CN103398801B - 一种光纤光栅温度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅温度测量装置，包括宽带光源、光纤耦合器、可调谐光纤滤波器、光纤、光纤光栅传感器、光探测电路模块和测量控制模块，光纤耦合器的输出分成两路，经光纤进入两个串联的传感光纤光栅阵列，两个串联的传感光纤光栅阵列中，一个传感光纤光栅阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅，另一个传感光纤光栅阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅，水平光纤光栅和竖直光纤光栅在空间相互重叠，形成栅格化的光纤光栅。利用可变栅格、能够实时获取区域内任意栅格点的温度变化情况，同时通过参数自校比对及均值、网络节点冗余技术，提高了系统可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度测量系统，特别涉及一种光纤光栅温度测量系统。
背景技术
为了实现对光电综合缆表面某动态温度点的监测，必须对动态温度点所在的圆柱形区域进行温度监测，传统的测温手段有热电偶、红外测温仪等。热电偶传输距离有限，不能实现远距离传输，信号漂移较大，需要定期校准。因属于点式测量，只能对温度点进行监测，无法实现对区域的温度监测，要实现整个圆柱形区域监测，只能将多个点逐一布设，并填满圆柱形表面区域，每个热敏电阻都需要独立接线，，这会导致测温系统复杂，增加成本，维护量大，并且由于热电偶不抗电磁干扰，而光电缆内部电缆工作以后产生会电磁干扰，导致热电偶损坏。红外测温仪是非接触式测量，存在测量误差，只能在距离光缆表面一定区域可以获得区域化的温度监测，当距离较远，如光缆布设在高空悬浮时，红外测温仪则无法实现温度的监测，而且只能实现对某一面的区域监测，对称面处于监测盲区，只能采用多台同步监测，成本高、不便于实际使用。
理想的温度监测系统应该具有对整个电缆沿线的连续温度进行监测、传感器布设方便和能够多次反复使用等特点。光纤光栅(FBG)本身不带电，抗辐射和电磁干扰能力强，耐高压和腐蚀，传感信号是波长调制，不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗等因素的影响；特别是温度与反射波长存在良好的线性关系,非常适合用做高压电力环境中的温度传感器。相比较以往温度检测方法中大多是单点温度测量、传输电信号、接线复杂而言，分布式光纤光栅测温是以光纤光栅作为基础传感器件，传输信号为光信号，同时测温光纤光栅具有结构简单、布设方便、电绝缘、耐高压、抗电磁干扰等众多优良特性，适合于各种恶劣环境使用，可以真正做到长距离、测点连续，因此分布式光纤光栅测温系统在温度监测中的应用前景很好。
目前，已经有多种分布式光纤光栅测温系统，CN1546966A提出一种大容量编码式光纤传感监测系统，它采用多光栅编码技术；CN1632485A提出一种用于高压电力设备的分布式光纤光栅温度检测系统，它具有地址编码功能；CN1971225A提出一种大容量光纤光栅系统，其中解调装置是由电场控制的可调滤波芯片，提高了解调范围和解调速度。CN101949744A提出一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统，其中使用多个光纤光栅测量变压器内部不同位置的温度数据。
上述分布式光纤光栅温度检测系统的光栅阵列结构均为线性，即光纤光栅顺着光纤串联设置，如果某一点光栅损坏，则不能得到该点信息，而且，由于光纤光栅制造误差，对某一点的温度测量可能有较大误差，系统可靠性低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述不足，提供一种新型光纤光栅温度测量装置。
一种光纤光栅温度测量装置，包括宽带光源、光纤耦合器、可调谐光纤滤波器、光纤、光纤光栅传感器、光探测电路模块和测量控制模块，宽带光源与光纤耦合器的一个分路端口光连接，光纤耦合器的另一个分路端口经过可调谐光纤滤波器与光探测电路模块的输入端口光连接，光纤耦合器的输出分成两路，经光纤进入两个串联的传感光纤光栅阵列，可调谐光纤滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接，光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接，其特征是:
所述两个串联的传感光纤光栅阵列的各光栅栅距均不相同，则其反射光的中心波长不同，通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码，可容易地判定光纤光栅传感器的位置。
其中所述可调谐光纤滤波器为可调谐光纤Fabry-Perrot滤波器。
两个串联的传感光纤光栅阵列中，一个传感光纤光栅阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅，包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接，形成一个水平光纤光栅串；另一个传感光纤光栅阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅，包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接，形成一个竖直光纤光栅串；水平光纤光栅串和竖直光纤光栅串在空间相互重叠，形成栅格化的光纤光栅。
栅格化的光纤光栅阵列中，栅格的大小可以相同。
栅格化的光纤光栅阵列中，栅格的大小可以不同，其中重点测温区域栅格比非重点测温区域栅格小。
本发明还公开了该光纤光栅动态温度点测量装置的测量方法，包括如下步骤：
(1)宽带光源发出的光经耦合器后被分成两路进入传感光纤光栅阵列，当满足布拉格条件的光被反射后经耦合器进入可调谐光纤滤波器，测量控制模块中的锯齿波产生模块产生的数字信号经D/A转换器后，产生锯齿波扫描电压，施加到可调谐光纤滤波器，使其在一定范围内扫描。当它与传感光纤光栅的Bragg波长相匹配时，则让传感光栅反射的光信号通过。
(2)光电探测电路模块探测的光信号经A/D转换和测量控制模块中的低通数字滤波器滤波后，由测量控制模块中的数据计算处理模块通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温度，并根据其中心波长计算被测点的地址，通过地址和位置的对应关系，计算被测点的位置，并将温度和位置通过LCD显示。
另外，在栅格化的光纤光栅的每个栅格的边上布置一个光纤光栅，将每个栅格边长上的光栅测得的温度值求平均值，记为该栅格区域的温度。
进一步地，还可对每个边长的光栅测得的温度进行比对，以验证是否存在某光纤光栅损坏现象，例如某一栅格的四条边中，其中一条边中的光纤光栅测得的温度与其他三条边中测量所得的温度相差超过一定值，则判断该处光栅损坏，可以借助其他三条边中的光纤光栅实现温度的监测，即求其他三条边中的光纤光栅测得的温度值求平均值。
进一步地，非重点测温区域的栅格只在3个边中设置光栅，或只在2个边中设置光栅，这样既可以减少光栅的用量，也能够实现参数测量。
进一步地，为防止重点区域栅格光栅损坏，可将其他光纤光栅从该重点区域通过，这样一旦某栅格的光栅损坏，则其他光纤光栅可以代替原栅格进行温度监测，确保监测数据无丢失现象。
本发明通过采用光纤光栅栅格化的方式，实现动态温变区域的温度监测，利用可变栅格、能够实时获取区域内任意栅格点的温度变化情况，且通过采用光纤传输具有传输距离远、抗电磁干扰、易于系统组网、不受光功率波动影响等优点。同时通过参数自校比对及均值、网络节点冗余技术，提高了系统可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明实施例描述中需要使用的附图作简单的介绍，其中
图1是本发明实施例的光纤光栅温度测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的光纤光栅阵列结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明，应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不是对本发明的限制。
图1是本发明实施例的光纤光栅温度测量装置的结构示意图，图1中，宽带光源与光纤耦合器的一个分路端口光连接，光纤耦合器的另一个分路端口经过可调谐光纤滤波器与光探测电路模块的输入端口光连接，光纤耦合器的输出分成两路，经光纤进入两个串联的传感光纤光栅阵列，可调谐光纤滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接，光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成空间的相位光栅,由于光纤光栅的中心波长随纤芯的有效折射率和栅格周期的变化而改变,而外界参量(如温度、应变等)的改变会对光纤光栅的有效折射率和栅格周期产生影响,所以温度的改变会引起光纤光栅中心波长λB的漂移。光栅波长变化与温度变化呈现很好的线性关系,只要测量出光栅反射波长的改变,就能得到其环境温度的变化,这就是光纤光栅测温的原理。
光纤光栅的反射率越高，返回到测量系统的光功率就越大，相应的测量距离就越长。而且反射率越高，带宽较窄，光栅越稳定。如果反射率越小，噪声对其的影响就越大，对于光探测器模块和光谱分析单元的工作精度要求就越高。为了获得最好的性能，光纤光栅传感器的反射率>90％。
所选用的可调谐光纤滤波器为可调谐光纤Fabry-Perrot滤波器。
本发明的串联的传感光纤光栅阵列的各光栅栅距均不相同，则其反射光的中心波长不同。通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码，则可容易地判定光纤光栅传感器的位置。为了保证能“寻址”每一个光栅，即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅，要求光纤内各个光栅的中心波长λ1,λ2,…λn不同，其工作范围Δλ1,Δλ2,…Δλn互不重迭。每根光纤上可串联的光纤光栅传感器之数量，由被测点需测量的温度范围而定，或者说，传感器测量温度范围之大小决定了每个传感器反射光的波长之宽度。
光纤光栅传感器反射光的中心波长(也叫峰值波长)随着温度的改变而改变，当温度升高/或降低时，光纤光栅传感器的峰值波长变长或变短。
图2是本发明实施例的光纤光栅阵列结构示意图，图2中，光纤光栅阵列具有两路串联的传感光纤光栅阵列，其中一路传感光纤光栅阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅，包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接，形成一个水平光纤光栅串；另一路传感光纤光栅阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅，包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接，形成一个竖直光纤光栅串；水平光纤光栅串和竖直光纤光栅串在空间相互重叠，形成栅格化的光纤光栅。
在每个小栅格的边长上布置光纤光栅，依据测量范围确定需要刻制的光栅数目，分配每个光栅的波长，使整个区域的光栅满足测量带宽及测量范围的要求。
栅格化的光纤光栅阵列中，可以根据测量的实际需要，调整各栅格的大小，例如，各栅格的大小可以相同，也可根据需要而不同，例如，重点测温区域栅格可以小一些，而非重点区域栅格可以大一些。
本发明检测温度的方法如下:
宽带光源发出的光经分光比为50:50的耦合器后被分成两路进入传感光纤光栅FBG阵列，当满足Bragg条件的光被反射后经耦合器进入光纤F-P可调滤波器FFP-TF，测量控制模块中的锯齿波产生模块产生的数字信号经D/A转换器后，产生锯齿波扫描电压，施加到光纤F-P可调滤波器，调节其腔间隔，使其在一定范围内扫描。当它与传感光纤光栅FBG的Bragg波长相匹配时，则让传感光栅反射的光信号通过。当FFP-TF的透射波峰与FBG的反射波峰重合时，滤波器的透射光强最大,这时光电探测电路模块探测的光强为最大值，该信号再经A/D转换和低通数字滤波后器后，由数据计算处理模块通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温度。并根据其中心波长可以知道被测点的地址，通过地址和位置的对应关系，可知道被测点的位置。
在温度测量过程中，还可以采用如下方法，在栅格化的光纤光栅的每个栅格的边上布置一个光纤光栅，将每个栅格边长上的光栅测得的温度值求平均值，记为该栅格区域的温度。同时还可对每个边长的光栅测得的温度进行比对，以验证是否存在某光纤光栅损坏现象。例如某一栅格的四条边中，其中一条边中的光纤光栅测得的温度与其他三条边中测量所得的温度相差超过一定值，则判断该处光栅损坏，可以借助其他三条边中的光纤光栅实现温度的监测，即求其他三条边中的光纤光栅测得的温度值求平均值，可见，本发明的光栅阵列具备冗余设计，能提高系统可靠性。
本发明还可通过对栅格的各边长进行冗余设计，根据实际情况进行边长波长的动态调整，某栅格可以有3个光栅，某栅格可以有2个光栅，这样即可以减少光栅的用量，也能够实现参数测量，当需要进一步冗余传输时，可调整某栅格有4个光栅。
本发明还可通过对重点区域进行可靠性冗余设计。为防止某重点区域栅格光栅损坏，可将其他链路从此区域通过，这样一旦某栅格损坏，则备份链路栅格可以代替原栅格进行温度监测，确保监测数据无丢失现象。
各栅格测量计算得到的温度，可通过LCD模块显示。
Claims (10)
1.一种光纤光栅温度测量装置，包括宽带光源、光纤耦合器、可调谐光纤滤波器、光纤、光纤光栅传感器、光探测电路模块和测量控制模块，其中宽带光源与光纤耦合器的一个分路端口光连接，光纤耦合器的另一个分路端口经过可调谐光纤滤波器与光探测电路模块的输入端口光连接，光纤耦合器的输出分成两路，经光纤进入两个串联的传感光纤光栅阵列，可调谐光纤滤波器经D/A转换器和测量控制模块的锯齿波产生模块连接，光探测电路模块通过A/D转换器和测量控制模块的低通数字滤波器连接，其特征在于:
所述两个串联的传感光纤光栅阵列的各光栅栅距均不相同，则其反射光的中心波长不同，通过将各光纤光栅传感器之反射光的中心波长与其地址进行对应编码，可容易地判定光纤光栅传感器的位置。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其中所述可调谐光纤滤波器为可调谐光纤Fabry-Perrot滤波器。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅温度测量装置，其中两个串联的传感光纤光栅阵列中，一个传感光纤光栅阵列包括多条在水平方向排列的光纤光栅，包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接，形成一个水平光纤光栅串；另一个传感光纤光栅阵列包括多条在竖直方向排列的光纤光栅，包含该光纤光栅阵列的光纤首尾相连接，形成一个竖直光纤光栅串；水平光纤光栅串和竖直光纤光栅串在空间相互重叠，形成栅格化的光纤光栅阵列。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅温度测量装置，所述栅格化的光纤光栅阵列中，各栅格的大小相同。
5.根据权利要求3所述的光纤光栅温度测量装置，所述栅格化的光纤光栅阵列中，栅格的大小不同，其中重点测温区域的栅格比非重点测温区域的栅格小。
6.一种根据如权利要求3-5任一项所述的光纤光栅温度测量装置的温度测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)宽带光源发出的光经耦合器后被分成两路进入传感光纤光栅阵列，当满足布拉格条件的光被反射后经耦合器进入可调谐光纤滤波器，测量控制模块中的锯齿波产生模块产生的数字信号经D/A转换器后，产生锯齿波扫描电压，施加到可调谐光纤滤波器，使其在一定范围内扫描，当它与传感光纤光栅的布拉格波长相匹配时，则让传感光栅反射的光信号通过；
(2)光电探测电路模块探测的光信号经A/D转换和测量控制模块中的低通数字滤波器滤波后，由测量控制模块中的数据计算处理模块通过分析各个光纤光栅反射光之中心波长的变化的幅度来得到被测点的温度，并根据其中心波长计算被测点的地址，通过地址和位置的对应关系，计算被测点的位置，并将温度和位置通过LCD显示。
7.根据权利要求6所述的温度测量方法，其特征在于，在栅格化的光纤光栅的每个栅格的边上布置一个光纤光栅，将每个栅格边长上的光栅测得的温度值求平均值，作为该栅格区域的温度。
8.根据权利要求7所述的温度测量方法，其特征在于，在栅格化的光纤光栅的每个栅格的四条边中，如果其中一条边中的光纤光栅测得的温度与其他三条边中测量所得的温度相差超过一定值，则判断该处光栅损坏，同时求其他三条边中的光纤光栅测得的温度平均值，作为该栅格区域的温度。
9.根据权利要求6所述的温度测量方法，其特征在于，非重点测温区域的栅格只在3个边中设置光栅，或只在2个边中设置光栅，这样既可以减少光栅的用量，也能够实现参数测量。
10.根据权利要求6所述的温度测量方法，其特征在于，为防止重点区域栅格光栅损坏，可将其他光纤光栅从该重点区域通过，这样一旦某栅格的光栅损坏，则其他光纤光栅可以代替原栅格进行温度监测，确保监测数据无丢失现象。
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