CN110806234A - 光纤光栅传感设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光纤光栅传感设备。该设备包括宽带光源、光纤光栅传感装置、参考光纤光栅传感装置和数据处理装置，光纤光栅传感装置和参考光纤光栅传感装置均连接宽带光源，光纤光栅传感装置和参考光纤光栅传感装置均连接数据处理装置。宽带光源向光纤光栅传感装置和参考光纤光栅传感装置发射光脉冲，光纤光栅传感装置设置于待测设备内部，根据光纤光栅传感装置在待测设备内部所处位置的温度和压力产生光反射，参考光纤光栅传感装置根据预设的条件产生光反射，数据处理装置对接收到的反射光进行分析比对，根据参考光纤光栅传感装置产生的反射光对光纤光栅传感装置产生的反射光进行校准得到检测结果，从而提高解调的精度和检测可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，特别是涉及一种光纤光栅传感设备。
背景技术
光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，可以将被测信息转化为布拉格光栅中心波长的移动，通过从测得的光信号中解调出中心波长飘移，就可以实现对被测信息的测量。光纤光栅传感器不受电磁干扰、灵敏度高、重复性好、重量轻，适于在高温、高腐蚀及其他危险环境下工作，因此光纤光栅传感器得到得了广泛的应用。
然而，在光纤光栅传感器的使用过程中，对波长信号的解调比较困难，且光纤光栅对温度和应力存在交叉敏感，产生非线性误差和交叉敏感误差，影响检测结果的准确性，检测可靠性低。
发明内容
基于此，有必要针对传统的光纤光栅传感器检测可靠性低的问题，提供一种光纤光栅传感设备。
一种光纤光栅传感设备，包括宽带光源、光纤光栅传感装置、参考光纤光栅传感装置和数据处理装置，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置均连接所述宽带光源，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置均连接所述数据处理装置；
所述宽带光源用于向所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置发射光脉冲，所述光纤光栅传感装置设置于待测设备内部，用于根据所述光纤光栅传感装置在所述待测设备内部所处位置的温度和压力产生光反射，所述参考光纤光栅传感装置的根据预设的条件产生光反射，所述数据处理装置对接收到的反射光进行分析比对，根据所述参考光纤光栅传感装置产生的反射光对所述光纤光栅传感装置产生的反射光进行校准得到检测结果。
上述光纤光栅传感设备，宽带光源向光纤光栅传感装置和参考光纤光栅传感装置发射光，光纤光栅传感装置根据光纤光栅传感装置在待测设备内部所处位置的温度和压力产生光反射，参考光纤光栅传感装置的根据预设的条件产生光反射，参考光纤光栅传感装置产生的反射光的参数信息是已知的，数据处理装置接收光纤光栅传感装置和参考光纤光栅传感装置发出的反射光并进行分析比对，以参考光纤光栅传感装置发出的反射光的参数信息为标准对光栅传感装置产生的反射光中的参数信息进行校准，从而提高解调的精度，提高光纤光栅传感设备的检测可靠性。
附图说明
图1为一个实施例中光纤光栅传感设备的结构框图；
图2为另一个实施例中光纤光栅传感设备的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，请参见图1，提供一种光纤光栅传感设备，该设备包括宽带光源110、光纤光栅传感装置120、参考光纤光栅传感装置130和数据处理装置140，光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130均连接宽带光源110，光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130均连接数据处理装置140。宽带光源110用于向光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130发射光脉冲，光纤光栅传感装置120设置于待测设备内部，用于根据光纤光栅传感装置120在待测设备内部所处位置的温度和压力产生光反射，参考光纤光栅传感装置130根据预设的条件产生光反射，数据处理装置140对接收到的反射光进行分析比对，根据参考光纤光栅传感装置130产生的反射光对光纤光栅传感装置120产生的反射光进行校准得到检测结果。参考光纤光栅传感装置130产生的反射光的参数信息是已知的，数据处理装置140接收光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130发出的反射光并进行分析比对，以参考光纤光栅传感装置130发出的反射光的参数信息为标准对光栅传感装置产生的反射光中的参数信息进行校准，从而提高解调的精度，提高光纤光栅传感设备的检测可靠性。
具体地，宽带光源110发射光脉冲，通过光纤传送到光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130，具体传送至光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130的光纤光栅，将光纤光栅传感装置120中的光纤光栅命名为传感光纤光栅，将参考光纤光栅传感装置130中的光纤光栅命名为参考光纤光栅，传感光纤光栅和参考光纤光栅均对入射的光进行选择性反射，其反射光波长和传感器的光栅结构有关。待测设备的具体类型并不是唯一的，光纤光栅传感装置120的设置位置也不是唯一的，例如当待测设备为压力容器时，压力容器内盛放有液体，光纤光栅传感装置120可设置于压力容器底部，与压力容器内的液体接触设置，可以感应到液体的温度和压力，传感光纤光栅受在待测设备内部所处位置的温度和压力影响，光栅周期和纤芯的有效折射率发生变化，反射光的波长产生相应变化，反射光的变化可以从传感光纤光栅的反射光谱中检测出来，将改变后的波长与检测前的波长进行比较，可以得到波长变化量，数据处理装置140对波长变化量进行计算分析后可以得到待测设备的校准后的温度和压力大小。参考光纤光栅根据预设的条件产生光反射，因此参考光纤光栅传感装置130产生的反射光的参数信息是已知的。预设的条件并不是唯一的，例如可以为固定波长，以参考光纤光栅的波长固定为例，数据处理装置140对接收到的反射光进行分析比对，数据处理装置140峰值输出时宽带光源110的输出波长等于参考光纤光栅的反射光波长，通过此时对应的驱动电压和参考光纤光栅的波长可以建立波长与驱动电压的关系式，利用该关系式对光纤光栅传感装置120产生的反射光进行校准，具体为，数据处理装置140将接收到的来自传感光纤光栅的检测波峰与来自参考光纤光栅的参考波峰进行对比获取波峰的相对位置，参考波峰对应的驱动电压是已知的，进而可通过相对位置确定检测波峰出现时对应的电压值，根据该电压值确定光纤光栅传感装置120接收的光的波长，数据处理装置140根据光纤光栅传感装置120接收的光的波长和反射的光的波长得到波长变化量，由数据处理装置140对波长变化量进行计算分析后可以得到待测设备的校准后的温度和压力大小，实现对传感光纤光栅所处位置的待测设备的压力和温度检测，从而提高解调的精度，提高检测可靠性。进一步地，还可以采取其他措施避免参考光纤光栅传感装置130受到外界环境对其造成影响，例如将参考光纤光栅传感装置130用隔热材料封装以隔绝外界温度的影响，用玻璃管进行封装以隔绝外部作用力对其的影响等，以使检测结果更加准确。可以理解，在其他实施例中，也可以采取其他措施对参考光纤光栅进行处理，只要本领域技术人员认为可以实现即可。
在一个实施例中，请参见图2，光纤光栅传感设备还包括光耦合器150，光耦合器150连接宽带光源110，光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130均连接光耦合器150。光耦合器150是一种全光纤器件，它既具有光纤光栅优良的光谱特性,又兼有光纤耦合器多端口的特点,可用于多端口输入输出，克服了光纤光栅后向反射式工作的缺点,是一种插入损耗小、波长选择性好的偏振无关器件。
具体地，宽带光源110发射出来的光脉冲经过耦合器分成两路，其中一路光进入光纤光栅传感装置120，另一路光进入参考光纤光栅传感装置130，光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130的反射光均被数据处理装置140接收，数据处理装置140将光纤光栅的反射光转换成电信号，然后计算得到反射光的波长。进入传感光纤光栅后传回的光信号经过被测设备的被测物理量(如温度、压力等)的作用，中心波长会发生移动，根据波长等参数的变化可以计算得到被测设备的参数信息，实现对被测设备的检测。通过光耦合器150的使用，不仅可以提供多个连接端口，使用便捷，且可以减小光纤光栅传感装置120所在通道和参考光纤光栅传感装置130所在通道的信号产生相互干扰，提高检测结果的准确性。
在一个实施例中，请参见图2，光纤光栅传感设备还包括光滤波器160，宽带光源110通过光滤波器160连接光耦合器150。光滤波器160是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，以满足具体的测试需求。
具体地，宽带光源110将宽带光传输至光滤波器160，光滤波器160将接收到的宽带光转换成为扫频的窄带光，窄带光的波长在整个光源带宽内周期性变化，在一个变化周期内窄带光的波长随时间从最小波长逐渐变到最大波长。光滤波器160滤波后的光经过光耦合器150分成两路，其中一路光进入光纤光栅传感装置120的传感光纤光栅，另一路光进入参考光纤光栅传感装置130的参考光纤光栅，当光滤波器160的导通中心波长与参考光纤光栅的布拉格波长相等时，参考光纤光栅的反射光进入数据处理装置140，数据处理装置140将这一光纤光栅的反射光变换成电信号，这个信号的峰值对应于从这一光纤光栅反射回的波长。进入传感光纤光栅后传回的光信号经过被测设备的被测物理量(如温度、压力等)的作用，中心波长会发生移动，根据波长等参数的变化可以计算得到被测设备的参数信息，实现对被测设备的检测。
在一个实施例中，光滤波器160为可调式F-P滤波器。具体地，可调式F-P滤波器连接宽带光源110和光耦合器150，用光耦合器150导引光纤光栅传感装置120或参考光纤光栅传感装置130的部分反射光进入可调式F-P滤波器，通过改变F-P腔的腔长，可以产生周期性变化的不同波长输出，改变F-P滤波器的导通频带。宽带光源110和F-P滤波器组成可调谐光源，可调谐光源产生的光经过光耦合器150分别扫描光纤光栅装置和参考光纤光栅传感装置130，进入传感光纤光栅后发出的光信号经过被测设备的被测物理量(如温度、压力等)的作用，中心波长会发生移动，根据波长等参数的变化可以计算得到被测设备的参数信息，实现对被测设备的检测，进入参考光纤光栅后发出的光可以用于对光栅传感装置产生的反射光中的参数信息进行校准，从而提高解调的精度，提高光纤光栅传感设备的检测可靠性。可调式F-P滤波器体积小，温度稳定性好，且成本较低，可满足多种需求。可以理解，在其他实施例中，光滤波器160也可以采用其他类型的器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。
在一个实施例中，请参见图2，光纤光栅传感设备还包括光隔离器170，参考光纤光栅传感装置130通过光隔离器170连接光耦合器150。光隔离器170可以有效隔离参考光纤光栅传感装置130返回至耦合器的光，提高光波传输效率。
具体地，光隔离器170基于法拉第旋转的非互易性，它对沿正向传输的光信号衰减很小而对沿相反方向传输的光信号衰减很大，构成光的单向通路，在本实施例中，光隔离器170对从耦合器传送至参考光纤光栅传感装置130的光信号衰减很小，对从参考光纤光栅传感装置130传送至耦合器的光信号损耗高，隔离度高，因此可以对光信号的传输方向进行限制，使光只能单方向从耦合器传输至参考光纤光栅传感装置130，避免了从参考光纤光栅传感装置130返回至耦合器的光信号影响光耦合器150的工作稳定，提高光纤光栅传感设备的工作性能。
在一个实施例中，请参见图2，光纤光栅传感装置120包括光纤光栅传感器121，光纤光栅传感器121的数量为两个以上，各光纤光栅传感器121依次串联设置后一端连接宽带光源110，另一端连接数据处理装置140。多个光纤光栅传感器121可以检测得到多个数据，使光纤光栅传感设备的检测更加全面。
具体地，各个光纤光栅传感器121可以检测相同类型的数据或不同类型的数据。当各个光纤光栅传感器121检测相同的数据时，各个光纤光栅传感器121可根据所处位置的不同检测待测设备的不同位置的数据，例如，当各个光纤光栅传感器121均检测温度时，可分别设置于待测设备的底部、中部或顶部等，以实现对待测设备各个位置处的温度检测，当各个光纤光栅传感器121均检测压力时，以待测设备为盛放有液体的压力容器为例，各个光纤光栅传感器121可分别设置于压力容器的底部或压力容器的侧壁的不同位置，以检测压力容器的底部压力和不同深度处的压力，由于存在液体和不存在液体处的压力是不一样的，结合各个光纤光栅传感器121检测得到的压力信息和已知的液体密度信息还可以计算得到压力容器的液位信息。此外，各个光纤光栅传感器121检测相同的数据还可以用来检测待测设备的各个位置是否各环境参数相同，可用于评判待测设备的性能。
当各个光纤光栅传感器121检测不同的数据时，可将各个光纤光栅传感器121设置于不同的封装材料中以实现对对应参数的检测，例如，将光纤光栅传感器121设置于隔热的封装材料中避免温度的影响，可实现对压力的检测，或者，将光纤光栅传感器121设置于玻璃管中避免压力的影响，可实现对温度的检测等等，封装材料的类型和结构有多种，在此不一一列举，只要本领域技术人员认为可以实现即可。检测不同数据的各个光纤光栅传感器121可设置于待测设备的不同位置，以实现对不同位置出的对应参数的检测，或者检测不同数据的各个光纤光栅传感器121也可设置于待测设备的相同位置，以实现对同位置的不同参数的检测，具体根据实际需求决定。各个光纤光栅传感器121接收到来自宽带光源110的光脉冲后，根据在待测设备内所处位置处的环境参数不同产生不同的光反射，反射的光均传输至数据处理装置140，数据处理装置140对这些反射光进行分析以得到不同光纤光栅传感器121检测得到的参数值，区分不同来源的反射光的方式并不是唯一的，例如可通过接收到反射光的时间来区分反射光的具体来源，一般来说，离数据处理装置140越远的光纤光栅传感器121传输的距离越远，接收到反射光的时间越长，以此类推。可以理解，在其他实施例中，也可以采用其他方式对采集到的光信号进行分析，只要本领域技术人员认为可以实现即可。
在一个实施例中，光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130中光纤光栅的长度不同。具体地，将光纤光栅传感装置120中的光纤光栅命名为传感光纤光栅，将参考光纤光栅传感装置130中的光纤光栅命名为参考光纤光栅，传感光纤光栅和参考光纤光栅均通过光纤连接数据处理装置140，数据处理装置140接收来自不同通道的传感光纤光栅和参考光纤光栅，当传感光纤光栅和参考光纤光栅的长度不同时，接收到宽带光源110发出的光脉冲后，光脉冲传输的路径不一样，导致光脉冲的参数发生改变，这样数据处理装置140接收到的来自传感光纤光栅和参考光纤光栅的反射光是不一样的，可以更方便区分两路反射信号，使检测更加便捷。
在一个实施例中，请参见图2，数据处理装置140包括光电探测器141和数据采集装置142，光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130均连接光电探测器141，光电探测器141连接数据采集装置142。光电探测器141将接收到的光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130发射的光信号转化为电信号后传输给数据采集装置142进行处理，实现对待测设备的检测。
具体地，当宽带光源110发射的光的中心波长与传感光纤光栅或参考光纤光栅的布拉格反射中心波长相同时，光电探测器141探测到的光信号最强，光电转换的电压最大，光电探测器141将转换后的电信号发送至数据采集装置142进行数据采集、峰值检测及数据处理，根据波长与电压的对应关系，可通过测得的电压值计算得出传感光纤光栅或参考光纤光栅反馈回的波长值。当传感光纤光栅所处位置的被测物理量如温度或者是压力发生改变时，相应的反射光的波长也会发生改变，可根据检测出的反射波长的改变获取对应被测物理量的变化。光电探测器141的类型并不是唯一的，例如可以为光电二极管，光电二极管可以把光信号转换成电信号，且寿命长，成本低。可以理解，在其他实施例中，光电探测器141也可以为其他类型器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。
在一个实施例中，请参见图2，数据处理装置140还包括放大电路装置143，放大电路装置143一端连接光电探测器141，另一端连接数据采集装置142。放大电路装置143将光电探测器141转换后的电信号进行放大，以使数据采集装置142能更好地实现信息采集。
具体地，放大电路装置143接收来自光电探测器141的电信号后，可以将电信号中的微弱信号放大至数据采集装置142可以采集到的幅度值，且放大后的信号不会失真，与原输入信号变化规律一致。光电探测器141通过放大电路装置143连接数据采集装置142，可以减少由于光电探测器141的输出电信号强度过小导致不能被数据采集装置142采集到，从而可以提高检测的准确性。放大电路装置143的结构并不是唯一的，例如可以为放大器，可扩展地，放大电路装置143除了具有信号放大的功能之外，还可以根据需求增加其他电路结构以满足更多需求，例如放大电路装置143还包括滤波电路，用于滤除信号中的杂波，以提高信号的纯度。
在一个实施例中，光纤光栅传感设备还包括电源装置，宽带电源和数据处理装置140均连接电源装置。电源装置用于给宽带电源和数据处理装置140供电以使宽带光源110和数据处理装置140可以正常工作。具体地，电源装置可以包括控制器和供电电路，控制器连接供电电路，供电电路连接宽带电源和数据处理装置140，供电电路用于根据控制器发送的控制信号给宽带电源和数据处理装置140供电，以使宽带电源和数据处理装置140正常工作。控制器可以设置宽带电源和数据处理装置140工作的时间，使宽带电源和数据处理装置140的工作时长达到设定时间后断电，处于停机状态，从而实现光纤光栅传感设备自动关机，使用便捷。电源装置也可以只用于接入电源后给宽带电源和数据处理装置140供电，例如可以为蓄电池，蓄电池充电后可以存储电能，使光纤光栅传感设备既使在断电的环境下也能维持正常工作，提高光纤光栅传感设备的工作可靠性。
上述光纤光栅传感设备，宽带光源110向光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130发射光，光纤光栅传感装置120根据光纤光栅传感装置120在待测设备内部所处位置的温度和压力产生光反射，参考光纤光栅传感装置130的根据预设的条件产生光反射，参考光纤光栅传感装置130产生的反射光的参数信息是已知的，数据处理装置140接收光纤光栅传感装置120和参考光纤光栅传感装置130发出的反射光并进行分析比对，以参考光纤光栅传感装置130发出的反射光的参数信息为标准对光栅传感装置产生的反射光中的参数信息进行校准，从而提高解调的精度，提高光纤光栅传感设备的检测可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光纤光栅传感设备，其特征在于，包括宽带光源、光纤光栅传感装置、参考光纤光栅传感装置和数据处理装置，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置均连接所述宽带光源，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置均连接所述数据处理装置；所述光纤光栅传感装置包括光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器的数量为两个以上，各所述光纤光栅传感器依次串联设置后一端连接所述宽带光源，另一端连接所述数据处理装置；
所述宽带光源用于向所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置发射光脉冲，所述光纤光栅传感装置设置于待测设备内部，用于根据所述光纤光栅传感装置在所述待测设备内部所处位置的温度和压力产生光反射，所述参考光纤光栅传感装置根据预设的条件产生光反射，所述数据处理装置对接收到的反射光进行分析比对，根据所述参考光纤光栅传感装置产生的反射光对所述光纤光栅传感装置产生的反射光进行校准得到检测结果。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括光耦合器，所述光耦合器连接所述宽带光源，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置均连接所述光耦合器。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，还包括光滤波器，所述宽带光源通过所述光滤波器连接所述光耦合器。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述光滤波器为可调式F-P滤波器。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，还包括光隔离器，所述参考光纤光栅传感装置通过所述光隔离器连接所述光耦合器。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述参考光纤光栅传感装置的光纤光栅的波长固定。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置中光纤光栅的长度不同。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述数据处理装置包括光电探测器和数据采集装置，所述光纤光栅传感装置和所述参考光纤光栅传感装置均连接所述光电探测器，所述光电探测器连接所述数据采集装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述数据处理装置还包括放大电路装置，所述放大电路装置一端连接所述光电探测器，另一端连接所述数据采集装置。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括电源装置，所述宽带电源和所述数据处理装置均连接所述电源装置。
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