CN116697924A - 一种阵列式光纤光栅多参量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体提供了一种阵列式光纤光栅多参量传感器，通过对区域范围内的温度值、压力值进行同步监测，利用温度、压力值补偿应变值，可以剔除水工建筑物应变敏感光栅受到的环境温度、压力参量串扰影响，提高应变参量监测精度；通过三合一合束器将三路光栅信号合束，由统一一个解调器进行解调，通过对三路光栅的周期进行设计，可以使得信号峰值位置在光谱波长域上彼此分离，可以由一个解调器进行高精度解调，彼此不存在解调时的信号交叠影响。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种阵列式光纤光栅多参量传感器。
背景技术
台风、暴雨、潮汐等会对港口堤坝造成损伤，产生的经济损失，各对方对防洪堤、海堤的安全检查要求也越来越严格。目前大部分堤坝监测方式是通过人工观测与人工巡检相结合的方式，以保证堤坝的安全。而人工观测和坝区巡检受坝体区环境、天气、光线影响、观测精度低、劳动强度大、观测受环境影响大，特别是在汛期或台风多发期的情况下，这种人工观测方式已经无法满足堤坝安全监测的需要，严重影响安全管理水平，因此急需能够对堤坝进行实时、连续监测的技术产品。而传感器就是一种港口基础设施长期性能观测网的底层支撑技术和装备，但是现有传感器存在高盐高湿及海洋环境适用性差、台风风暴强冲击抵抗力弱、使用寿命短（低于1年）等问题。而产生高盐高湿及海洋环境适用性差、台风风暴强冲击抵抗力弱等问题的主要原因是：由于海洋环境下温度、压力、应变等多物理场相互耦合，使得应用环境条件复杂，传统传感技术不可避免会遭遇解调精度降低，甚至失效的问题。
因为，目前用于海洋环境检测的传感器大多为两个传感器组合形成的复合式传感器，例如申请号为CN53405720A，专利名称为一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器。本发明根据鱼体的仿生学原理，设计有两个金属片组成的骨架、测温金属丝和骨架内测温金属腔，在阴面金属片的中轴线内外设置光纤光栅，利用金属片正反变形原理消除温度对光栅的影响，实现温度自补偿的压力检测；通过测温金属丝和特殊结构的测温腔封装，消除外在压应力、内部热应力、冲击惯性力对光栅的影响，实现温度测量。上述专利便是介绍了一种温度和压力的复合式传感器。
但是，对于这些单个传感器检测或者两个传感器组合检测的方式而言，在具体使用时还存在着一些不足：
首先，对水工建筑物来说，应变是个重要的结构健康监测参量，但是水工建筑物所处环境复杂，受到外界温度、海水涨潮落潮水压，浪拍击，使得温度、压力、应变三种参量同时作用于传感器，而单个光纤光栅传感器本身无法分辨其信号是由哪种参量作用导致的信号变化，因此采用单个传感器或两个传感器组合的复合式传感器无法测得所有需要的数据，即无法满足需要检测的物理量要求；
其次，对于现有复合式光栅光纤传感器，对于每个传感器均配置一个解调器，由于解调器在生产过程中存在工艺误差，使得不同解调器的实际解调标准与理论解调标准存在误差，当传感器的数量越多，则需要的解调器的数量越多，使得复合式光栅光纤传感器的检测精度越低，且多个解调器的设置同时还意味着成本的提高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种阵列式光纤光栅多参量传感器，其再保证传感器检测精度的基础上，可根据需要设置传感器的个数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种阵列式光纤光栅多参量传感器，包括
基板，所述基板表面连接有托起机构；
光纤光栅传感器一，所述光纤光栅传感器一通过设于两端的焊点与基板活动连接，所述光纤光栅传感器一能够检测得到水下应变、环境温度以及压力值；
光纤光栅传感器二，所述光纤光栅传感器二自由设置在基板上，使得所述光纤光栅传感器二仅能检测水下环境温度；
光纤光栅传感器三，所述光纤光栅传感器三设置在光纤光栅传感器一远离基板一侧，所述光纤光栅传感器三与托起机构固定连接，所述光纤光栅传感器三能够检测得到水下压力值和环境温度；
光纤三合一合束器，光纤光栅传感器一、光纤光栅传感器二以及光纤光栅传感器三所检测的信号光束通过光纤三合一合束器合为一束光；
解调器，经由光纤三合一合束器输出的光束，传输至调解器进行解调；
根据波峰位置对应的峰值波长，实现对应变的检测。
作为优选，所述基板的表面设有多个限定器，所述限定器上设有限定槽；当光纤光栅传感器二自由设置在基板上时，每个所述限定器均通过对应的限定槽对光纤光栅传感器二的运动轨迹进行限制。
作为优选，所述基板表面固定设置有空心导管，所述光纤光栅传感器二穿设于空心导管内。
作为优选，所述托起机构包括设置于基板表面的拱形臂，所述拱形臂的表面设有用于对光纤光栅传感器三进行限位的限位槽。
作为优选，所述光纤光栅传感器三设置在拱形臂的顶点。
作为优选，所述光纤光栅传感器一、所述光纤光栅传感器二、所述光纤光栅传感器三的纤芯调制周期不同。
作为优选，所述光纤光栅传感器一两端的焊点通过微离焦激光焊接技术加工而成。
本发明的有益效果是，
1.本发明公开的阵列式光纤光栅多参量传感器，根据三个光纤光栅传感器的光束信号，通过光纤三合一合束器，三束光由于对应的光纤光栅周期不同，受周期调制的反射光谱波峰波长区段不同，也就形成了对应三个光栅周期的三个波峰，通过设置一个解调器解调出三个波峰的位置，根据波峰位置对应的峰值波长，即可分别获得待测物理量的准确值，实现三个光纤光栅传感器的光束信号的解调，在满足传感器多参量数据采集的同时，解决了目前复合式传感器使用多个解调器存在的检测精度低的问题，同时相较于一个光纤光栅传感器对应一个解调器的方式，设置一个解调器解对多个光纤光栅传感器进行解调的方式，降低了使用成本；
2.本发明通过焊点连接光纤光栅传感器与工字板可同时检测水下应变、环境温度两种海洋参量，具体为：通过海水作用于光纤光栅上的拉力，可检测海洋环境中的水下应变值；传感器直接与海水接触，又可以检测环境温度，因此通过一种布置方式，同时获得两种海洋环境参量。
3.本发明通过将光纤光栅传感器固定在托起机构上可同时检测水下压力值和环境温度，具体的：传感器与托起机构之间的相互作用可用于检测水下压力值，传感器直接与海水接触，又可以检测环境温度，因此通过一种布置方式，同时获得两种海洋环境参量。
4. 本申请通过设置三个传感器，可对区域范围内的温度值、压力值进行同步监测，利用温度、压力值补偿应变值，可以剔除水工建筑物应变敏感光栅受到的环境温度、压力参量串扰影响，提高应变参量监测精度。
5.本发明中通过将光纤光栅传感器三置于拱形臂上来预防侧面海水对光纤光栅传感器三的冲击，具体的，当光纤光栅传感器三进行固定时，直接将光纤光栅传感器三设于限位槽内且处于设置在弓形结构的弓顶位置，如此设置的光栅传感器三可通过带有限位槽的拱形臂以防止海水对传感器带来的拉应力，保证传感器只受到海水压力以及温度变化的影响。
6、本发明中采用的光纤光栅传感器由于其为玻璃材料，在水中耐腐蚀性比电学传感器更高，即本发明中采用的光纤传感器其使用寿命长，可靠性强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中的整体结构示意图；
图2是本发明中的光纤光栅传感器二设置在基板上的第一实施例示意图；
图3是本发明中的光纤光栅传感器二设置在基板上的第二实施例示意图。
附图标记：1、光纤光栅传感器一；2、光纤光栅传感器二；3、光纤光栅传感器三；4、基板；5、空心导管；6、拱形臂；7、限位槽；8、限定器；9、焊点。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示，本发明提供了一种阵列式光纤光栅多参量传感器的实施例。
具体的，所述阵列式光纤光栅多参量传感器，
包括基板4，基板4表面连接有托起机构；
光纤光栅传感器一1，光纤光栅传感器一1通过设于两端的焊点9与基板4活动连接；通过上述连接方式，使得光纤光栅传感器一1能够同时检测得到水下应变、环境温度以及压力值。具体的，通过海水作用于光纤光栅传感器一1上的拉力，可检测海洋环境中的水下应变值；光纤光栅传感器一1直接与海水接触，又可以检测环境温度，海洋环境下的压力作用于基板4上，使基板4产生形变，对设置在基板4上的光纤光栅产生拉伸力，可检测水下压力。
光纤光栅传感器二2，光纤光栅传感器二2自由设置在基板4上，使得光纤光栅传感器二2仅能检测水下环境温度；
光纤光栅传感器三3，光纤光栅传感器三3设置在光纤光栅传感器一1远离基板4一侧，光纤光栅传感器三3与托起机构固定连接，光纤光栅传感器三3能够检测得到水下压力值和环境温度；
光纤三合一合束器，光纤光栅传感器一1、光纤光栅传感器二2以及光纤光栅传感器三3所检测的信号光束通过光纤三合一合束器合为一束光；
解调器，经由光纤三合一合束器输出的光束，传输至调解器进行解调；
根据波峰位置对应的峰值波长，实现对应变的检测。
本实施例中，光纤光栅传感器一1两端的焊点9通过微离焦激光焊接技术加工而成，正常焊接的激光功率（或是脉冲能量），在焦平面处的激光功率密度往往已经超过激光焊接所需的功率密度，在焦点位置焊接，可能会出现金属汽化、熔渣飞溅或是打孔现象，影响焊接质量，通过采用微离焦焊接技术，可保证焊点9处不会由于脉冲能量较大造成焊接点打孔等现象发生。
光纤光栅传感器二2，光纤光栅传感器二2自由设置于基板4上。通过将光纤光栅传感器二2自由设置在基板4上方，使得光纤光栅传感器二2仅能够检测得到水下环境温度；所述自由设置，是指光纤光栅传感器二2呈不受约束的状态设置在基板4上，此时即便基板4发生形变，自由设置于基板4上方的光纤光栅传感器二2不会随之被拉伸，保证光纤光栅传感器二2只受温度影响。
光纤光栅传感器二2自由设置于基板4上，具体可通过以下实施例实现：
第一实施例、所述基板4的表面设有多个限定器8，所述限定器8上设有限定槽；当光纤光栅传感器二2自由设置在基板4上时，每个所述限定器8均通过对应的限定槽对光纤光栅传感器二2的运动轨迹进行限制。
请参照图2，本实施例中，光纤光栅传感器二2的活动区便是限定器8所安装的区域，限定器8可选择呈凵字形的卡销钉，使得光纤光栅传感器二2只能够在限定器8与基板4表面之间构成的间隙（即限定槽内）活动，以防止光纤光栅传感器二2撞击其他部件，从而被损坏，且当基板4由于水流冲击发生形变时，基板4的形变不会拉扯光纤光栅传感器二2。
通过限定器8只能限定整个光纤光栅传感器二2的大致位置，这种适合没有海藻（海草）等植物或者冲击不是特别大的区域，但是对于有植物或者冲击特别大的区域却存在局限性，因为容易出现植物缠绕光纤光栅传感器二2或者水流带着光纤光栅传感器二2扯开了限定器8的现象发生，故而针对这个情况提供了另一实施例。
第二实施例、请参照图3，所述基板4表面固定设置有空心导管5，所述光纤光栅传感器二2穿设于空心导管5内。空心导管5内的活动腔直径较小（至少需满足光纤光栅传感器二2与活动腔为间隙配合），即使得光纤光栅传感器二2与基板4之间的可活动间隙较小，当基板4由于水流冲击发生形变时，基板4的形变不会拉扯光纤光栅传感器二2，同时水流也不会带动光纤光栅传感器二2使其出现扯开空心导管5的现象。
且本实施例中，通过将光纤光栅传感器三3固定在托起机构上，使得光纤光栅传感器三3能够同时检测水下压力值和环境温度。
具体的，将光纤光栅传感器三3固定在托起机构上，当水压作用于托起结构上时，会使托起结构产生形变，带动固定在托起结构上的光纤光栅传感器三3产生拉伸力，使得光纤光栅传感器三3自身光弹效应微变形，实现对水下压力的检测，同时因为光纤光栅传感器三3直接与海水接触，又可以检测环境温度，因此通过这种布置方式，同时获得两种海洋环境参量。
托起机构包括设置于基板4表面的拱形臂6，所述拱形臂6的表面设有用于对光纤光栅传感器三3进行限位的限位槽7，光纤光栅传感器三3优选设置在弓形结构的弓顶位置。之所以选择弓形结构，是因为弓形结构能够敏度的感受到压力的大小，尤其在弓顶位置同时为了方便固定光纤光栅传感器三3。
综合而言，就是通过将光纤光栅传感器三3置于拱形臂6上来预防侧面海水对光纤光栅传感器三3的冲击，具体的，当光纤光栅传感器三3进行固定时，直接将光纤光栅传感器三3设于限位槽7内且处于设置在弓形结构的弓顶位置，如此设置的光栅传感器三3可通过带有限位槽7的拱形臂6以防止海水对光纤光栅传感器三3带来的拉应力，保证光纤光栅传感器三3只受到海水压力以及温度变化的影响。
本申请通过设置三个传感器，可对区域范围内的温度值、压力值进行同步监测，利用温度、压力值补偿应变值，可以剔除水工建筑物应变敏感光栅受到的环境温度、压力参量串扰影响，提高应变参量监测精度。
由于光纤光栅传感器一1、光纤光栅传感器二2以及光纤光栅传感器三3都会产生一个光信号，为了使所有的光信号都可以被解调，故而通过光纤三合一合束器将光纤光栅传感器一1、光纤光栅传感器二2以及光纤光栅传感器三3所检测的信号光束合为一束光，而经由光纤三合一合束器输出的光束，传输至调解器进行解调，根据波峰位置对应的峰值波长，实现对应变的检测。
光纤光栅传感器一1、光纤光栅传感器二2、光纤光栅传感器三3的纤芯调制周期不同。三个光纤光栅传感器的纤芯调制周期不同，则其反射峰的中心波长也不相同，通过光纤三合一合束器，三束光由于对应的光纤光栅周期不同，受周期调制的反射光谱波峰波长区段不同，也就形成了对应三个光栅周期的三个波峰，通过设置一个解调器解调出三个波峰的位置，根据波峰位置对应的峰值波长，即可分别获得待测物理量的准确值，实现三个光纤光栅传感器的光束信号的解调，在满足传感器多参量数据采集的同时，解决了目前复合式传感器使用多个解调器存在的检测精度低的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于，包括
基板（4），所述基板（4）表面连接有托起机构；
光纤光栅传感器一（1），所述光纤光栅传感器一（1）通过设于两端的焊点（9）与基板（4）活动连接，所述光纤光栅传感器一（1）能够检测得到水下应变、环境温度以及压力值；
光纤光栅传感器二（2），所述光纤光栅传感器二（2）自由设置在基板（4）上，使得所述光纤光栅传感器二（2）仅能检测水下环境温度；
光纤光栅传感器三（3），所述光纤光栅传感器三（3）设置在光纤光栅传感器一（1）远离基板（4）一侧，所述光纤光栅传感器三（3）与托起机构固定连接，所述光纤光栅传感器三（3）能够检测得到水下压力值和环境温度；
光纤三合一合束器，光纤光栅传感器一（1）、光纤光栅传感器二（2）以及光纤光栅传感器三（3）所检测的信号光束通过光纤三合一合束器合为一束光；
解调器，经由光纤三合一合束器输出的光束，传输至调解器进行解调；
根据波峰位置对应的峰值波长，实现对应变的检测。
2.如权利要求1所述的阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于：
所述基板（4）的表面设有多个限定器（8），所述限定器（8）上设有限定槽；当光纤光栅传感器二（2）自由设置在基板（4）上时，每个所述限定器（8）均通过对应的限定槽对光纤光栅传感器二（2）的运动轨迹进行限制。
3.如权利要求1所述的阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于：所述基板（4）表面固定设置有空心导管（5），所述光纤光栅传感器二（2）穿设于空心导管（5）内。
4.如权利要求1-3任一项所述的阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于：所述托起机构包括设置于基板（4）表面的拱形臂（6），所述拱形臂（6）的表面设有用于对光纤光栅传感器三（3）进行限位的限位槽（7）。
5.如权利要求4所述的阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器三（3）设置在拱形臂（6）的顶点。
6.如权利要求1所述的阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器一（1）、所述光纤光栅传感器二（2）、所述光纤光栅传感器三（3）的纤芯调制周期不同。
7.如权利要求1所述的阵列式光纤光栅多参量传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器一（1）两端的焊点（9）通过微离焦激光焊接技术加工而成。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101718942A (zh) * | 2009-11-25 | 2010-06-02 | 北京航空航天大学 | 一种多通道光纤光栅解调仪 |
| CN103575331A (zh) * | 2013-10-16 | 2014-02-12 | 哈尔滨工业大学 | 一种高温结构温度和应变的同时测试方法及标定装置 |
| CN205958169U (zh) * | 2016-08-03 | 2017-02-15 | 深圳市畅格光电有限公司 | 一种串联式光纤光栅压力传感器 |
| CN109991443A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-09 | 东南大学 | 一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器 |
| CN110082023A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-08-02 | 湖北工业大学 | 一种索力实时监测装置和监测方法 |
| CN113532539A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-22 | 安徽理工大学 | 同时测量温度、应变和压力的光纤传感系统、方法及装置 |
-
2023
- 2023-08-08 CN CN202310990491.8A patent/CN116697924B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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