CN106123796B - 一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置 - Google Patents

一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有技术的不足，实现了一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置，该装置由波长解调模块、单模光纤和数据采集单元组成，其中波长解调模块是用来对反射回来的中心波长进行解调，测量出中心波长的偏移量。单模光纤是用来传输光信号，而且不同的光缆对应的波长解调模块的不同通道。数据采集单元是由特殊的环形光栅结构来组成的，通过温度数据补偿修正、位置结构数据精确互补和多通道采集，同时提高了光纤光栅测量系统的精度和稳定性。

Description

一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置
技术领域
本发明涉及光纤光栅测量技术领域，尤其涉及一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置。
背景技术
光纤光栅传感技术是一种新型的光传感技术，通过利用光栅的波长与温度、应力等物理量在一定范围内成线性关系的变化来做成各类传感器。光纤光栅的测量原理就是在拉伸或压缩光纤光栅，或者改变温度等其他物理量，可以达到改变光纤光栅的周期L和有效折射率neff，从而达到改变光纤光栅的反射波长λB的目的。而且光纤光栅的中心波长的变化量和应变、温度的变化量成线性关系。根据这样的特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度、位移等多种传感器。光纤光栅信号处理器用于实时采集各光纤光栅传感器的波长值，通过光栅传感器波长变化量的大小推算出相应物理量(温度、应力等)的改变大小。这样就实现了物理量传感检测的目的。
光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、高精度、高灵敏度、防水、抗腐蚀、耐久性长等特点，传感器体积小、重量轻，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小，适合大面积、长距离，多种类的综合性的实时在线监测，是目前最先进的结构健康监测技术。虽然测量参数和定位精度都比较准确，但是由于光路唯一性、受力不均匀和温度对中心波长偏移产生的影响，会降低最终测量结果的稳定性和精确性，现通过多通道采集和一种特殊的数据采集单元结构，来实现稳定性和精确性的提高。
因此，现有技术的上述问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，实现了一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置，该装置由波长解调模块、单模光纤和数据采集单元组成，其中波长解调模块是用来对反射回来的中心波长进行解调，测量出中心波长的偏移量。单模光纤是用来传输光信号，而且不同的光缆对应的波长解调模块的不同通道。数据采集单元是由特殊的环形光栅结构来组成的，通过温度数据补偿修正、位置结构数据精确互补和多通道采集，同时提高了光纤光栅测量系统的精度和稳定性。
本发明请求保护一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置，该装置包括：
波长解调模块、三根单模光缆和数据采集单元；其中波长解调模块通过三个通道接口分别和三根单模光纤相连，对应的三个不同的波长解调通道，三根单模光纤的另一端与数据采集单元相连；
波长解调模块，包括宽带光源、光开关和信息处理模块；
宽带光源，用于发射出宽谱光；
光开关，用于将宽谱光分为三路，并发送到三个通道接口；
信息处理模块，用于接收由单模光纤中反射回来的不同的偏移波长，通过中心波长的偏移量来解调相应的测量物理量；
第一单模光缆与第二单模光缆，第三单模光缆平行设置；
数据采集单元由第一光路接口、第二光路接口、第三光路接口、第四光路接口、环形光栅结构和温度检测模块组成；
第一光路接口，一端与第一单模光纤相连，另一端通过环形光栅结构从第三光路接口传出；
第二光路接口，一端与第四单模光纤相连，另一端通过环形光栅结构从第四光路接口传出；
第三光路接口和第四光路接口，另一端继续向前延伸；
光栅环形结构，内部通过4个光路端口来传输两路光信号；
温度检测模块两端分别与第二单模光纤相连，可检测数据采集单元的温度信息，对环形光栅结构内部的应变采集进行温度补偿和标定。
进一步的，环形光栅结构由2条光路和4个传感器组成；
第一应变光栅传感器，一端与第一单模光纤相连，另一端与第三应变光栅传感器相连，第一应变光栅传感器中心波长与第二应变传感器相同；
第二应变光栅传感器，一端与第三单模光纤相连，另一端与第四应变光栅传感器相连，第二应变光栅传感器中心波长与第一应变传感器相同；
第三应变光栅传感器，一端与第一应变光栅传感器相连，另一端与第一单模光纤相连，第三应变光栅传感器中心波长与第四应变传感器相同；
第四应变光栅传感器，一端与第二应变光栅传感器相连，另一端与第三单模光纤相连，第四应变光栅传感器中心波长与第三应变传感器相同。
进一步的，温度检测模块包括导热介质和温度光栅传感器；导热介质置于温度光栅传感器底部，温度光栅传感器与第二单模光纤相连；
导热介质，用于整个数据采集单元实时温度传递，使温度光栅传感器测量值更加精确；
温度光栅传感器，用于测量整个数据采集单元的实时温度，对应变测量数据进行修正和补偿。
进一步的，数据采集单元的另一端向后继续向前延伸，可串接多个数据传感单元。
与现有技术和产品相比，该发明具有显著优点：
本发明提出了一种由特殊环形光栅结构实现的数据采集单元，同时将反射回来的测量值通过不同采集通道进行采集。环形光栅结构包括温度传感器和应变传感器，温度传感器可对测量值进行修正补偿，应变传感器的位置结构使得最终应变测量数据精确互补，提高了整体的测量精度；不同通道的数据采集可提高整体系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明中数据采集单元的结构示意图。
图3为本发明数据采集单元中环形光栅结构的结构示意图。
图4为本发明数据采集单元中温度传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明请求保护的一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置，该装置包括：
波长解调模块1、普通单模光缆(2,3,4)和数据采集单元5，其中波长解调模块1通过三个通道接口分别和三根单模光纤(2,3,4)相连，对应的三个不同的波长解调通道，三根单模光纤(2,3,4)的另一端与数据采集单元5相连；
波长解调模块1，包括宽带光源、光开关和信息处理模块；
宽带光源，用于发射出宽谱光；
光开关，用于将宽谱光分为三路，并发送到三个通道接口；
信息处理模块，用于接收由光缆中反射回来的不同的偏移波长，通过中心波长的偏移量来解调相应的测量物理量；
最后会在通道1有2个波长返回值，通道2有1个波长返回值，通道3有2个波长返回值
第一单模光缆2与第二单模光缆3，第三单模光缆4平行设置；
数据采集单元，一端与普通单模光纤(2、3、4)相连，另一端向后继续向前延伸，可串接多个数据传感单元。
图2所示，为本发明所涉及的数据采集单元结构示意图，整个数据采集单元主要由第一光路接口51、第二光路接口52、第三光路接口53、第四光路接口54、环形光栅结构55和温度检测模块56组成；
所示图2中51是第一光路接口，一端与第一单模光纤2相连，另一端通过环形光栅结构从第三光路接口53传出；
所示图2中52是第二光路接口，一端与第三单模光纤4相连，另一端通过环形光栅结构从第四光路接口54传出；
55为光栅环形结构，内部通过4个光路端口来传输两路光信号；
温度检测模块6两端分别与第二单模光纤3相连，可检测数据采集单元的温度信息，对环形光栅结构内部的应变采集进行温度补偿和标定。
第三光路接口53,第四光路接口54，另一端继续向前延伸，可串接多个数据传感单元。
图3所示，为本发明数据采集单元中环形光栅结构55的结构示意图，整个结构主要由2条光路和4个传感器组成；
第一应变光栅传感器551，一端与单模光纤2相连，另一端与第三应变光栅传感器553相连，第一应变光栅传感器551中心波长与第二应变传感器552相同；
第二应变光栅传感器552，一端与单模光纤4相连，另一端与第四应变光栅传感器554相连，第二应变光栅传感器552中心波长与第一应变传感器551相同；
第三应变光栅传感器553，一端与第一应变光栅传感器551相连，另一端与单模光纤2相连，第三应变光栅传感器553中心波长与第四应变传感器554相同；
第四应变光栅传感器554，一端与第二应变光栅传感器552相连，另一端与单模光纤4相连，第四应变光栅传感器554中心波长与第三应变传感器553相同。
图4所示，为本发明数据采集单元中温度检测模块的结构示意图，包括导热介质561和温度光栅传感器562；导热介质5611置于温度光栅传感器562底部，温度光栅传感器562与单模光纤3相连；
导热介质561，用于整个数据采集单元实时温度传递，使温度光栅传感器测量值更加精确；
温度光栅传感器562，用于测量整个数据采集单元的实时温度，对应变测量数据进行修正和补偿。
本专利的工作流程为：
波长解调模块包括宽带光源和信息处理模块，宽带光源发射出宽谱光后会通过光开关，使得不同的通道都可以进行波长解调，与波长解调模块相连的三根单模光纤分别对应三个不同的解调通道，另一端与信号采集单元即特殊结构的环形光栅相连，环形光栅内部结构分布有两种不同的光栅传感器，其中有4个是应变传感器和一个温度传感器，当宽谱光源发射出宽谱光后，会通过单模光纤进入基于环形光栅结构，反射回来的测量值通过三个解调通道进行解调。
本发明中应用具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

Claims (4)

1.一种可提高精度和稳定性的光纤光栅测量装置，其特征在于，该装置包括：
波长解调模块、三根单模光纤和数据采集单元；其中波长解调模块通过三个通道接口分别和三根单模光纤相连，对应的三个不同的波长解调通道，三根单模光纤的另一端与数据采集单元相连；
波长解调模块，包括宽带光源、光开关和信息处理模块；
宽带光源，用于发射出宽谱光；
光开关，用于将宽谱光分为三路，并发送到三个通道接口；
信息处理模块，用于接收由单模光纤中反射回来的不同的偏移波长，通过中心波长的偏移量来解调相应的测量物理量；
第一单模光纤与第二单模光纤，第三单模光纤平行设置；
数据采集单元由第一光路接口、第二光路接口、第三光路接口、第四光路接口、环形光栅结构和温度检测模块组成；
第一光路接口，一端与第一单模光纤相连，另一端通过环形光栅结构从第三光路接口传出；
第二光路接口，一端与第三单模光纤相连，另一端通过环形光栅结构从第四光路接口传出；
第三光路接口和第四光路接口，另一端继续向前延伸；
环形光栅结构，内部通过4个光路端口来传输两路光信号；
温度检测模块两端分别与第二单模光纤相连，可检测数据采集单元的温度信息，对环形光栅结构内部的应变采集进行温度补偿和标定。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，环形光栅结构由2条光路和4个应变光栅传感器组成；
第一应变光栅传感器，一端与第一单模光纤相连，另一端与第三应变光栅传感器相连，第一应变光栅传感器中心波长与第二应变光栅传感器相同；
第二应变光栅传感器，一端与第三单模光纤相连，另一端与第四应变光栅传感器相连，第二应变光栅传感器中心波长与第一应变光栅传感器相同；
第三应变光栅传感器，一端与第一应变光栅传感器相连，另一端与第一单模光纤相连，第三应变光栅传感器中心波长与第四应变光栅传感器相同；
第四应变光栅传感器，一端与第二应变光栅传感器相连，另一端与第三单模光纤相连，第四应变光栅传感器中心波长与第三应变光栅传感器相同。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，温度检测模块包括导热介质和温度光栅传感器；导热介质置于温度光栅传感器底部，温度光栅传感器与第二单模光纤相连；
导热介质，用于整个数据采集单元实时温度传递，使温度光栅传感器测量值更加精确；
温度光栅传感器，用于测量整个数据采集单元的实时温度，对应变测量数据进行修正和补偿。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，数据采集单元的另一端向后继续向前延伸，可串接多个数据传感单元。
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