CN102680161A - 一种光纤光栅气压传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤光栅气压传感系统，分为两部分：传感部分和解调部分，传感部分包括敏感大气压力的真空膜盒和敏感膜盒形变量的光纤光栅应变传感器，该传感器通过用胶直接粘贴的方式与真空膜盒连接，传感部分输入量为大气压强，大气压强的改变引起真空膜盒的变形，这种形变量对光纤光栅应变传感器进行波长调制。解调部分包括可调谐滤波器、光电探测器、信号分析与处理模块。可调谐滤波器用扫描滤波的方式对光纤光栅应变传感器输出的光信号进行滤波，可调谐滤波器与光电探测器相连接，调谐滤波器的电信号与光电探测器输出的电信号进入信号处理模块分析处理。本发明测量气压时灵敏度高，抗电磁干扰，原理简单，耐久性好。

Description

一种光纤光栅气压传感系统
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅气压传感系统，属于光纤传感技术领域。
技术背景
目前气象观测中，常用震动筒或电容膜盒传感器检测气压变化，包括飞行器中使用的气压式高度计，这些敏感元件（膜盒）仍是使用电子元件或者机械传动传感的方式。这很容易受到电磁干扰的影响，比如雷暴天气或大功率的电磁波收发装置，研制一种体积小巧且抗干扰能力强的气压表成为迫切需要。
光纤光栅是20世纪90年代发展起来的新型光电子器件，经过10多年的发展，光纤光栅的制作技术日趋成熟，系统应用不断拓展。由于光纤光栅的敏感变化参量为光的波长而不是光功率，与其他光纤传感器相比，它有许多独特的优势，例如：在一根光纤上可串接多个光栅传感器或在一根光纤上可以同时刻多个光栅，单独寻址；抗电磁干扰能力强；不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰；体积小，可以置于结构内；它的测量是绝对值，不需要校零；灵敏度高；抗潮湿、抗腐蚀能力强，可以在恶劣环境中长期使用。
光纤光栅测气压方面的专利较少，现有的中国专利CN102147311A“光纤光栅气压传感器”介绍了利用边孔光栅的空气孔使光纤光栅发生应变，从而引起反射波长变化，从而计算出周围的气压。但是其结构复杂，用光纤光栅传感横向应变，灵敏度低，并没有从工程应用上进行整体传感系统的设计与软硬件的实现。中国专利CN201955081U“光纤型气压式高度检测装置”利用光纤弯曲传感单元敏感真空膜盒的形变，光纤弯曲程度的改变会导致光纤中光功率的改变。这种方法属于光强调制，相比光波长调制的方法精度较低，抗震性能较差。
发明内容
本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤光栅传感器引入气压测量领域，提供了一种匹配型光纤布拉格光栅大气压强传感系统的方案。
本发明采用的技术方案为：一种光纤光栅气压传感系统，该系统包括两部分：传感部分和解调部分；所述的传感部分包括敏感大气压力的真空膜盒和敏感真空膜盒的膜盒形变量的光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器通过用胶直接粘贴或通过悬臂梁传动的方式与真空膜盒连接，该传感部分输入量为大气压力，大气压力的改变引起真空膜盒的变形，这种变形对光纤光栅应变传感器进行波长调制；所述的解调部分包括可调谐滤波器、光电探测器和信号分析与处理模块，可调谐滤波器用扫描滤波的方式对光纤光栅应变传感器输出的经过波长调制的光信号进行滤波，经可调谐滤波器滤波的光信号进入光电探测器，可调谐滤波器的扫描电压与光电探测器输出的电信号进入信号分析与处理模块分析处理得到大气压力。
所述真空膜盒与光纤光栅应变传感器通过用胶粘贴紧固的方法连接，真空膜盒的形变量直接传递给光纤光栅应变传感器，调制光纤光栅应变传感器的反射中心波长。
所述的可调谐滤波器采用可调谐光纤光栅滤波器。
所述的光纤光栅应变传感器采用可以敏感轴向应变的光纤布拉格光栅，其反射光的中心波长的变化量与其轴向应变线性相关。
所述真空膜盒是由弹性很好的两个金属膜片将其边沿焊接在一起形成的圆形盒子，将中间抽成真空或接近真空。
所述的可调谐滤波器的扫描电压为锯齿波。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明该系统具有检测精度高、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、抗震性好的特点。
2、光纤光栅传感器用胶紧固于空气膜盒表面，直接测量真空膜盒由于气压变化而产生的应变，省去了复杂的机械传动机构，从结构上提高了精度、灵敏度以及气压计的抗震性能。
3、由于用光纤传感器代替了传统的金属传动机构或者电阻电容型传感器，提高了气压计的抗电磁干扰性能，适用于各种监测现场的复杂环境。
附图说明
图1是一种光纤光栅气压传感系统的原理框图示意图；
图中，1大气压力；2真空膜盒；3膜盒形变量；4光纤光栅应变传感器；5波长调制的光信号；6可调谐滤波器；7滤波的光信号；8可调谐滤波器的扫描电压；9光电探测器；10光电探测器输出的电信号；11信号分析与处理模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
如图1所示，一种光纤光栅气压传感系统由两部分来实现：传感部分和解调部分。传感部分包括敏感大气压力1的真空膜盒2和敏感该真空膜盒2的膜盒形变量3的光纤光栅应变传感器4，光纤光栅应变传感器4通过用胶直接粘贴的方式与真空膜盒2连接。传感部分输入量为大气压力1，大气压力1的改变引起真空膜盒2的膜盒形变量3，这种形变量对光纤光栅应变传感器4进行波长调制。解调部分包括可调谐滤波器6、光电探测器9、信号分析与处理模块11。可调谐滤波器6用扫描滤波的方式对光纤光栅应变传感器4输出的经过波长调制的光信号5进行滤波，经可调谐滤波器6滤波的光信号7进入光电探测器9，可调谐滤波器的扫描电压8与光电探测器输出的电信号10进入信号分析与处理模块11处理。
在大气压力1的作用下，真空膜盒2的两个面由其本身的弹性与大气压力1相平衡，两个膜片保持一定的距离，当大气压变化时，膜片弹力和大气压间达到新的平衡，使真空膜盒2的形状发生变化。粘贴在真空膜盒2表面的光纤光栅应变传感器4的应变量可以看做与真空膜盒2的膜盒形变量3一致。利用真空膜盒2膜盒表面光纤光栅应变传感器4处的膜盒形变量3与大气压力1之间的函数关系，就可以测量大气压力1。
光纤光栅是光纤纤芯中一种折射率周期性变化的结构，当一束光进入光栅栅区时，会返回特定波长的一束光，其波长与光栅的周期和栅区等效折射率有关，温度和应变可以影响光栅的周期和栅区等效折射率。光纤光栅反射中心波长与温度和轴向应变的关系为：Δλ/λB＝(αf+ξ)ΔT+(1-Pe)Δε。如果使用可调谐的光纤光栅滤波器，那么温度对传感光栅和解调光栅引起的波长变化是一样的，对于这种温度自补偿的光纤光栅匹配解调装置而言，光纤光栅传感器的中心波长改变只与其应变量有关，公式可简化为：Δλ＝kΔε。
光纤光栅应变传感器4输出的经过波长调制的光信号5进入可调谐滤波器6，可调谐滤波器6的波长变化范围应该能够覆盖光纤光栅应变传感器4的波长变化区间，且滤波带宽不能大于光纤光栅应变传感器4的反射光带宽。出于以上考虑，可调谐滤波器6可以选用光纤光栅滤波器。可调谐滤波器的扫描电压8与其透射波长的关系已通过标定，当滤波器的透射波长和传感光纤光栅的反射波长相匹配时，光强探测器9探测到的光强出现极值（最大值还是最小值与选取的滤波器有关，与透射式还是反射式使用滤波器有关）。
光电探测器9将探测到的光功率转化为光电探测器输出的电信号10的强度，并将其输入信号分析与处理模块11，可调谐滤波器的扫描电压8也实时的输入信号分析与处理模块11，当光电探测器输出的电信号10出现极值时记录此时的可调谐滤波器的扫描电压8，根据此电压求出标定对应的可调谐滤波器6的透射波长，此波长即为光纤光栅应变传感器4的反射中心波长。
信号分析与处理模块11，将光电转化后的模拟电信号和调谐滤波器的调谐电压信号转化为数字电信号，数字化的电信号进入主处理器进行运算分析处理。主处理器一般可由CPLD、FPGA或DSP以及存储器等电子器件和写入的软件程序组成，本领域技术人员容易实现。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种光纤光栅气压传感系统，其特征是：该系统包括两部分：传感部分和解调部分；所述的传感部分包括敏感大气压力（1）的真空膜盒（2）和敏感真空膜盒（2）的膜盒形变量（3）的光纤光栅应变传感器（4），光纤光栅应变传感器（4）通过用胶直接粘贴的方式与真空膜盒（2）连接，该传感部分输入量为大气压力（1），大气压力（1）的改变引起真空膜盒（2）的变形，这种变形对光纤光栅应变传感器（4）进行波长调制；所述的解调部分包括可调谐滤波器（6）、光电探测器（9）和信号分析与处理模块（11），可调谐滤波器（6）用扫描滤波的方式对光纤光栅应变传感器（4）输出的经过波长调制的光信号（5）进行滤波，经可调谐滤波器（6）滤波的光信号（7）进入光电探测器（9），可调谐滤波器的扫描电压（8）与光电探测器输出的电信号（10）进入信号分析与处理模块（11）分析处理得到大气压力（1）。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感系统，其特征是：所述真空膜盒（2）与光纤光栅应变传感器（4）通过用胶粘贴紧固的方法连接，真空膜盒（2）的形变量直接传递给光纤光栅应变传感器（4），调制光纤光栅应变传感器（4）的反射中心波长。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感系统，其特征是：所述的可调谐滤波器（6）采用可调谐光纤光栅滤波器。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感系统，其特征是：所述的光纤光栅应变传感器（4）采用可以敏感轴向应变的光纤布拉格光栅，其反射光的中心波长的变化量与其轴向应变线性相关。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感系统，其特征是：所述真空膜盒（2）是由弹性很好的两个金属膜片将其边沿焊接在一起形成的圆形盒子，将中间抽成真空或接近真空。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感系统，其特征是：所述的可调谐滤波器的扫描电压为锯齿波。
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