CN102606211B

CN102606211B - 光纤光栅分布式缆井安全监测系统

Info

Publication number: CN102606211B
Application number: CN201210081719.3A
Authority: CN
Inventors: 林斌; 范典; 程健
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102606211A

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅分布式缆井安全监测系统，包括光纤光栅井盖开合传感器、光纤光栅水位传感器、光纤光栅信号处理器、上位机和光缆，光纤光栅井盖开合传感器和光纤光栅水位传感器安装在监测现场，通过光缆串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器，光纤光栅信号处理器将处理的结果，井盖开合状态、井下水位信息和对应的位置信息传给上位机。该系统采用传感光栅和参考光栅光谱重合和分离的设计，结构简单可靠性高；传感器探头在监测现场工作无需电力供应，实现了远程分布式测量，降低了系统和维护成本；采用磁铁互斥的结构改变弹片的位置，避免了机械接触长期可靠性差的问题。

Description

光纤光栅分布式缆井安全监测系统

技术领域

本发明涉及一种缆井安全监测系统，具体为光纤光栅分布式缆井安全监测系统。采用光纤传感技术和非接触式的机械设计，用于实时在线的分布式缆井井盖开合和井下水位安全监测。

背景技术

高速公路通信系统在整个交通工程项目中起着举足轻重的作用，有大量光、电通信传输线路，担负着专网电话交换(有线／无线及卫星通信网)、路边紧急电话、全路车流量及各重点路段的监控系统和各收费站收费系统信息和数据传输以及设备运行管理信息等任务，高速公路中央隔离带地下预埋管线和通信人井是交通工程必备的基础设施，如何防止井盖被盗、光电缆被割断一直是项目施工单位和管理部门头疼的一个问题；在多雨和低洼地区的人井的排水问题，也很棘手，如何保障人井内设备的不被水淹浸泡失效和锈蚀，及时排除人井积水，避免无效人井积水状况排查。

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。基于光纤的光学检测系统相比较于传统的光学传感系统有很多优势。最主要的一点是可以设计一个稳定无源的探头在恶劣环境中工作，远离监测站，这在严酷环境的应用中是非常具有优势的因素。其次是可以开发复用网络系统，通过预设在光缆中的传播媒介，单个的解调单元可以监测多个低成本无源传感头。光纤布喇格光栅传感器是光纤传感技术中最实用的传感器之一。以准分子紫外激光在光纤纤芯中写入具有一定中心波长的光纤布喇格光栅，它实际上是具有选择性波长反射的无源器件，其反射光波长（即布喇格波长）会受到外界应变等参数变化的影响而产生波长移动。这种传感器与传统的机电传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于易燃易爆和电磁干扰等恶劣环境中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种光纤光栅缆井安全监测系统，该系统能实现远程分布式实时在线监测井盖开合和井下水位，并且能长期可靠的用于恶劣环境中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光纤光栅分布式缆井安全监测系统，包括光纤光栅井盖开合传感器、光纤光栅水位传感器、光纤光栅信号处理器、上位机和光缆，光纤光栅井盖开合传感器和光纤光栅水位传感器安装在监测现场，通过光缆串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器，光纤光栅信号处理器将处理的结果，井盖开合状态、井下水位信息和对应的位置信息传给上位机。

本发明的技术方案中，所述的光纤光栅井盖开合传感器，包括顶头、滑杆、滑杆座、弹簧、滑块、滑套、底板一、弹片一、磁铁一、磁铁二、参考光栅一、传感光栅一、外壳一和光纤一；所述的滑杆座安装在外壳一上部，滑杆座下部在外壳一内与底板一相连，滑杆座内有圆柱形空腔，弹簧装于滑杆座的空腔内，滑杆中上部固定有压簧板，所述的滑杆穿过滑杆座内弹簧，其压簧板压在弹簧上部，滑杆顶部有顶头，滑杆底部有滑块，其滑块在滑套的方形内腔内滑动，滑套安装在底板一的一侧，底板一的另一侧装有所述的弹片一，底板一安装在外壳一里面，磁铁一安装于滑块内，磁铁二安装在弹片一自由端，磁铁一和磁铁二的极性相反安装，弹片一中部安装有传感光栅一，底板一上安装有参考光栅一，传感光栅一和参考光栅一是光纤布拉格光栅，由光纤一串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器。

当井盖合上时，压住顶头向下，弹簧压缩，滑杆推动滑块至滑套底部，弹片一不受磁铁互斥作用处于竖直位置，传感光栅一和参考光栅一的反射光谱重合，井盖开启时，弹簧伸展使滑杆拉动滑块至滑套顶部，磁铁一和磁铁二产生互斥作用使弹片一弯曲，传感光栅一和参考光栅一的反射光谱分离。

本发明的技术方案中，所述的光纤光栅水位传感器包括外壳二、底板二、弹片二、护管、浮子、限位块、磁铁三、磁铁四、传感光栅二、参考光栅二、光纤二；所述的外壳二固定安装在护管上部，所述的底板二水平固定在外壳二内、所述的弹片二的一端固定在底板二下边一侧，其弹片二自由端安装着磁铁四，限位块安装于所述的外壳二内靠弹片自由端处，浮子装置在护管内，其浮子顶部安装着磁铁三，磁铁三和磁铁四的安装极性相反，所述的弹片二下表面安装着传感光栅二，底板二上安装着参考光栅二，传感光栅二和参考光栅二是光纤布拉格光栅，由光纤二串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器。

当水位未达到护管内时，由于重力作用浮子位于护管底部，弹片二处于水平位置，传感光栅二和参考光栅二的反射光谱重合；当水位上升到护管内时，浮子抬起至护管顶部，由于磁铁三和磁铁四的互斥作用弹片二抬起，传感光栅二和参考光栅二的反射光谱分离。

本发明的技术方案中，所述的磁铁一、磁铁二、磁铁三和磁铁四的材料是钕铁硼，磁铁一和磁铁二的安装极性相反，靠近时有互斥作用，磁铁三和磁铁四的安装极性相反，靠近时有互斥作用。

本发明的技术方案中，所述的传感光栅一、传感光栅二、参考光栅一和参考光栅二是光纤布拉格光栅，传感光栅一和参考光栅一串联，传感光栅二和参考光栅二串联。

本发明的技术方案中，所述的光纤光栅信号处理器有十六个通道，每个通道可串联八个光纤光栅井盖开合传感器和光纤光栅水位传感器的组合。

本发明的有益效果是：这种缆井安全监测系统，采用传感光栅和参考光栅光谱重合和分离的设计，结构简单可靠性高；传感器探头在监测现场工作无需电力供应，实现了远程分布式测量，降低了系统和维护成本；采用磁铁互斥的结构改变弹片的位置，避免了机械接触长期可靠性差的问题。

附图说明

图1是光纤光栅分布式缆井安全监测系统结构图

图2是光纤光栅井盖开合传感器和光纤光栅水位传感器安装示意图

图中:1光纤光栅井盖开合传感器, 2光纤光栅水位传感器, 3光纤光栅信号处理器, 4上位机, 5光缆, 6顶头, 7滑杆,8滑杆座,9弹簧,10滑块,11滑套,12底板一,13弹片一,14磁铁一,15磁铁二,16参考光栅一,17传感光栅一,18外壳一,19光纤一,20光纤二,21外壳二,22底板二,23弹片二,24护管,25浮子,26限位块,27磁铁三,28磁铁四,29传感光栅二,30参考光栅二。

具体实施方式

光纤光栅分布式缆井安全监测系统，如图1所示，包括光纤光栅井盖开合传感器1、光纤光栅水位传感器2、光纤光栅信号处理器3、上位机4和光缆5，其光纤光栅井盖开合传感器1和光纤光栅水位传感器2安装在监测现场，通过光缆5串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器3，光纤光栅信号处理器3将处理的结果，井盖开合状态、井下水位信息和对应的位置信息传给上位机4。

光纤光栅井盖开合传感器1如图2所示安装在缆井井口下内壁上，包括顶头6、滑杆7、滑杆座8、弹簧9、滑块10、滑套11、底板一12、弹片一13、磁铁一14、磁铁二15、参考光栅一16、传感光栅一17、外壳一18和光纤一19；所述的滑杆座安装在外壳一上部，滑杆座下部在外壳一内与底板一相连，滑杆座内有圆柱形空腔，弹簧装于滑杆座的空腔内，滑杆中上部固定有压簧板，所述的滑杆穿过滑杆座内弹簧9，其压簧板压在弹簧9上部，滑杆顶部有顶头6，滑杆底部有滑块10，其滑块在滑套的方形内腔内滑动，滑套安装在底板一的一侧，底板一的另一侧装有所述的弹片一，底板一安装在外壳一里面，滑块10内安装有磁铁一14，弹片一13自由端安装有磁铁二15，弹片一13中部安装有传感光栅一17，底板一12上安装有参考光栅一16，井盖合上时，压住顶头6向下，弹簧9压缩，滑杆7推动滑块10至滑套11底部，弹片一13不受磁铁互斥作用处于竖直位置，传感光栅一17和参考光栅一16的反射光谱重合，井盖开启时，弹簧9伸展使滑杆7拉动滑块10至滑套11顶部，磁铁一14和磁铁二15产生互斥作用使弹片一13弯曲，传感光栅一17和参考光栅一16的反射光谱分离。

光纤光栅水位传感器2如图2所示安装在缆井下报警水位上，它包括外壳二21、底板二22、弹片二23、护管24、浮子25、限位块26、磁铁三27、磁铁四28、传感光栅二29、参考光栅二30和光纤二20，外壳二21固定安装在护管24上部，底板二22水平固定在外壳二21内、弹片二23的一端固定在底板二22下边一侧，弹片二23自由端安装着磁铁四28，限位块26安装于外壳二21内靠弹片自由端处，浮子25顶部安装有磁铁三27，弹片二23中部安装有传感光栅二29，底板二22上安装有参考光栅二30，水位未达到护管24内时，由于重力作用浮子25位于护管24底部，弹片二23处于水平位置，传感光栅二29和参考光栅二30的反射光谱重合；当水位上升到护管24内时，浮子25抬起至护管24顶部，由于磁铁三27和磁铁四28的互斥作用弹片二23抬起，传感光栅二29和参考光栅二30的反射光谱分离。

如前所述的磁铁一14、磁铁二15、磁铁三27和磁铁四28的材料是钕铁硼，磁铁一14和磁铁二15的安装极性相反，靠近时有互斥作用，磁铁三27和磁铁四28的安装极性相反，靠近时有互斥作用。传感光栅一17、传感光栅二29、参考光栅一16和参考光栅二3）是光纤布拉格光栅，传感光栅一17和参考光栅一16串联，传感光栅二29和参考光栅二30串联，并分别有光纤一、光纤二通过5光缆传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器。

光纤光栅信号处理器3有十六个通道，每个通道可串联八个光纤光栅井盖开合传感器1和光纤光栅水位传感器2的组合。

Claims

1.一种光纤光栅分布式缆井安全监测系统，其特征是：该系统包括光纤光栅井盖开合传感器（1）、光纤光栅水位传感器（2）、光纤光栅信号处理器（3）、上位机（4）和光缆（5），光纤光栅井盖开合传感器（1）和光纤光栅水位传感器（2）安装在监测现场，通过光缆（5）串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器（3），光纤光栅信号处理器（3）将处理的结果，井盖开合状态、井下水位信息和对应的位置信息传给上位机（4）；所述的光纤光栅井盖开合传感器，包括顶头（6）、滑杆（7）、滑杆座（8）、弹簧（9）、滑块（10）、滑套（11）、底板一（12）、弹片一（13）、磁铁一（14）、磁铁二（15）、参考光栅一（16）、传感光栅一（17）、外壳一（18）和光纤一（19）；所述的滑杆座安装在外壳一上部，滑杆座下部在外壳一内与底板一相连，滑杆座内有圆柱形空腔，弹簧装于滑杆座的空腔内，滑杆中上部固定有压簧板，所述的滑杆穿过滑杆座内弹簧（9），其压簧板压在弹簧（9）上部，滑杆顶部有顶头（6），滑杆底部有滑块（10），其滑块在滑套的方形内腔内滑动，滑套安装在底板一的一侧，底板一的另一侧装有所述的弹片一，底板一安装在外壳一里面，磁铁一安装于滑块内，磁铁二安装在弹片一自由端，磁铁一和磁铁二的极性相反安装，弹片一中部安装有传感光栅一，底板一上安装有参考光栅一，传感光栅一和参考光栅一是光纤布拉格光栅，由光纤一串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器。

2.根据权利要求1中所述的光纤光栅分布式缆井安全监测系统，其特征是：光纤光栅水位传感器（2）包括外壳二（21）、底板二（22）、弹片二（23）、护管（24）、浮子（25）、限位块（26）、磁铁三（27）、磁铁四（28）、传感光栅二（29）、参考光栅二（30）和光纤二（20），所述的外壳二固定安装在护管上部，所述的底板二水平固定在外壳二内、所述的弹片二的一端固定在底板二下边一侧，其弹片二自由端安装着磁铁四（28），限位块（26）安装于所述的外壳二内靠弹片自由端处，浮子（25）装置在护管（24）内，其浮子顶部安装着磁铁三，磁铁三和磁铁四的安装极性相反，所述的弹片二下表面安装着传感光栅二，底板二上安装着参考光栅二，传感光栅二和参考光栅二是光纤布拉格光栅，由光纤二串联并传输到位于监控室的光纤光栅信号处理器。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式缆井安全监测系统，其特征是：磁铁一和磁铁二的材料是钕铁硼。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅分布式缆井安全监测系统，其特征是：磁铁三和磁铁四的材料是钕铁硼。

5.根据权利要求1中所述的光纤光栅分布式缆井安全监测系统，其特征是：光纤光栅信号处理器有十六个通道。

6.根据权利要求1中所述的光纤光栅分布式缆井安全监测系统，其特征是：光纤光栅信号处理器每个通道可串联八个光纤光栅井盖开合传感器和光纤光栅水位传感器的组合。