CN108519166A - 一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及弱光栅在线监测系统技术领域，特指一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，包括扫频光源、光环形器、光纤、全同弱光栅阵列、消除光纤端面反射装置、光纤传输光缆、信号解调单元、计算机与显示屏，扫频光源连接于光环形器的第一端口，光环形器的第二端口通过光纤连接于全同弱光栅阵列的弱光栅首端，弱光栅末端连接于消除光纤端面反射装置，光环形器的第三端口连接于光纤传输光缆，光纤传输光缆连接于信号解调单元，信号解调单元连接于计算机，计算机连接于显示屏，光纤通过特制的光纤夹具固定在被测介质上，全同弱光栅阵列均匀分布于被测介质上，根据监测需要通过温度传感单元与振动传感单元自行定制温度与振动传感点。

Description

一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统

技术领域

本发明涉及弱光栅在线监测系统技术领域，特指一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统。

背景技术

在轨道方面，我国轨道交通行业发展日趋强大，它不仅方便人们出行也推动着我国经济的发展，尤其是我国高铁，在国际上成为我国象征性的标志。随着列车的提速，以及列车运行的高效化，列车的安全性能更加引起人们的关注，尤其在对列车的实时追踪、智能定位和对轨道占用识别监测的方面。在管道方面，社会发展以及人民生活方面管道系统应用广泛，但每年由于管道泄漏造成的经济损失十分巨大，并产生了严重的社会影响，甚至威胁到民众的安全，所以管道的温度监测、泄漏监测方面显得极其重要，在建筑周界方面，随着人们安全意识逐渐提高，一些易燃易爆周界、重要建筑周界、特殊场所周界的安全问题引起社会的广泛关注。

目前，轨道、管道、建筑周界等方面的监测方法有：1.中国专利(专利号200710175343.1)“基于光纤光栅的车辆运行监测系统”中所介绍的监测方法是用光纤光栅传感器，成本高，且传感器布置距离大，无法精确识别轨道的占用情况，将传感器固定在轨道上的夹具破坏了钢轨的力学结构，对列车运行造成很大的安全隐患；2.中国专利(专利号201610365373.8)“一种音波管道泄漏监测系统”中所介绍的监测方法是在管道的首端和末端分别设置音波泄漏监测仪，采集管道的泄漏信号然后进行数据传输、处理并进行报警。但该发明内容中所述的传感器为电类传感器，该类传感器易受电磁干扰，不具备防爆功能，该类传感器组网困难，此外，采用该电类传感器测量具有灵敏度不高、不耐高温，抗腐蚀性差等缺点；3.吴慧娟(吴慧娟等，一种新型光纤光栅围栏防火防入侵同步预警系统，光子学报，2011，40(11)：1671-1676)提出了一种新型光纤光栅围栏防火入侵同步预警系统，整个监测系统将FBG光纤光栅传感器挂设在周界围栏上或埋在地下，以利用采集到的信号变化趋势和特征来判断火灾或入侵的发生情况，并进行报警。但该发明内容中所述的监测系统监测精度低，空间分辨率低，传感器复用数量十分有限，导致系统成本较高。

目前，传统的轨道、管道、建筑周界待方面的监测技术，这些技术的共同特点都是基于电子技术实现的，因此在采用这些技术或设备时容易受到电磁场、外界环境及天气的干扰，针对现有电子设备所存在的问题，人们先后研究出了基于温度、压力、拉力等光纤传感技术方面的监测系统，但是用分布的全同弱光栅智能阵列在振动定位与温度监测方面尚未见到相关的报道。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，由于光纤传感本身具有抗电磁干扰，可在恶劣环境中工作，测量灵敏度高和精度高，便于组网等优点，且分布式的全同弱光栅阵列可以大大缩小光栅间距，使监测更加精确，采用本监测系统能够精确监测轨道(轨道监测，车辆跟踪)、管道(管道温度监测，泄露监测)、建筑周界(火灾报警、入侵安防)等方面的情况，提高列车运行效率，保证列车运行安全，实时精确监测管道温度及泄漏情况，实现火灾、入侵安防报警等功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，包括扫频光源、光环形器、光纤、全同弱光栅阵列、消除光纤端面反射装置、光纤传输光缆、信号解调单元、计算机与显示屏，扫频光源连接于光环形器的第一端口，光环形器的第二端口通过光纤连接于全同弱光栅阵列的弱光栅首端，全同弱光栅阵列的弱光栅末端连接于消除光纤端面反射装置，光环形器的第三端口连接于光纤传输光缆，光纤传输光缆连接于信号解调单元，信号解调单元连接于计算机，计算机连接于显示屏，光纤通过特制夹具固定在被测介质上，全同弱光栅阵列均匀分布于被测介质上，并根据监测需要通过温度传感单元与振动传感单元自行定制温度与振动传感点。

进一步而言，所述温度传感单元采用无外力影响安装方式，所述温度传感单元与振动传感单元共享一根光纤链路。

进一步而言，所述振动传感单元的振动监测方式是通过振动信号的时域与频域特征共同定位振源。

进一步而言，所述全同弱光栅阵列采用空分复用方式。

进一步而言，所述全同弱光栅阵列包括多个均匀分布的弱光栅，所述多个弱光栅之间的物理间距最小可达2m。

进一步而言，所述全同弱光栅阵列在拉丝的过程中完成光栅的刻写和涂覆。

进一步而言，所述信号解调单元采用的解调方法为干涉信号解调。

进一步而言，所述计算机上设有模式识别软件分析系统。

本发明有益效果：

本发明利用全同弱光栅阵列分布式监测振动干涉信号，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、防爆、频带宽、损耗低、精度高等特点，成功解决了传统的电路监测方法受环境影响很大、电路可能出现断路或者短路、定位不精确等问题，能全程在线精确监测被测物的状态，提高道路、管道、周界、建筑等的安全防范等级，保证公共财产的安全。

附图说明

图1是本发明整体结构图；

1.扫频光源；2.光环形器；21.第一端口；22.第二端口；23.第三端口；3.光纤；4.全同弱光栅阵列；41.弱光栅首端；42.弱光栅末端；5.消除光纤端面反射装置；6.光纤传输光缆；7.信号解调单元；8.计算机；9.显示屏。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明所述一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，包括扫频光源1、光环形器2、光纤3、全同弱光栅阵列4、消除光纤端面反射装置5、光纤传输光缆6、信号解调单元7、计算机8与显示屏9，扫频光源1连接于光环形器2的第一端口21，光环形器2的第二端口22通过光纤3连接于全同弱光栅阵列4的弱光栅首端41，全同弱光栅阵列4的弱光栅末端42连接于消除光纤端面反射装置5，光环形器2的第三端口23连接于光纤传输光缆6，光纤传输光缆6连接于信号解调单元7，信号解调单元7连接于计算机8，计算机8连接于显示屏9，光纤3通过特制夹具固定在被测介质上，全同弱光栅阵列4均匀分布于被测介质上，并根据监测需要通过温度传感单元与振动传感单元自行定制温度与振动传感点。光在光纤上传输，第i+1个弱光栅反射回来的光与第i个弱光栅反射回来的光反生干涉，当在第i个弱光栅与第i+1个弱光栅的敏感区内的任意位置有振动发生时，待测介质的受迫振动导致监测光栅的波长、相位与强度会产生相应的变化，不同种类的振对干涉信号的影响程度不同，这与受迫振动信号的来源有关。携带这些变化参量的光被弱光栅反射后通过光环形器2、光纤传输光缆6反向传至信号解调单元7，解调出的信号通过网络接口传输给计算机主，计算机8的模式识别软件分析系统首先根据预先设定将温度和振动传感信号进行区分，计算出振动发生的准确位置及振动速度、加速度、振动烈度等振动参数，积累海量的振动数据，实现对振动类型的模式识别，同时实现整个链路上的温度趋势在线监测，然后在显示屏9上面进行显示或接入其它可接入网络系统。该系统具备多种接口，便于接入其它监测系统，也便于组网，以实现远距离分布式在线监测，该系统还具有自动滤除温度影响的特点，物体受迫振动频率远高于环境温度变化频率，通过采取实时取基准的方法，在时域与频域内能够自动波除环境温度的影响，该系统还具有较强的抗环境干扰的功能，系统户外无源，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、防爆、频带宽、损耗低、精度高等特点。

更具体而言，所述温度传感单元采用无外力影响安装方式，所述温度传感单元与振动传感单元共享一根光纤链路。光栅阵列智能振动定位与温度监测系统是利用对传感单元的配置实现温度与振动同时监测的系统，一根光纤上既有振动传感单元也有温度传感单元，对振动传感光栅预加一定的拉力以便能够精确识别振动信号，温度传感单元无需张拉力，振动传感单元与温度传感单元共享一根光纤路，以实现温度与振动的同时精确监测。

更具体而言，所述振动传感单元的振动监测方式是通过振动信号的时域与频域特征共同定位振源。在时域内，通过阈值的设定与基准的拾取做初步判定，在频域内，将数据进行快速傅里叶变换，通过振动信号的幅频特征与时频特性实现对振动的监测。

更具体而言，所述全同弱光栅阵列4采用空分复用方式。在同一光纤上分布同一种波长的弱光栅阵列，根据监测距离，光栅容量与光栅栅距可定制，每个波段复用率达到上万个传感点，一条光纤光栅阵列传感容量可达3万-5万个点，有效提高系统的空间分辨率和传感容量，适合长距离、高分辨率监测。

更具体而言，所述全同弱光栅阵列4包括多个均匀分布的弱光栅，所述多个弱光栅之间的物理间距最小可达2m。监测距离非常小，监测精度高，相对于监测距离来讲，全同弱光栅阵列的监测方式为准分布监测。

更具体而言，所述全同弱光栅阵列4在拉丝的过程中完成光栅的刻写和涂覆。具有更高的机械强度和力学结构，在安装和张拉过程中不易损坏。

更具体而言，所述信号解调单元7采用的解调方法为干涉信号解调。利用全同弱光栅反射信号光之间的干涉现象实现分布式在线监测，结合OTDR原理实现光栅物理位置和干涉信号的解调。

更具体而言，所述计算机8上设有模式识别软件分析系统。模式识别软件分析系统能根据预先设定将温度和振动传感信号进行区分，智能计算出振动发生的准确位置及振动速度、加速度、振动烈度等振动参数，模式识别软件分析系统还可通过友好的人机交互界面全天候在线通报被测介质各个区域的振动与温度趋势分布情况，可实现积累海量的振动数据，实现对振动类型的模式识别，同时实现整个链路上的温度趋势在线监测。

更具体而言，所述特制的光栅夹具既能拉紧光栅，使之具有一定的张力，光损耗低，较高的灵敏度，能精确的监测到振动信号，又不损坏被测物，方便安装。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：包括扫频光源(1)、光环形器(2)、光纤(3)、全同弱光栅阵列(4)、消除光纤端面反射装置(5)、光纤传输光缆(6)、信号解调单元(7)、计算机(8)与显示屏(9)，所述扫频光源(1)连接于光环形器(2)的第一端口(21)，所述光环形器(2)的第二端口(22)通过光纤(3)连接于全同弱光栅阵列(4)的弱光栅首端(41)，所述全同弱光栅阵列(4)的弱光栅末端(42)连接于消除光纤端面反射装置(5)，所述光环形器(2)的第三端口(23)连接于光纤传输光缆(6)，所述光纤传输光缆(6)连接于信号解调单元(7)，所述信号解调单元(7)连接于计算机(8)，所述计算机(8)连接于显示屏(9)，所述光纤(3)通过特制的光栅夹具固定在被测介质上，所述全同弱光栅阵列(4)均匀分布于被测介质上，并根据监测需要通过温度传感单元与振动传感单元自行定制温度与振动传感点。

2.根据权利要1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述温度传感单元采用无外力影响安装方式，所述温度传感单元与振动传感单元共享一根光纤链路。

3.根据权利要1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述振动传感单元的振动监测方式是通过振动信号的时域与频域特征共同定位振源。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述全同弱光栅阵列(4)采用空分复用方式。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述全同弱光栅阵列(4)包括多个均匀分布的弱光栅，所述多个弱光栅之间的物理间距最小可达2m。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述全同弱光栅阵列(4)在拉丝的过程中完成光栅的刻写和涂覆。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述信号解调单元(7)采用的解调方法为干涉信号解调。

8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅阵列智能振动定位与温度监测系统，其特征在于：所述计算机(8)上设有模式识别软件分析系统。