CN102095436A - 一种光纤传感器及粮仓温度和库存监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感器及粮仓温度和库存监测系统，粮仓温度及库存的监测系统包括驱动器、激光器、耦合器、检测电路、控制器、监控中心和用于分布于粮仓各测点的分布式应变增敏光纤传感器。本发明的非线性融合技术的粮仓温度和库存监测系统利用光纤作为粮仓温度和库存信息的传感和传输介质，光纤设在整个粮仓，可以测量光纤沿线的温度及应变分布情况，随着光纤的增长，测量点数的增加，温度和库存的同时监测，单位采样点的成本大大降低，这也是本系统相对于其它温度传感器的显著优点。

Description

一种光纤传感器及粮仓温度和库存监测系统

技术领域

    本发明涉及一种光纤传感器和应用该传感器的监测系统，尤其涉及一种光纤传感器及应用该传感器的粮仓温度和库存监测系统。

背景技术

光纤传感系统就是利用光纤将待测量值对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。分布式光纤传感器是近年来发展起来的新型传感技术。利用光纤工作频带宽、动态范围大、适合于遥测遥控、长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰、抗辐射性能好、对被测环境影响小等许多固有优点，可用于温度、压力，电场，磁场的实时检测，并能够在有害环境中安全运行，在许多工程领域有重大应用价值。

实时、准确地监测粮仓的温度和库存，是保证粮食储存质量所必须的技术手段，同时也是国家粮食宏观决策所必需的粮情信息。通过粮库的温度和库存情况的实时监测，及时获取粮仓的储存量及粮食质量的信息，是粮食安全的重要保证。但是目前用于粮情监测的主要是机械或电子式的传感系统，通常只能完成对温度的监测，不具备粮食库存监测的能力，而且存在物理节点多、故障率高、稳定性差和抗恶劣环境能力差等缺陷。因此就需要设计一种同时能实现温度和库存同时监测的光纤传感器和粮仓监测系统。

在《光学学报》上2007年第6期“光纤光栅边孔封装技术”中公开了一种采用边孔封装对光纤光栅进行压力增敏的封装技术，它通过改变封装体的几何结构实现了高倍数的压力增敏效果，较大程度减小了压力增敏倍数对集合物材料参量的依赖性，如图1所示，这种增敏光纤的结构如下：包括裸光纤1和封装体2，裸光纤1封装于封装体2的中心处，封装体内以裸光纤为中心，沿直径方向在裸光纤两侧设有两个对称的圆形边孔3。但是这种封装方式是针对光纤光栅传感器的，并且这种封装结构是要对光纤光栅施加均匀的压力作用，进而达到光纤光栅的压力增敏，且光纤光栅只在两个方面上受应力，如果中心区宽度太小，或所选材料不当，中心应力集中区域会发生扭曲，会使光纤光栅发生不可控的变形，传感的可靠性就会欠佳，而且中心区不能太小，能够达到的应力增敏幅度也会因此而受到设计上的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种粮仓温度和库存的监测系统，以解决现有粮仓监测系统只能完成对温度的监测，不具备粮食库存监测能力等问题，并提供一种该监测系统所使用的光纤传感器。

为实现上述目的，本发明提供的光纤传感器的技术方案如下：一种光纤传感器，包括裸光纤和封装体，所述裸光纤沿封装体的中心轴线封装于封装体内，裸光纤两侧的封装体上设有对称的边孔，裸光纤的中心与两边孔的中心在同一连线上，所述两对称边孔间沿轴线方向在中心连线方向上布设有横向间隔设置的引导栅。

所述各引导栅在边孔间均匀间隔设置，且边孔间对应位置的引导栅间隔交错设置。

所述各引导栅之间形成的引导槽在靠近裸光纤一侧的边缘为弧线形。

所述封装体为椭圆形结构或正圆形结构；封装体为椭圆型结构时两边孔均关于相应的引导栅对称。

所述两边孔为椭圆形结构或正圆形结构；边孔为椭圆形结构时，椭圆边孔的长轴与椭圆封装体的长轴重合。

本发明所提供的粮仓温度和库存监测系统的技术方案如下：一种粮仓温度和库存的监测系统，包括驱动器、激光器、耦合器、检测电路、控制器、监控中心和用于分布于粮仓各检测点的分布式光纤传感器；所述分布式光纤传感器包括裸光纤和封装体，所述裸光纤沿封装体的中心轴线封装于封装体内，裸光纤两侧的封装体上设有对称的边孔，裸光纤的中心与两边孔的中心在同一连线上，所述两对称边孔间沿轴线方向在中心连线方向上布设有横向间隔设置的引导栅；所述光纤传感器与耦合器双向连通，所述耦合器的控制输入端与激光器的控制输出端连接，所述激光器的控制输入端与驱动器的输出端连接，驱动器的控制输入端与控制器的输出端连接；耦合器的信号输出端与检测电路的信号输入端连接，检测电路的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的监控输出端与监控中心连接。

所述各引导栅在边孔间均匀间隔设置，且两边孔间对应位置的引导栅间隔交错设置。

所述各引导栅之间形成的引导槽在靠近裸光纤一侧的边缘为弧线形。

所述封装体为椭圆形结构或正圆形结构；封装体为椭圆型结构时两边孔均关于相应的引导栅对称。

所述两边孔为椭圆形结构或正圆形结构；边孔为椭圆形结构时，椭圆边孔的长轴与椭圆封装体的长轴重合。

本发明的光线传感器针对光纤应变的增敏设计，其效果是要光纤受到不均匀的应力作用，从而达到光纤的应变增敏，由于采用了中空的封装结构，封装体中的应力将会发生巨大的应力集中，从而实现应力放大，放大倍数与封装体的结构、尺寸及封装体的材料物理参数相关；封装体中交错设置的横向引导槽将会进一步放大应变量，从而实现应变放大最大化。

另外，在靠近裸光纤一侧引导槽的边缘采用弧线过渡，避免应力过于集中，发生过度扭曲损坏光纤的情况。

    本发明的非线性融合技术的粮仓温度和库存的监测系统利用光纤作为粮仓温度和应变信息的传感和传输介质，光纤设在整个粮仓，可以测量光纤沿线的温度及应变分布情况，随着光纤的增长，测量点数的增加，温度和库存的同时监测，单位采样点的成本大大降低，这也是本系统相对于其它温度传感器的显著优点。本系统不仅具有良好的抗电磁干扰能力与抗恶劣环境能力，而且能够对粮仓内部温度进行分布式的扫描，给出更准确的粮仓温度分布，提供更全面的粮情信息监测数据，同时本专利技术还具备足够的库存灵敏度，实现对粮仓库存的准确测量。本系统具有测量精度高、无物理节点、可靠性高、使用寿命长等特点，是提高粮情监测科技水平的可行的技术途径。

附图说明

图1是现有光纤传感器的径向剖视图；

图2是本发明光纤传感器的径向剖视图；

图3是本发明光纤传感器的沿A-A向轴向剖视图；

图4是本发明粮仓温度和库存监测系统的构成图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步介绍。

如图2～图3所示为本发明光纤传感器的结构示意图，由图可知，该光纤传感器包括裸光纤1和封装体2，裸光纤1沿封装体的中心轴线封装于封装体2内，裸光纤两侧的封装体上设有对称的边孔3，裸光纤的中心与两边孔的中心在同一连线上，两个对称边孔间沿轴线方向在中心连线方向上布设有间隔设置的引导栅4。

本实施例的引导栅在边孔间均匀间隔设置，且两边孔间对应位置的引导栅间隔交错设置，且各引导栅之间形成的引导槽5在靠近裸光纤一侧的边缘为弧线形，避免应力过于集中，使产生的应变产生过度扭曲的情况。另外，封装体和边孔均为椭圆形结构或正圆形结构，两个边孔自身关于相应的引导栅对称，且两个边孔之间关于整个封装体对称分布。当封装体和边孔为椭圆形结构时，两边孔设于椭圆形的长轴上，椭圆边孔的长轴与椭圆封装体的长轴重合。

本发明的光纤传感器由于采用了中空的封装结构，封装体中的应力将会发生巨大的应力集中，从而实现应变放大，放大倍数与封装体的结构、尺寸及封装体的材料物理参数相关；另外，封装体中交错设置的横向引导槽将会进一步放大应变量，从而实现应变放大最大化。

本发明是针对光纤应变的增敏设计，其效果是要光纤受到不均匀的应力作用，从而达到光纤的应变增敏，而图1中的光纤光栅传感器是针对光纤光栅的应力增敏设计的。本发明的光纤传感器除具有边孔结构外，在孔中增加了横向应力引导槽，且此引导槽有相互错开的应变引导栅结构，以增加应变灵敏度；另一方面，这种结构可使光纤不仅在水平两个方向上受应力，且在垂直的另外两个方向上也会受到非均匀的应力作用，从而增加了应变灵敏度。另外，该光纤传感器使光纤在四个方向受力，使结构体中的光纤受力周期性确保一致，而且光纤的形变在结构体交错结构引导下光纤会发生确定的应变，因此而产生的应变增敏更为稳定和可靠。

如图4所示为本发明粮仓温度和库存的监测系统，该系统包括一种粮仓温度和库存的监测系统，包括驱动器、激光器、耦合器、检测电路、控制器、监控中心和用于分布于粮仓各测点的分布式光纤传感器；该光纤传感器的结构如前所述，光纤传感器与耦合器双向连通，耦合器的控制输入端与激光器的控制输出端连接，激光器的控制输入端与驱动器的输出端连接，驱动器的控制输入端与控制器的控制输出端控制连接；耦合器的信号输出端检测电路的信号输入端连接，检测电路的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的监控输出端与监控中心连接。

本发明光纤传感器及粮仓温度和库存监测系统的工作原理如下所示：布里渊散射是由介质中的声学声子引起的一种非线性光散射，其散射光相对于入射光的布里渊频移由介质的声学特性和弹性力学特性决定，此外还与入射光频率和散射角有关。当光纤的温度和应变变化时会使光纤的物理及力学特性将发生变化，光纤的布里渊光谱会受到调制并发生频移和强度变化。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术是利用温度、应变对布里渊散射谱的调制关系，通过检测光纤的布里渊散射光的频移和强度变化确定环境的温度和应变分布。本发明是基于光纤的非线性光学特性，即布里渊散射光谱与环境温度和应变的敏感特性而完成的技术：当环境引起光纤的温度及应变发生变化时，布里渊光谱的频移和强度将发生变化。本发明结合粮食环境的应用实际，采用光纤传感器的增敏技术，实现的粮仓温度及库存智能监测系统。应变增敏技术，就是通过增敏技术提高传感光纤的应变灵敏度。依据粮食库存量与粮食散粒体的压力分布物理特征，通过应力、应变关系确定分布式应变监测量与粮食库存的关系，并据此建立粮仓库存的解调方案，从而实现对粮仓库存的监测。

本发明粮仓温度和库存的监测系统的工作过程如下：半导体激光器LD在控制器的控制下通过驱动器的驱动发出脉冲光，经耦合器进入分布于粮仓中的分布式传感光纤，传感光纤中的后向散射光又经该耦合器被检测电路探测，并把光信号转换为电信号，经信号放大和高速A／D转换后实现数据采集，再经过控制器的数字信号处理，最终解调出温度与库存信息；另外，监控中心可将解调出的温度和库存信息进行分析处理储存和显示，以供监测人员观测控制。

本发明基于非线性融合技术的粮仓温度和库存的监测系统在实施过程中需要选择既符合测量精度要求又经济的光纤、选择合适的耦合器、激光器，在粮仓应用时，可以实时监测粮库生芽、霉变、害虫等各种因素所引起温度变化。系统空间分辨率不大于1m，温度分辨率1℃。仓容检测精度0.0005MPa（相当于6cm粮仓高度），具有很好的应用前景。

Claims (10)

1.一种光纤传感器，包括裸光纤和封装体，所述裸光纤沿封装体的中心轴线封装于封装体内，裸光纤两侧的封装体上设有对称的边孔，裸光纤的中心与两边孔的中心在同一连线上，其特征在于：所述两对称边孔间沿轴线方向在中心连线方向上布设有横向间隔设置的引导栅。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述各引导栅在边孔间均匀间隔设置，且边孔间对应位置的引导栅间隔交错设置。

3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于：所述各引导栅之间形成的引导槽在靠近裸光纤一侧的边缘为弧线形。

4.根据权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于：所述封装体为椭圆形结构或正圆形结构；封装体为椭圆型结构时，两边孔均关于相应的引导栅对称。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的光纤传感器，其特征在于：所述两边孔为椭圆形结构或正圆形结构；其为椭圆形结构时，椭圆边孔的长轴与椭圆封装体的长轴重合。

6.一种粮仓温度和库存的监测系统，其特征在于：包括驱动器、激光器、耦合器、检测电路、控制器、监控中心和用于分布于粮仓各检测点的分布式光纤传感器；所述分布式光纤传感器包括裸光纤和封装体，所述裸光纤沿封装体的中心轴线封装于封装体内，裸光纤两侧的封装体上设有对称的边孔，裸光纤的中心与两边孔的中心在同一连线上，所述两对称边孔间沿轴线方向在中心连线方向上布设有横向间隔设置的引导栅；所述光纤传感器与耦合器双向连通，所述耦合器的控制输入端与激光器的控制输出端连接，所述激光器的控制输入端与驱动器的输出端连接，驱动器的控制输入端与控制器的输出端连接；耦合器的信号输出端与检测电路的信号输入端连接，检测电路的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的监控输出端与监控中心连接。

7.根据权利要求5所述的粮仓温度和库存的监测系统，其特征在于：所述各引导栅在边孔间均匀间隔设置，且边孔间对应位置的引导栅间隔交错设置。

8.根据权利要求6所述的粮仓温度和库存的监测系统，其特征在于：所述各引导栅之间形成的引导槽在靠近裸光纤一侧的边缘为弧线形。

9.根据权利要求7所述的粮仓温度和库存的监测系统，其特征在于：所述封装体为椭圆形结构或圆形结构， 封装体为椭圆型结构时两边孔均关于相应的引导栅对称。

10.  根据权利要求6～9任意一项所述的粮仓温度和库存的监测系统，其特征在于：所述两边孔为椭圆形结构或正圆形结构；边孔为椭圆形结构时，椭圆边孔的长轴与椭圆封装体的长轴重合。

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