CN100420916C - 一种光纤应变传感系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤应变传感系统，所述的光纤应变传感系统由光纤传感器，光电转换电路和数据处理装置构成，其特征在于所述的光纤传感器通过光纤与所述的光电转换部分连接，所述的光电转换电路通过数据线与所述的数据处理电路连接，所述的光纤传感器采用迈克尔逊型传感器。本发明抗电磁干扰能力强、灵敏度高，对温度、湿度变化影响小；可远距离传输，数据稳定可靠；使用方便，信息处理系统操作简单，功能强大；实用性强，适合用于对大型结构进行中长期实时安全健康监测和预警；有较好的经济效益和显著的社会效益，具有广阔的应用前景。

Description

一种光纤应变传感系统

技术领域

本发明涉及光电领域，尤其是涉及光学传感器领域，特别涉及一种光纤传感器的应用系统，具体的是一种用于桥梁的关键部位进行应变测量的光纤应变传感系统。

背景技术

现有技术中，在桥梁的关键部位进行应变测量中，用的最为普遍的是各式各样的电阻应变传感器。这类传感器虽然已有长期的应用历史，积累了较丰富的经验。但在实际应用中，还是存在一些较为严重的问题，如易受潮、受温度影响；易受周围电磁场的干扰，在强电磁场或电噪声环境下无法正常工作；长距离传输，信号衰减过大等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中，在桥梁的关键部位进行应变测量中，用的最为普遍的是各式各样的电阻应变传感器。这类传感器虽然已有长期的应用历史，积累了较丰富的经验。但在实际应用中，还是存在一些较为严重的问题，如易受潮、受温度影响；易受周围电磁场的干扰，在强电磁场或电噪声环境下无法正常工作；长距离传输，信号衰减过大等等。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种光纤应变传感系统，所述的这种光纤应变传感系统由光纤传感器、光电转换电路和数据处理装置构成，其中，所述的光纤传感器通过光纤与所述的光电转换电路连接，所述的光电转换电路通过数据线与所述的数据处理装置连接，所述的光纤传感器由一个2×2的单模光纤耦合器和一个3×3的单模光纤耦合器构成，所述的2×2的单模光纤耦合器的一个输入端与激光光源连接，所述的2×2的单模光纤耦合器的一个输出端与所述的3×3的单模光纤耦合器的一个输入端连接，所述的2×2的单模光纤耦合器的另一个输入端以及所述的3×3的单模光纤耦合器的另外两个输入端均分别连接有一个光电探测器，所述的3×3的单模光纤耦合器的输出端设置有反射镜，所述的光电探测器与所述的光电转换电路中的信号变送器连接，所述的信号变送器与所述的数据处理装置连接。

具体的，所述的光纤传感器采用迈克尔逊型传感器，

进一步的，所述的数据处理装置由模数转换电路和计算机构成，所述的模数转换电路与所述的信号变送器连接，所述的信号变送器由三个IV变换器和一个判读器构成，任意一个所述的IV变换器均与一个所述的光电探测器连接，所述的三个IV变换器的输出端均与一个加法器连接，所述的三个IV变换器的输出端分别和所述的加法器的输出端构成信号线，所述的信号线分别与三个比较器连接，所述的比较器的输出端均与所述的判读器连接，所述的判读器与一个触发信号调整电路连接，所述的判读器的输出端经过所述的数模转换电路将变换后的信号向所述的计算机输出。

进一步的，所述的反射镜采用法拉第旋转反射镜。

本发明中所述的IV变换器、判读器、比较器、加法器、触发信号调整电路、光电探测器和光纤耦合器均为光电子行业公知技术，在此不再赘述。

本发明与已有技术相对照，效果是积极且明显的。本发明抗电磁干扰能力强、灵敏度高，对温度、湿度变化影响小；可远距离传输，数据稳定可靠；使用方便，信息处理系统操作简单，功能强大；实用性强，适合用于对大型结构进行中长期实时安全健康监测和预警；有较好的经济效益和显著的社会效益。

附图说明

图1是本发明一种光纤应变传感系统的一个优选实施例的功能模块结构示意图。

图2是本发明一种光纤应变传感系统的一个优选实施例的光纤传感器的结构示意图。

图3是本发明一种光纤应变传感系统的光电转换电路的电路原理图。

图4是本发明一种光纤应变传感系统中的光纤传感器的各点输出电压V与相位ф之关系的波形图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种光纤应变传感系统由光纤传感器10，光电转换电路20和数据处理装置30构成，其中，所述的光纤传感器10通过光纤与所述的光电转换部分20连接，所述的光电转换电路20通过数据线与所述的数据处理电路30连接，所述的光纤传感器10由一个2×2的单模光纤耦合器11和一个3×3的单模光纤耦合器12构成，所述的2×2的单模光纤耦合器11的一个输入端与激光光源13连接，所述的2×2的单模光纤耦合器11的一个输出端连接至所述的3×3的单模光纤耦合器12的一个输入端，所述的2×2的单模光纤耦合器11的另一个输入端和所述的3×3的单模光纤耦合器12的另外两个输入端均与光电探测器14连接，所述的3×3的单模光纤耦合器12的输出端设置有反射镜15，所述的光电探测器14与所述的光电转换电路20的信号变送器相连接，所述的信号变送器与数据处理装置30相连接。

具体的，所述的光纤传感器采用迈克尔逊型传感器，

进一步的，所述的数据处理装置30由模数转换电路和计算机构成，所述的模数转换电路与所述的信号变送器连接，所述的信号变送器由三个IV变换器和一个判读器构成，任意一个所述的IV变换器均与一个所述的光电探测器连接，所述的三个IV变换器的输出端均与一个加法器连接，所述的三个IV变换器的输出端分别和所述的加法器的输出端构成信号线，所述的信号线分别与三个比较器连接，所述的比较器的输出端均与所述的判读器连接，所述的判读器与一个触发信号调整电路连接，所述的判读器的输出端经过所述的数模转换电路将变换后的信号向所述的计算机输出。

进一步的，所述的反射镜采用法拉第旋转反射镜。

具体的，所述的信号变送器的电路原理如图3所示。

本发明的具体工作过程描述如下：单模光纤DFB激光光源LD将波长为1310nm的激光(相干光)导入到2×2单模光纤耦合器。其输出端的光纤与3×3单模光纤耦合器输入端的光纤熔接相连，激光经过3×3单模光纤耦合器的分路进入粘贴于检测构件的信号臂和作为温度补偿的参考臂，到达末端后，由反射镜将光信号反射回3×3单模光纤耦合器内进行干涉，之后以相互固定的相位差分到3根光纤，由输出端输出，其中一路由最初的2×2单模光纤耦合器分路输出。光电探测PD将光转换成电流，再由电流-电压转换成电压输出，来自激光探测器的电信号由信号变送器转换成-5V至+5V的电压信号，如图4所示，此电压信号的值同被测物体形变量的大小成线性关系，该标准信号将被输送至数据采集及处理部分，被模数转换卡ADC采集后，输入电脑，并经过计算处理成以με为单位的应变值，最后通过管理软件显示波形，输出测试结果和报警信号。

本发明的工作原理是：当粘贴在结构物表面上的光纤干涉仪敏感臂感应到结构物的物理量变化时，光纤干涉仪便形成一系列干涉明暗变化输出。为了使其信号处理简单方便、稳定可靠而采取对干涉仪输出明暗变化记数方案。由于2×2光纤耦合的干涉仪两个输出光纤端的光波相位是彼此相差180°，虽然可以得到计数脉冲，但无法判别干涉明暗的移动方向，也就是应变变化方向。不能判别，就无法实现计数的加减，本发明中利用一个2×2单模光纤耦合器和一个3×3单模光纤耦合器构成光纤干涉仪，可以实现判向。

具体实施例1。

为了模拟桥梁的受力状态以检验本发明的光纤应变传感系统的有效性，我们制作了一套测试实验装置-等强度悬臂梁。材质选用65Mn钢，其弹性模量E经实测为200.5Gpa。

等强度悬臂梁固结端宽b为72mm，厚h为6mm，长l为350mm。设吊重砝码P为 $W=\frac{{\mathrm{bh}}^2}{6}=\frac{{36\×6}^2}{6}={432\mathrm{mm}}^{3}1\mathrm{kg},$ 则：

截面模量：

弯距：M＝Pl＝9.8×1×350＝3430N-mm

理论应力： $\mathrm{\σ}=\frac{M}{W}=\frac{3430}{432}=7.94\frac{N}{{\mathrm{mm}}^2}$

理论应变： $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{7.94}{200.5}=39.60\mathrm{\μ\ϵ}$

本率定用装置当加载1kg砝码时，输出的应变为39.60με。

实验通过加载不同重量的砝码，比较光纤应变传感器和电阻丝应变片传感器的相差。实验中对悬臂梁依次加载2kg、4kg、6kg、8kg、10kg，并同时记录光纤应变传感器和电阻丝应变片传感器的读数值。

悬臂梁加载实验实测数据如下表，

悬臂梁加载实验表明，本发明的光纤应变传感器具有良好的准确度和线性度。

具体实施例2。

温度条件实验：将粘贴有本发明的光纤应变传感器的小悬臂梁放置于实验箱中，待实验箱温度达到所标定温度并稳定后，取出并立即进行加载实验并记录数据。

湿度条件实验：将本发明的光纤应变传感器放置于混凝土养护室并设置温度、湿度使其稳定，同时进行数据记录。

高温、低温悬臂梁加载实验实测数据如下表，

本发明的光纤应变传感器温度加载实测数据表

本发明的光纤应变传感器湿度实测数据表

时间(分钟)	0	5	10	15	20	25
							光纤(με)	0	1	1	1	2	1

实验表明，本发明的光纤应变传感器能适应-50℃～90℃的温度环境和95RH相对湿度环境的应用。

Claims (4)

1. 一种光纤应变传感系统，由光纤传感器、光电转换电路和数据处理装置构成，所述的光电转换电路中设置有信号变送器，其特征在于：所述的光纤传感器通过光纤与所述的光电转换电路连接，所述的光电转换电路通过数据线与所述的数据处理装置连接，所述的光纤传感器由一个2×2的单模光纤耦合器和一个3×3的单模光纤耦合器构成，所述的2×2的单模光纤耦合器的一个输入端与激光光源连接，所述的2×2的单模光纤耦合器的一个输出端与所述的3×3的单模光纤耦合器的一个输入端连接，所述的2×2的单模光纤耦合器的另一个输入端以及所述的3×3的单模光纤耦合器的另外两个输入端均分别连接有一个光电探测器，所述的3×3的单模光纤耦合器的输出端设置有反射镜，所述的光电探测器与所述的光电转换电路中的信号变送器连接，所述的信号变送器与所述的数据处理装置连接。

2. 如权利要求1所述的光纤应变传感系统，其特征在于：所述的光纤传感器采用迈克尔逊型光纤干涉传感器。

3. 如权利要求1所述的光纤应变传感系统，其特征在于：所述的数据处理装置由模数转换电路和计算机构成，所述的模数转换电路与所述的信号变送器连接，所述的信号变送器由三个IV变换器和一个判读器构成，任意一个所述的IV变换器均与一个所述的光电探测器连接，所述的三个IV变换器的输出端均与一个加法器连接，所述的三个IV变换器的输出端分别和所述的加法器的输出端构成信号线，所述的信号线分别与三个比较器连接，所述的比较器的输出端均与所述的判读器连接，所述的判读器与一个触发信号调整电路连接，所述的判读器的输出端经过所述的数模转换电路将变换后的信号向所述的计算机输出。

4. 如权利要求1所述的光纤应变传感系统，其特征在于：所述的反射镜采用法拉第旋转反射镜。

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