则快速扫描被中断以执行该光纤传感元件的高分辨率慢速扫描。如果此高分辨率慢速扫描指示警报条件，则光纤传感系统报告警报。

Description

光纤传感系统
技术领域
本发明涉及光纤传感系统。
背景技术
本发明一般地涉及光纤传感系统，并且更具体地涉及使用光纤传感元件进行的区域性火灾和过热检测系统。
光纤传感器当前在从施工现场至飞机机翼范围的分布式系统中被用来测量大范围的参数。一些此类传感器包括压力、应变以及温度传感器，但是光纤一般可以用来测量可能与光纤传感元件的物理状态有关系的许多量。一些光纤温度传感器例如通过用干涉仪检测光纤线股（strand）或线股段附近的周围护套或之间的间隙的热膨胀来进行操作。其他传感器检测参数的变化，诸如来自Raman反向散射的温度和压力。数据处理器使干涉仪读数与光纤传感元件的物理状态的变化相关。
大多数光纤温度传感器包括光纤传感元件和具有光源、光谱仪以及数据处理器的询问器。该传感元件由从询问器延伸至传感区域的光纤线股组成。在操作期间，询问器沿着光纤传感元件发射光。温度变化改变传感元件的物理状态和因此的其光学特性。光谱仪和数据处理器评定这些差异以识别温度变化。
现代温度传感器利用大范围的光谱学和干涉测量学技术。这些技术大体上分成两类：基于光纤布拉格光栅（FBG）的点或准分布式传感，以及基于Raman、Brillouin或Rayleigh散射的全分布式传感器。光纤传感元件的特定构造根据传感器系统所使用的光谱学的类型而变，但是所有光纤传感器通过感测光纤传感元件的物理状态变化进行操作。例如，FBG传感器通过感测布拉格波长的相对移位来确定温度变化（ΔT）（ΔλB/λB）： 
Figure 632885DEST_PATH_IMAGE001
                                 [等式1]
其中，pe是应变光学系数，ε是施加的应变，αΛ是光纤的热膨胀系数，并且αn是其热光学系数。
光纤传感元件相对于常规电温度传感器而言是廉价、耐用且容易安装的。大多数光纤温度传感器的最昂贵元件因此是询问器。为了降低成本，一些传感器系统经由开关将多个传感元件附接于每个询问器，开关周期性地循环通过每个传感元件，允许单个询问器服务于许多单独的传感元件，其可以位于许多不同的检测区域中。
开关光纤传感器系统不是没有缺点。快速开关迫使需要高询问器扫描速率，其限制可由系统实现的空间和/或温度分辨率。相反，仅在传感元件之间缓慢地切换的系统很少访问每个传感元件，并且可以允许危险的热量条件未被注意到达数十秒，这对于火灾和热量控制而言可能是关键的。
发明内容
本发明针对用于用光纤传感系统来检测警报条件的系统和方法。具有光源、光谱仪以及数据处理器的询问器被用来执行多个光纤传感元件的快速扫描。根据由询问器在第一扫描期间收集的摄谱数据针对每个光纤传感元件计算第一环境参数值并与第一阈值值相比较。如果第一环境参数值超过用于任何光纤传感元件的第一阈值值，则快速扫描被中断以执行该光纤传感元件的高分辨率慢扫描。如果此高分辨率慢扫描指示警报条件，则光纤传感系统报告警报。
附图说明
图1是根据本发明的光纤过热传感系统的示意性方框图。
图2是描述图1的光纤过热传感系统所使用的扫描方法的流程图。
具体实施方式
图1是光纤传感系统10的示意性方框图，包括询问器12、光学开关14以及传感元件16a、16b和16N。询问器12还包括宽带光源18、高速光谱仪20以及数据处理器22。光纤传感系统10可以用来在大范围的应用中感测火灾或过热条件，包括在飞机或其他运输工具上。虽然光纤传感系统10在本文中被描述为温度传感系统，但在本发明的其他实施例中，光纤传感系统10可以用来监视诸如应变或压力的其他参数。
传感元件16a、16b、…、16N是从光学开关14延伸至区Z1、Z2、...、ZM内的传感位置的光学传感元件。出于说明的目的，传感元件16a、16b、…、16N在下文中将被描述为FBG元件，虽然可以等价地使用其他类型的传感元件。同样地，虽然传感元件16a、16b、…、16N被描述为仅在一端处被连接到光学开关14（即测量折射光）的单个光纤线股，但其他实施例可以包括用于比较干涉测量的多个光纤线股，或者可以在闭合环路中在两端处连接到光学开关14（即测量透射光）。在所示的FBG系统中，每个传感元件16a、16b、...、16N具有多个紧密间隔开的FBG，每个具有单个特性布拉格波长λ1、λ2、…、λM，其能够用来辨别来自每个区的信号，如下面更详细地解释的。
询问器12是包括宽带光源18、高速光谱仪20以及数据处理器22的FBG询问器。宽带光源18可以例如是能够以多个波长产生光的超荧光发光二极管（SLED）源。高速光谱仪20是能够快速地评定布拉格波长的相对移位（ΔλB/λB）的光谱仪。高速光谱仪20的特定速度要求将取决于光学传感元件16a、16b、… 16N的数目，并且取决于光纤传感系统10的采样速度要求，其又可以通过监视的区域或系统的安全或火灾抑制要求来确定。数据处理器22是微处理器或其他具备逻辑能力的设备，其被配置成根据布拉格波长的相对移位（ΔλB/λB）来计算温度变化（ΔT），并且还被配置成运行扫描方法100（下文相对于图2描述）。数据处理器22可以是诸如多功能计算机或固定功能处理器的可编程逻辑设备。
光学开关14是能够顺序地将高速光谱仪20连接到传感元件16a、16b、…、16N的1×N光学开关。更特别地，光学开关14是能够以由数据处理器22规定的变化速率顺序地在传感元件16a、16b、…、16N之间进行切换的光学开关。虽然光学开关14被描绘为来自询问器12的单独示意性块，但在一些实施例中可以将询问器12和光学开关14容纳在公共外壳中或定位于共享电路板上。
在所述实施例中，每个传感元件16a、16b、…、16N被配置成感测M个不同区中的温度变化。如上所述，每个传感元件16a、16b、…、16N配备有FBG，其在每个区Z1、Z2、…、ZM中具有不同的布拉格波长λB，从而允许高速光谱仪20和数据处理器22辨别每个区中的温度变化。根据本实施例，高速光谱仪20从对应于区Z1、Z2、...、ZM的每个传感元件16a、16b、…、16N识别M个不同的布拉格波长，并且分析每个中的相对移位（例如Δλ1/λ1、Δλ2/λ2、...、ΔλM/λM）。处理器22可以替换地或另外基于从每个区到询问器12的渡越时间来区别每个区Z1、Z2、...、ZM。本发明的一些实施例可以仅感测每个传感元件16a、16b、…、16N的一个温度（即仅一个区）。
光纤传感系统10扫描多个传感元件16a、16b、…、16N，其中的每一个可以服务于多个区Z1、Z2、...、ZM。光谱仪20和数据处理器22可以以可变速率来扫描传感元件16a、16b、…、16N，如下文相对于图2所述的。针对每个被扫描传感元件16a、16b、…、16N，并且针对每个被扫描区Z1、Z2、ZM，数据处理器22根据等式1来确定温度偏差ΔT。ΔT表示从已知基线温度T基线起的温度变化，使得当前温度为T = T基线 + ΔT。
图2描绘了扫描方法100，数据处理器22借以控制光学开关14以便以可变速率来扫描传感元件16a、16b、…、16N的方法。在许多火灾和过热检测系统中，过热或火灾检测中的不许可延迟可能导致在能够部署火灾抑制或灭火设备之前逐渐形成的危险条件。因此必需的是此类系统能够实现高询问器扫描速率，从而使每个传感元件16a、16b、…、16N的后续检查之间的时间延迟最小化。然而，在本领域中众所周知的是空间和温度分辨率与分布式光纤传感系统中的询问器扫描速率逆相关。虽然高（快速）扫描速率是保证所有被监视部件被频繁地询问所必需的，但可能需要由较慢扫描速率提供的较大分辨率以对火灾或过热条件进行识别和定位。扫描方法100允许光纤传感系统10在必要时提供高空间和温度分辨率，同时保持高的正常扫描速率，如下所述。
数据处理器22通过将对应于传感元件16a的元件数n＝1初始化（步骤S1）并例如通过在5 Hz下通过光学开关14从询问器12向传感元件16a中发送光脉冲并返回来命令高速光谱仪20执行对应传感元件16a的快速扫描（步骤S2）来开始传感元件16a、16b、…、16N的每次扫描。数据处理器22根据以上等式1来评定温度变化和任何温度变化的沿着传感元件16a的位置。第一快速扫描可能太短暂而不能提供高位置或温度准确度，但是提供大致正确的温度值T。
数据处理器22接下来将所感测的温度T与对应于可能过热条件的预定阈值值Tmax相比较（步骤S3）。在一些实施例中，数据处理器22还可以确定自从来自传感元件16a的最后测量以来的所感测温度变化（即ΔT/Δt = (T–T早期)/<时间步>），并且所感测温度的此变化与第二阈值值ΔTmax相比较。（步骤S4）。如果任一量超过对应的阈值值，则数据处理器22发起传感元件16a的慢速扫描，如下面相对于步骤S8更详细地描述的。否则，数据处理器22将n增加，命令光学开关14切换至下一个传感元件，并且对传感元件16b至16N重复上述过程，直至n＝N（步骤S5和S6）。在执行所有传感元件16a、16b、…、16N（对应于n＝1至n＝N）的快速扫描时，数据处理器22将n＝1重新初始化，并且从开头起重复整个方法100（步骤S7）。通过使用快速扫描来测试每个传感元件16a、16b、…、16N，光纤传感系统10能够在短时间标度上（例如，5秒或更少）跨全部的N个传感元件和M个区提供至少温度的粗略确定。
阈值值Tmax和ΔTmax被选择成基于在步骤S2的快速扫描期间进行的有限准确度测量而每当可能已发生过热条件时触发慢速扫描。并不是超过对应阈值值的T或ΔT/Δt的每次发生都将指示过热或火灾事件。如果且当所感测温度T和/或所感测温度变化ΔT/Δt的比较超过用于任何传感元件16a、16b、…、16N的对应阈值值（参见步骤S3和S4），数据处理器22中断传感元件16a、16b、…、16N的扫描以命令高速光谱仪20开始对应传感元件16a、16b、…、16N的慢速扫描（步骤S8）。此慢速扫描可能花费几秒，并且可能涉及比步骤S2的快速扫描更高的脉冲频率（例如1000Hz），消耗更多的时间和更多的能量。步骤S8的慢速扫描允许数据处理器22以比步骤S2的快速扫描高得多的准确度来确定温度T（和/或温度变化ΔT/Δt）。另外，步骤S8的慢速扫描允许沿着特定传感元件16a、16b、…、16N的过热或火灾位置的更大渡越时间分辨率。数据处理器22可以评估多个参数，包括与预期值相比较的温度T和温度变化ΔT/Δt，以确定过热或火灾条件是否已发生（步骤S9），并且因此根据需要向适当的火灾抑制或警报系统报告过热或火灾警报（步骤S10）。
方法100使得光纤传感系统10能够动态地在快速和慢速扫描速率之间进行切换，从而在允许过热或火灾事件的精确温度和位置测量的同时在正常操作期间保留高的扫描速度。步骤S2的快速扫描提供低分辨率温度测量，其提供可应用于一般条件监视的信息。数据处理器22可以能够基于此快速扫描来识别在特定量值以上的火灾/过热事件，但是可能不能准确地识别所有过热/火灾条件。然而，快速扫描速率信息将提供所有过热/火灾条件的潜在发生的指示。可以将这视为绝对温度的增加或受影响传感元件的温升速率的异常急剧增加。当在任何特定元件中识别到潜在火灾或过热条件时，将减小询问器的扫描速率，并且光学开关被配置成单独地对此元件进行寻址（步骤S8）。针对较慢扫描速率接收到的信息然后被用来确定是否存在真正的过热或火灾警报条件。在执行此步骤之后，数据处理器22再次增加扫描速率并重新开始顺序地监视所有元件。
在一些情况下，除由步骤S3和S4的阈值测试触发的任何慢速扫描外，可以使每个传感元件16a、16b、…、16N周期性地经受慢速扫描（如上文相对于步骤S8所述）。这些周期性慢速扫描提供每个传感元件16a、16b、…、16N的环境的准确评定，其可以例如用于健康监视和火灾保护目的。在一个实施例中，方法100的每次全循环都将包括用于一个传感元件16a、16b、…、16N的慢速扫描。例如，方法100的第一全循环可能包括元件16a的调度慢速扫描，而方法100的第二全循环可能包括元件16b的调度慢速扫描，一旦全部的N个传感元件已经受慢速扫描，则此模式重复。
虽然已参考（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是在不脱离本发明的范围的情况下，可以实现各种变更，并且等价物可以代替其元件。特别地，虽然已相对于温度感测描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是方法100可以类似地应用于测量光纤传感器对其可用的压力、应变或其他量的系统。虽然传感元件16a、16b、…、16N已被描述为FBG传感元件，但可以替换地使用其他类型的传感元件，具有数据处理器22所使用的数学模型的对应变化。另外，在不脱离其本质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适合于本发明的讲授内容。因此，意图在于本发明不限于公开的（一个或多个）特定实施例，但本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。 

Claims (20)

1.一种用于光纤传感系统的警报条件检测方法，该警报条件检测方法包括： 
使用具有光源、光谱仪以及数据处理器的询问器来执行多个光纤传感元件的快速扫描； 
根据在快速扫描期间由询问器收集的摄谱数据来计算用于每个光纤传感元件的第一环境参数值； 
将第一环境参数值与用于每个光纤传感元件的第一阈值值相比较； 
响应于第一环境参数值超过第一阈值值而执行当前光纤传感元件的高分辨率慢速扫描；以及 
如果当前光纤传感元件的高分辨率慢速扫描指示警报条件，则报告警报。
2.权利要求1的警报条件检测方法，其中，所述环境参数是温度。
3.权利要求2的警报条件检测方法，其中，所述警报条件是火灾或过热事件。
4.权利要求1的警报条件检测方法，还包括： 
根据在快速扫描期间由询问器收集的摄谱数据来计算用于每个光纤传感元件的第二环境参数值； 
将第二环境参数值与用于每个光纤传感元件的第二阈值值相比较；以及 
响应于第二环境参数值超过第二阈值值而执行当前光纤传感元件的高分辨率慢速扫描。
5.权利要求4的警报条件检测方法，其中，第二环境参数是自最后测量以来的环境参数值的变化。
6.权利要求1的警报条件检测方法，还包括确定当前光纤传感元件上的警报条件的位置。
7.权利要求6的警报条件检测方法，其中，确定警报条件的位置包括通过在高分辨率慢速扫描期间进行的渡越时间测量来识别从询问器至警报条件的位置的距离。
8.权利要求6的警报条件检测方法，其中，每个光纤传感元件包括具有单个特性布拉格波长的多个光纤布拉格光栅（FBG），并且其中，确定警报条件的位置包括识别警报条件的位置处的FBG的特性布拉格波长。
9.权利要求1的警报条件检测方法，其中，第一阈值值被选择成针对对应于可能警报条件的第一环境参数值的范围触发高分辨率慢速扫描。
10.权利要求1的警报条件检测方法，还包括周期性地执行每个光纤传感元件的高分辨率慢速扫描。
11.一种光纤传感系统，包括： 
询问器，具有光源和光谱仪； 
多个光纤传感元件； 
光学开关，被配置成顺序地将询问器连接到所述多个光纤传感元件中的每一个；以及 
数据处理器，被配置成根据由光谱仪进行的从所述多个光纤传感元件中的每一个反射的光的摄谱分析来计算环境参数值； 
其中，所述数据处理器被配置成控制光学开关以便以快速扫描速率来扫描每个光纤传感元件以计算粗略环境参数值，并且如果用于特定光纤传感元件的粗略环境参数值超过第一阈值，则以慢速扫描速率来扫描该光纤传感元件以计算精确环境参数值。
12.权利要求11的光纤传感系统，其中，所述数据处理器还被配置成如果精确环境参数值超过第二阈值，则报告警报。
13.权利要求11的光纤传感系统，其中，所述环境参数值是温度值，并且粗略环境参数值是粗略温度值，并且精确环境参数值是精确温度值。
14.权利要求11的光纤传感系统，其中，所述数据处理器还被配置成如果精确温度值超过第二阈值，则报告火灾或过热警报。
15.权利要求11的光纤传感系统，其中，所述多个光纤传感元件中的每一个包括具有不同单个布拉格波长的多个光纤布拉格光栅（FBG）。
16.权利要求15的光纤传感系统，其中，每个不同的单个布拉格波长与由光纤传感元件中的至少一个所感测的单个区相关联。
17.权利要求15的光纤传感系统，其中，所述数据处理器还被配置成基于与每个环境参数值相关联的位置处的FBG的不同的单个布拉格波长来识别该位置。
18.权利要求11的光纤传感系统，其中，数据处理器被配置成基于从光纤传感元件反射的光的渡越时间测量来识别与每个环境参数值相关联的位置。
19.权利要求11的光纤传感系统，其中，所述数据处理器还被配置成如果自粗略环境参数的最后测量以来的粗略环境参数值的变化超过第三阈值，则以慢速扫描速率来扫描光纤传感元件。
20.权利要求11的光纤传感系统，其中，所述数据处理器是询问器的一部分。
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