CN101216326A - 远距离光纤光栅传感变送装置 - Google Patents
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Abstract
一种远距离光纤光栅传感变送装置，在安装板的上部从左到右依次设置有光纤端面匹配液容器、光纤光栅传感器阵列、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器，匹配液容器内装有光纤端面匹配液，光纤光栅传感器阵列的一端设置在匹配液容器内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器的一输入端连接，安装板的下部设置有泵浦激光器，泵浦激光器的输出端用光纤与波分复用器的另一输入端连接，波分复用器的输出端用光纤与掺铒光纤的一端连接，掺铒光纤另一端用光纤与光隔离器的一端连接。本发明具有信噪比高、检测范围宽、分辨率和测量精度高、传输距离长、可靠性好、生产成本低等优点，可用于远距离检测油气管道内的温度、压力、管道变形应变。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感系统技术领域，具体涉及到用光纤光栅对外界待测信息，如压力、温度等，进行多点分布式检测并被远距离变换、传送的装置。
背景技术
光纤光栅作为智能化结构的传感、测量器件，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、易集成、结构简单等优点，可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、管道变形应变、流速、流量、粘度等物理量进行检测。自从20世纪70年代问世以来，受到国内外的普遍关注。由于光纤光栅传感是将待测量信息调制到其窄线宽反射光的波长上，那么如何将所产生的波长信号完整的、不失真的传送到解调系统是本发明的核心任务。
多年来，光纤光栅传感设备的发展一直依赖于稳定的、宽带宽、高功率的放大自发辐射光源为基础。随着多点分布式传感技术发展以及长距离传输系统的需要，利用光源经过耦合器给传感器提供宽带光源的方法已经不能满足实际应用中的需要，这种传统模式把传感器和光源分开使用，其主要缺点为光源和传感器间要经过几级耦合器，使得光源的输出功率成级数降低，到达光纤光栅传感器的光能量很少；其次，所产生的光信号信噪比低，噪声干扰严重；另外，在长距离光信号传输过程中需要多个中继放大器，因而大大增加了整个系统的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感设备的缺点，提供一种信噪比高、功率大、检测范围宽、分辨率和测量精度高、传输距离长、可靠性好、生产成本低的远距离光纤光栅传感变送装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在安装板的上部从左到右依次设置有光纤端面匹配液容器、光纤光栅传感器阵列、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器，匹配液容器内装有光纤端面匹配液，光纤光栅传感器阵列的一端设置在匹配液容器内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器的一输入端连接，安装板的下部设置有泵浦激光器，泵浦激光器的输出端用光纤与波分复用器的另一输入端连接，波分复用器的输出端用光纤与掺铒光纤的一端连接，掺铒光纤另一端用光纤与光隔离器的一端连接。
本发明的光纤光栅传感器阵列是m行×n列个光纤光栅传感器阵列，其中1≤m≤20、1≤n≤20的自然数，m×n为小于等于20的自然数。
本发明的光纤光栅传感器阵列最佳为5行×4列个光纤光栅传感器阵列。
本发明的波分复用器的波长为980/1550nm。
本发明与现有的光纤光栅传感设备相比，采用了光纤光栅传感器阵列，提高了分辨率、测量精度和可靠性，信号功率以及信噪比提高了一个数量级，使得信号实现长距离无中继传输，传输功率为20mW，稳定性可达0.01dBm，测量带宽达40nm，覆盖C波段，并可同时探测多路信号，便于变送分布式、大范围光信号，降低了生产成本。本发明具有信噪比高、检测范围宽、分辨率和测量精度高、传输距离长、可靠性好、生产成本低等优点，可用于远距离检测油气管道内的温度、压力、管道变形应变。
附图说明
图1是发明一个实施例的结构示意图。
图2是用本发明在庆咸输油管线口镇阀室测得石油温度、压力、管道变形应变、温度补偿所对应的光谱图。
图3是用本发明在距庆咸输油管线口镇阀室43.57km测得石油温度、压力、管道变形应变、温度补偿所对应的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的远距离光纤光栅传感变送装置由光纤端面匹配容器1、光纤光栅传感器阵列2、波分复用器3、掺铒光纤4、光隔离器5、泵浦激光器6、安装板7联接构成。
在安装板7的上部左侧固定有一个光纤端面匹配液容器1，光纤端面匹配液容器1内装有光纤端面匹配液，光纤端面匹配液为市场上销售的商品，由IndustrialFiber Optics公司销售。光纤端面匹配液用于减小和防止光纤端面对光的反射。在安装板7上光纤端面匹配液容器1的右侧安装有光纤光栅传感器阵列2。
本实施例的光纤光栅传感器阵列2由1排×4列光纤光栅传感器组成阵列，4个光纤光栅传感器用光纤熔接连接，左到右，第一个光纤光栅传感器为温度传感器，用于测量外界待测温度，第二个光纤光栅传感器为压力传感器，用于测量外界待测压力，第三个光纤光栅传感器为应变传感器，用于测量管道变形应变物理量，第四个光纤光栅传感器为温度传感器，用于温度补偿。测量温度的光纤光栅传感器使用的光纤光栅由T&S Communication.ltd公司生产，型号为FBG B061123-32，中心波长为1551.975nm，3dB带宽小于0.3，反射率大于90％，用其制做的光纤光栅温度传感器的测量温度范围为0～70℃，测量温度灵敏度为0.032℃；测量压力的光纤光栅传感器使用的光纤光栅，由T&S Communication.ltd公司生产，型号为FBGB061017-74，中心波长为1553.213nm，3dB带宽小于0.3，反射率大于90％，用其制作的光纤光栅压力传感器的测量范围为0～6MPa，测量压力灵敏度为0.156MPa；测量管道变形应变的光纤光栅传感器使用的光纤光栅由T&S Communication.ltd公司生产，型号为FBG B061024-11，中心波长为1555.748nm，3dB带宽小于0.3，反射率大于90％，用其制作的光纤光栅应变传感器的管道变形应变测量范围为0～2000ε，测量管道变形应变灵敏度为0.033ε；第4个光纤光栅传感器用作压力和管道变形应变的温度补偿修正作用，因为在外界环境中温度同时影响压力和管道变形应变的测量，需要进行修正才能得到准确的测量值，使用的光纤光栅由T&SCommunication.ltd公司生产，型号为FBG B060821-26，中心波长为1557.748nm，3dB带宽小于0.3，反射率大于90％，用其制作的光纤光栅温度补偿传感器的测量范围为0～70℃，测量温度灵敏度为0.032℃。在实际工程设计中，可以根据需要增加光纤光栅传感器的数量，以实现分布式多点多参量的测量，通过实验数据测得最大可实现20个光纤光栅传感器组成的阵列，如再继续增加光纤光栅传感器的数量，将有部分光波长信号发生重叠。
在安装板7上，光纤光栅传感器阵列2的右侧固定安装有波分复用器3，波分复用器3的波长为980/1550nm，波分复用器3为市场销售的产品，波分复用器3的1550nm端用光纤与光纤光栅传感器阵列2的另一端熔接连接。在安装板7上的下部固定安装有泵浦激光器6，泵浦激光器6的波长为980nm，泵浦激光器6用光纤与波分复用器3的980nm端熔接连接，波分复用器3将光纤光栅传感器阵列2和泵浦激光器6输出波长为980nm的光偶合后从输出端口输出。在安装板7上波分复用器3的右侧固定安装有掺铒光纤4，掺铒光纤长度为9m，掺铒光纤的浓度为高掺杂浓度的掺铒光纤，铒离子的浓度达到1900ppm，掺铒光纤4的一端与用光纤与波分复用器3的输出端熔接连接。在安装板7上掺铒光纤4的右侧固定安装有光隔离器5，光隔离器5的一端用光纤与掺铒光纤4另一端熔接连接，光隔离器5的一端作为输出端。
实施例2
在本实施例中，光纤光栅传感器阵列2是4行×5列个光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列2的一端设置在匹配液容器1内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器3的一输入端熔接连接。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，光纤光栅传感器阵列2是1行×20列个光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列2的一端设置在匹配液容器1内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器3的一输入端熔接连接。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在本实施例中，光纤光栅传感器阵列2是20行×1列个光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列2的一端设置在匹配液容器1内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器3的一输入端熔接连接。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
在本实施例中，光纤光栅传感器阵列2是6行×3列个光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列2的一端设置在匹配液容器1内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器3的一输入端熔接连接。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
根据上述原理，还可设计出另外一种具体结构的远距离光纤光栅传感变送装置，但均在本发明的保护范围之内。
本发明的工作原理如下：
泵浦激光器6产生的980nm光经波分复用器3后从输出端口输出并进入掺铒光纤4中。在980nm泵浦光作用下，使得掺铒光纤4中的铒离子低能级粒子数向高能级跃迁。在稳定情况下基态能级粒子数n1大于激发态能级粒子数n2，随着抽运过程的进行，n2逐渐增加，自发辐射的粒子数逐渐增加。最终导致n2＞n1，呈现粒子数反转分布，在极强的相互作用下，粒子发光的“个性化”特征逐渐向相关一致的“共性”转化，单个粒子独立的自发辐射逐渐变为多个粒子协调一致的受激辐射而产生放大的自发辐射光。产生的放大自发辐射光一部分沿着和泵浦光相同的方向向前传输，经隔离器5后是产生的光沿单一的方向输出，另一部分沿着与其相反的方向传输，经过波分复用器3到达多个光纤光栅2组成的变送信号产生处，经光纤光栅2对信号的变换，得到调制后的波长信号重新进入掺铒光纤4进行放大，最后经光隔离器5输出。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的远距离光纤光栅传感变送装置进行了生产现场研究试验，各种试验情况如下：
试验时间：2007年1月6号。
试验地点：庆咸输油管线口镇阀室。
信号传输终点及解调：咸阳市庆咸输油管线调控中心。
试验目的：验证本发明在43.57km长距离输油管道中，对石油温度、压力、管道变形信号的转换、在线放大、传送状况。
试验方法：采用4个固定中心波长的光纤光栅传感器阵列2，其中前三个光纤光栅传感器的中心波长分别为1551.975nm、1553.213nm、1555.748nm，这三个光纤光栅传感器作为信号变送器件，把外界待测的温度、压力、管道变形应变量转换成光信号。第四个光纤光栅传感器的中心波长为1557.725nm，作为温度补偿来修正测压力的光纤光栅传感器和测管道变形应变的光纤光栅传感器中温度对其测量结果的影响，转换为能够在线放大并传送的光波信号。测量中，将上述的四个传感器粘贴到口镇阀室石油管道的外壁。传统的原油温度压力测量仪器测得管道内石油温度为30.2℃、压力1.3mPa，管道变形应变为1430ε。采用本发明对管道内石油的温度、压力以及管道变形应变进行测试，测试所得光信号见图2。由图2可见，此信号的传输功率高、信噪比高、稳定性好，适合于远距离传输。在传感信号产生的同时，在距离口镇阀室43.57km的咸阳市庆咸管线调控中心测量经长距离传输后的光信号。光信号在传输过程中无任何放大中继器件对其进行放大。传输43.57km后的输出光谱图见图3，由图3可见，其平均功率下降了12.2dB，平均每公里损耗0.28dB。
实验结果及分析：从最终得到光谱分析可知，光信号的整体波形基本上没有变化，稳定性相当好，信噪比高。经过解调系统后，得到管道内石油的温度为32.97℃，温度测量精度达到0.032℃，压力1.38mPa，压力测量精度达到0.156℃，管道变形应变1477ε，管道变形应变测量精度达到0.033ε，满足信号解调要求。经过2小时的连续测量，信号基本不变，稳定性良好。由光谱图可知，本发明只利用了8nm的带宽传输信号，而可用传输信号的带宽达40nm，因此可引入多个光纤光栅传感器组成传感阵列以实现多点多参量分布式测量。
Claims (4)
1.一种远距离光纤光栅传感变送装置，其特征在于：在安装板(7)的上部从左到右依次设置有光纤端面匹配液容器(1)、光纤光栅传感器阵列(2)、波分复用器(3)、掺铒光纤(4)、光隔离器(5)，匹配液容器(1)内装有光纤端面匹配液，光纤光栅传感器阵列(2)的一端设置在匹配液容器(1)内的光纤端面匹配液内、另一端用光纤与波分复用器(3)的一输入端连接，安装板(7)的下部设置有泵浦激光器(6)，泵浦激光器(6)的输出端用光纤与波分复用器(3)的另一输入端连接，波分复用器(3)的输出端用光纤与掺铒光纤(4)的一端连接，掺铒光纤(4)另一端用光纤与光隔离器(5)的一端连接。
2.按照权利要求1所述的远距离光纤光栅传感变送装置，其特征在于：所说的光纤光栅传感器阵列(2)是m行×n列个光纤光栅传感器阵列，其中1≤m≤20、1≤n≤20的自然数，m×n为小于等于20的自然数。
3.按照权利要求2所述的远距离光纤光栅传感变送装置，其特征在于：所说的光纤光栅传感器阵列(2)其中为5行×4列个光纤光栅传感器阵列。
4.按照权利要求2所述的远距离光纤光栅传感变送装置，其特征在于：所说的波分复用器(3)的波长为980/1550nm。
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