CN106441558B - 一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置，设有光照采集单元、传感单元及光纤光栅转换单元；光照采集单元与传感单元电气连接，光照采集单元用于采集光能并转化为电流，将电流传输至电流传感单元；传感单元将电流转化为磁力变化频率，并与光纤光栅转换单元发生磁力作用；光纤光栅转换单元固定设置在固定板上，磁力作用使得固定板发生位移，光纤光栅转换单元将固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率。本发明灵敏度高、不受电磁干扰且对环境温度要求低，实现了对光照强度的高可靠性及高精度的测量，为光照强度的研究及利用提供了准确且可靠的研究数据。

Description

一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置

技术领域

本发明涉及光照监测领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置。

背景技术

太阳光线的照射，是生物生长和发育的必要条件之一，同时太阳光线产生的能量不会像煤和石油一样在燃烧时产生废气来污染环境，不像煤和石油有耗尽的一天，更不会有用核能发电所带来的危险性和后遗症。所以如果以太阳能来取代现有的煤，石油，天然气等能源，环境污染的问题便可大大地减少，因其不会产生废气来污染环境，因此越来越受人重视。

对光线强度的测量是能够直观且准确的识别目标地区光照条件的最直接的手段之一，也为对太阳光的研究及利用提供了最基本的研究数据。

目前一般使用照度计直接测量光照强度，而使用这些仪器直接测量的方法均存在易受电磁干扰造成可靠性低及对温度等环境要求要的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置，该装置灵敏度高、不受电磁干扰且对环境温度要求低，实现了对光照强度的高可靠性及高精度的测量，为太阳光的研究及利用提供了准确且可靠的研究数据。

本发明提供了一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置，包括光照采集单元、传感单元及光纤光栅转换单元；

所述光照采集单元与所述传感单元电气连接，所述光照采集单元用于采集光能并转化为电流，将电流传输至所述电流传感单元；

所述传感单元将电流转化为磁力变化频率，并与所述光纤光栅转换单元发生磁力作用；

所述光纤光栅转换单元固定设置在固定板上，磁力作用使得所述固定板发生位移，所述光纤光栅转换单元将所述固定板发生位移而产生的应变变化的频率转化为光纤波长的变化频率。

进一步的，所述传感单元包括圆盘状的转动盘、转动磁铁及竖直放置的直流电机；

所述直流电机竖直放置且其设有输出轴的一侧朝上，且所述直流电机与所述太阳能采集设备电气连接；

所述转动盘的底面圆心处与所述输出轴的顶端固定连接；

所述转动磁铁固定设置在所述转动盘顶面的边缘处；

当所述直流电机运转时，传动轴带动所述转动盘转动，位于所述转动盘边缘处的转动磁铁发生位移，与所述光纤光栅转换单元产生磁力作用。

进一步的，所述光纤光栅转换单元包括均设置在所述固定板上的光纤光栅传感器及固定磁铁；

所述光纤光栅传感器设置在所述固定板上；

所述固定磁铁设置在所述固定板一端的板底上，且所述固定板另一端固定放置；

位于所述固定板一端板底的所述固定磁铁设置在所述转动盘的上方且与所述转动盘之间的距离大于零；

所述固定磁铁与所述转动磁铁之间的距离在磁力范围内，所述转动磁铁产生的磁力与所述固定磁铁发生磁力作用，使得设有固定磁铁的所述固定板发生位移，所述光纤光栅传感器将所述固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率。

进一步的，所述固定板为悬臂梁，所述悬臂梁包括一端固定设置的固定支座、及设置在固定支座另一端的自由端板；

所述光纤光栅传感器设置在所述悬臂梁的自由端板上；

所述固定磁铁设置在所述悬臂梁的自由端板上远离固定支座的一侧板底上。

进一步的，所述光纤光栅传感器有2个，且分别对称设置在所述固定板的2个板面上。

进一步的，所述转动磁铁与所述固定磁铁均为形状相同的片状磁铁。

进一步的，所述光照采集单元包括设置在户外的太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述传感单元电气连接。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置，该装置灵敏度高、不受电磁干扰且对环境温度要求低，实现了对光照强度的高可靠性及高精度的测量。

1、本发明的技术方案，光照采集单元、传感单元及光纤光栅转换单元的设置，有效将光照强度转化为光纤波长的变化频率，避免了一般干涉型传感器中相对测量的不清晰和对固有参考点的需要，实现了对光照强度的高分辨力和大范围地测量。

2、本发明的技术方案，圆盘状的转动盘、转动磁铁及竖直放置的直流电机的设置，有效将光能转化为磁力，实现了与光纤光栅转换单元之间的磁力作用，此种设置成本低且设置过程简单高效。

3、本发明的技术方案，设置在所述固定板上的光纤光栅传感器及固定磁铁的设置，使得在转动磁铁产生的磁力与所述固定磁铁发生磁力作用，固定板发生位移，光纤光栅传感器将所述固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率；此过程不需要有源供电的参与，节能环保。

4、本发明的技术方案，固定板为悬臂梁的设置，使得安装有固定磁体的部分更易发生位移形变，提高了光纤光栅传感器的识别率，进而提高了对光照强度的高分辨力。

5、本发明的技术方案，2个光纤光栅传感器的双光栅的设置，对波长的变化进行做差处理，以此有效地排除光纤光栅传感器交叉敏感的干扰，排除温度对波长值的影响，使结果更加精确。

6、本发明的技术方案，转动磁铁与述固定磁铁均为形状相同的片状磁铁的设置，提高了磁铁之间的磁力感应效果，并以最小质量的磁铁最大化的避免了磁铁自身重量对测量结果的影响。

7、本发明的技术方案，光照采集单元采用太阳能电池板的设置，采光灵敏度高，且节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置示意图；

图2为本发明的装置中的传感单元示意图；

图3为本发明的装置中的光纤光栅转换单元示意图；

图4为本发明的具体应用例中的装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置，装置中设有光照采集单元10、传感单元11及光纤光栅转换单元12；

光照采集单元10与传感单元11电气连接，光照采集单元10用于采集光能并转化为电流，将电流传输至电流传感单元11；

光照采集单元10与自然光直接接触，直接有效的采集光照强度，并将光照转化为电流，将转化得到的电流输送至电流传感单元11，由于光照强度在不断发生变化，光照采集单元10的输出电流发生相应的变化；因此传输至电流传感单元11的输出电流时强时弱。

传感单元11将电流转化为磁力的变化频率，并与光纤光栅转换单元12发生磁力作用；

传感单元11接收光照采集单元10传输的电流，并通过自身结构及器件的设置将电流转换为磁力的变化频率；该磁力与光纤光栅转换单元12发生磁力作用，此时，光照强度已经有效转化为磁力的变化频率。

光纤光栅转换单元12固定设置在固定板上，磁力作用使得固定板发生位移，光纤光栅转换单元12将固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率；

光纤光栅转换单元12与传感单元11的磁力进行感应，使得光纤光栅转换单元12所在的固定板发生微小位移或形变，光纤光栅转换单元12捕捉这种微小位移或形变，并将其转化为光纤波长漂移量，磁力的发生频率即表现为光纤波长的变化频率，后续则根据光纤波长的变化频率可得知传感单元11的磁力变化频率，传感单元11的磁力变化又是由电流的变化引起的，由此最终得知因其电流变化的光照强度的变化量，完成测量；避免了一般干涉型传感器中相对测量的不清晰和对固有参考点的需要，实现了对光照强度的高分辨力和大范围地测量。

如图2所示，传感单元11中设有圆盘状的转动盘20、转动磁铁21及竖直放置的直流电机22；

直流电机22竖直放置且其设有输出轴的一侧朝上，且直流电机22与太阳能采集设备电气连接；转动盘20的底面圆心处与输出轴的顶端固定连接；转动磁铁21固定设置在转动盘20顶面的边缘处；即转速传动结构由直流电机22、转动盘20和转动磁铁21组成，直流电机22与电路串联，通电后直流电机22发生转动，直流电机22的输出轴连接圆盘。

当直流电机22运转时，传动轴带动转动盘20转动，位于转动盘20边缘处的转动磁铁21发生位移，与光纤光栅转换单元12产生磁力作用；有效将光能转化为磁力，实现了与光纤光栅转换单元12之间的磁力作用，此种设置成本低且设置过程简单高效。

如图3所示，光纤光栅转换单元12包括均设置在固定板上的光纤光栅传感器30及固定磁铁31；固定板为悬臂梁，悬臂梁包括一端固定设置的固定支座32、及设置在固定支座32另一端的自由端板33；其中，转动磁铁21与固定磁铁31均为形状相同的片状磁铁；转动磁铁21与述固定磁铁31均为形状相同的片状磁铁的设置，提高了磁铁之间的磁力感应效果，并以最小质量的磁铁最大化的避免了磁铁自身重量对测量结果的影响。

光纤光栅传感器30设置在悬臂梁的自由端板33的应变力较大处；固定磁铁31设置在悬臂梁的自由端板33上远离固定支座32的一侧板底上；位于悬臂梁一端板底的固定磁铁31设置在转动盘20的上方且与转动盘20之间的距离大于零。

固定磁铁31与转动磁铁21之间的距离在磁力范围内，转动磁铁21产生的磁力与固定磁铁31发生磁力作用，使得设有固定磁铁31的固定板发生位移，光纤光栅传感器30将固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率；此过程不需要有源供电的参与，节能环保；而固定板为悬臂梁的设置，使得安装有固定磁体的部分更易发生位移形变，提高了光纤光栅传感器30的识别率，进而提高了对光照强度的高分辨力。

其中，光纤光栅传感器30有2个，且分别对称设置在固定板的2个板面上；对波长的变化进行做差处理，以此有效地排除光纤光栅传感器30交叉敏感的干扰，排除温度对波长值的影响，使结果更加精确。

其中，光照采集单元10包括设置在户外的太阳能电池板，太阳能电池板与传感单元11电气连接；采光灵敏度高，且节能环保。

如图4所示，本发明提供了一种光照强度测量装置的具体应用例，如下：

光纤光栅传感器30除了具有普通光纤传感器的众多优点外，还有其特殊的优势。其中最重要的是它的传感信号为波长调制。因此自1989年首次报道将光纤光栅用作传感以来，受到了世界范围广泛重视和关注，至今已经取得了持续快速的发展，并且广泛地应用在航空、建筑等多个领域。

光纤光栅(FBG)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，避免了一般干涉型传感器中相对测量的不清晰和对固有参考点的需要，另外光纤光栅易于埋入材料中，对其内部的应变和温度进行高分辨力和大范围地测量。还具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、成本低、体积小、可埋入智能结构等一系列优点，无需有源供电。因此，基于光纤光栅传感技术的光照强度测量方法，能够克服照度计的不足之处。

太阳能电池板40来接收自然条件下的光照，结合转速传动结构和贴有光纤光栅、小磁铁的悬臂梁结构，共同组成了光照强度的测量装置，将对光照强度的测量巧妙地转化为对光纤光栅波长变化频率的测量。

太阳能电池板40作为光的感应部件，转速传动结构、应变悬臂梁结构是核心部分，附在悬臂梁两侧的光纤光栅是本发明的传感元件,附在悬臂梁自由端以及转动盘20上的小磁铁则是转速变化的感应元件。通过监测光纤光栅波长变化频率，可得知悬臂梁自由端的变化频率，该变化是由悬臂梁自由端的小磁铁和转动盘20上的小磁铁两者作用引起的，由变化频率可推出直流马达的转速，进一步得到电流的变化，由此可得到光照强度的变化量。双光纤光栅结构具有温补功能，可以解决光纤光栅的交叉敏感问题。

太阳能电池板40：与自然光直接接触，作为光的感应元件，同时将光能转化为电能，作为整个电路的电源供给。

转速传动结构：由直流电机22、转动盘20和转动磁铁21组成，直流电机22与电路串联，通电后直流电机22发生转动，直流电机22的输出轴连接圆盘。转动磁铁21固定于转动盘20上的某一点，用于与悬臂梁上的固定磁铁31相互作用，产生磁力。

附有双光纤光栅和固定磁铁31的悬臂梁结构：固定磁铁31受到转动盘20上转动磁铁21磁力的作用，带动悬臂梁自由端的形变，悬臂梁自由端的变化会带动光纤光栅中心波长的漂移。转动盘20每转一次磁铁间会受到一次力的作用。

具体地，装置的原理及工作方式如下：

太阳能电池板40与自然光直接接触，由于光照强度发生变化，太阳能电池板40的输出电流也会发生相应的变化。直流电机22在电流的变化下，转速也产生了相应的变化。连接直流电机22的转动盘20带动转动磁铁21一起转动，转动磁铁21的靠近和远离使得附在悬臂梁自由端的固定磁铁31受到的磁力发生变化，磁力带动悬臂梁自由端发生形变。转速不同时，发生形变的频率也不同。双光纤光栅沿着中心对称轴刚性地对称附着于悬臂梁的上下两个面，由于在悬臂梁结构下，光纤光栅的中心波长漂移量与悬臂梁自由端受力成较好的线性关系，因此监测到光纤光栅的中心波长变化频率，最终可得到对应的光照强度。

将太阳能电池板40与直流电机22串联在一起，直流电机22输出轴连接转动盘20，转动磁铁21固定于转动盘20上的某一个点，再将悬臂梁结构放置在转动盘20的上方，光纤光栅传感器30分别附在悬臂梁的两个面上，固定磁铁31则附着在悬臂梁的自由端,两个小磁铁对齐，并保持一定的距离(有较明显的磁力作用)。

该装置所使用的光纤光栅光照强度传感器具有无源化、抗电磁干扰、精度高、体积小、质量轻、扰抗腐蚀等特点，兼具有传感和传输的功能。

该装置采用了双光纤光栅结构，对波长的变化进行做差处理，以此有效地排除光纤光栅传感器30交叉敏感的干扰，排除温度对波长值的影响，使结果更加精确。该装置中的直流电机22通入电流，在一定范围内，通入的电流与电机的转速呈线性关系。

本发明的装置还可以作为光照数据测量部分应用于光照数据监测系统中，系统具体如下：

1)光照数据测量。数据测量部分包括太阳能电池板40、传动装置和光纤光栅传感器30。用于将实时监测的光照数据通过太阳能电池板40转换成电流，将电流通过直流电机22使得电机转动起来，电机输出轴连接的转盘上的小磁铁与悬臂梁上的小磁铁相互作用产生力的作用，引起应变传感器的响应。上述的核心部件是光纤光栅应变传感器；自然光照射到太阳能电池板40上，产生电流带动直流电机22转动，直流电机22带动与其连接的转盘的转动，转盘上粘附的小磁铁随转盘做圆周运动，应变悬臂梁是固定不动的，悬臂梁末端的小磁铁与圆盘上的小磁铁互相影响产生力，力作用于应变悬臂梁，引起悬臂梁上应变传感器的响应。直流电机22、转盘和磁铁构成传动装置。

2)数据传输。用于完成局端光源到应变传感器以及应变传感器到局端服务器的数据传输。相关数据传输是将局端的光源发出的光信号通过光纤通道传输至光纤光栅应变传感器，以及光纤光栅应变传感器将监测到的实时数据通过光纤通道传输至局端解调模块；数据传输通道将局端光源发出的光谱经光纤传输通道(OPGW或OPPC)传输到远端的FBG并将FBG对实测光照产生的应变信息而反射的相应的光谱信息传回到局端的光信息解调模块。光纤光栅应变传感器经耦合器与光纤传输通道串接在一起。

3)光信号的发射和接收。局端光源发射光谱信号，并通过光纤通道传输至远端的光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器反射与自身中心波长相匹配的光谱波长，并通过光纤通道传输至局端解调模块，解调模块探测到反射回来的信号光功率，并将光信号解调为波长编码的数字信号，将其传输至服务器；光信号的发射和接收模块包括光源和光信号解调模块。光源发射出窄带光谱，并经传输通道传至远端应变传感器，应变传感器反射回相应的应变波长至解调模块，解调模块探测出反射回的光信号功率，并将接收到的光信号解调成波长编码的数字信号。

4)数据处理。服务器将接收到的数字信号进行分析处理，获取光纤光栅应变传感器的应变频率，根据应变频率和实时光照强度的线性关系，确定光照强度的大小，从而实时监测光照的变化；光谱信号经解调模块的解调编码后，解调数据传输到服务器，服务器对获得的波长数据统计光纤光栅应变传感器的响应频率，并进行相应的噪声滤除，保留有效的信息。根据统计获得的应变传感器应变响应频率，计算得出相应的实时光照。

5)数据显示。经数据处理模块处理后的光照信息实时显示在局端显示器，从局端显示器即可观测实时光照；局端显示器用于将数据处理模块处理后，得到的在测光照信息实时的显示，使信息采集和数据对比更直观的显现，并可在前端进行测量值的实时修正，方便操作，简便易行。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅传感技术的光照强度测量装置，其特征在于，包括光照采集单元、传感单元及光纤光栅转换单元；

所述光照采集单元与所述传感单元电气连接，所述光照采集单元用于采集光能并转化为电流，将电流传输至所述传感单元；

其中，所述光照采集单元包括太阳能采集设备；

所述传感单元将电流转化为磁力变化频率，并与所述光纤光栅转换单元发生磁力作用；

所述光纤光栅转换单元固定设置在固定板上，磁力作用使得所述固定板发生位移，所述光纤光栅转换单元将所述固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率；

所述传感单元包括圆盘状的转动盘、转动磁铁及竖直放置的直流电机；

所述直流电机竖直放置且其设有输出轴的一侧朝上，且所述直流电机与所述太阳能采集设备电气连接；

所述转动盘的底面圆心处与所述输出轴的顶端固定连接；

所述转动磁铁固定设置在所述转动盘顶面的边缘处；

当所述直流电机运转时，传动轴带动所述转动盘转动，位于所述转动盘边缘处的转动磁铁发生位移，与所述光纤光栅转换单元产生磁力作用。

2.根据权利要求1所述的光照强度测量装置，其特征在于，所述光纤光栅转换单元包括均设置在所述固定板上的光纤光栅传感器及固定磁铁；

所述光纤光栅传感器设置在所述固定板上；

所述固定磁铁设置在所述固定板一端的板底上，且所述固定板另一端固定放置；

位于所述固定板一端板底的所述固定磁铁设置在所述转动盘的上方且与所述转动盘之间的距离大于零；

所述固定磁铁与所述转动磁铁之间的距离在磁力范围内，所述转动磁铁产生的磁力与所述固定磁铁发生磁力作用，使得设有固定磁铁的所述固定板发生位移，所述光纤光栅传感器将所述固定板发生位移而产生的应变的变化频率转化为光纤波长的变化频率。

3.根据权利要求2所述的光照强度测量装置，其特征在于，所述固定板为悬臂梁，所述悬臂梁包括一端固定设置的固定支座、及设置在固定支座另一端的自由端板；

所述光纤光栅传感器设置在所述悬臂梁的自由端板上；

所述固定磁铁设置在所述悬臂梁的自由端板上远离固定支座的一侧板底上。

4.根据权利要求2所述的光照强度测量装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器有2个，且分别对称设置在所述固定板的2个板面上。

5.根据权利要求2所述的光照强度测量装置，其特征在于，所述转动磁铁与所述固定磁铁均为形状相同的片状磁铁。

6.根据权利要求1所述的光照强度测量装置，其特征在于，所述太阳能采集设备包括设置在户外的太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述传感单元电气连接。