CN204405054U - 基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，包括可调谐光源单元、分光单元、传感单元和光谱采集装置。可调谐光源单元由顺次布置宽带光源、光隔离器、固定光衰减器、可调谐F-P滤波器和光纤放大器组成；分光单元由光纤分束器和多个光纤环形器组成；光纤放大器输出的光源信号经光纤分束器分束为多路光信号。传感单元由多个光纤光栅静力水准仪组成的水准仪阵列构成；光电探测器接收经由多个光纤环形器输出的传感信息后，并将该传感信息转化为电信号传送给数据采集卡。本实用新型利用了光纤光栅精度高，耐久性好的特点，提高了静力水准的测量精度；同时利用光纤光栅便于组网的特点可以满足跨断层监测的连续性和实时性。

Description

基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种以光纤光栅为关键器件的多通路静力水准传感网。

背景技术

对于山洞、隧道等结构的断层蠕滑变监测，目前常用的手段有GPS监测和静力水准仪测量方式。GPS监测可以获得实时站点位置的三维空间坐标，且天气变化对测量结果影响不大，但GPS监测的成本很高且测量精度有限，无法满足时间跨度小、形变量小的蠕滑变形监测，同时它对遮蔽物的要求严格，不适用于山洞隧道环境。

静力水准仪基于连通器原理监测竖直方向相对位移，可以获得精度较高的测量数据，同时，该结构在成本较低，安装方便的前提下可以实现数据的连续实时采集，因此是目前应用较为广泛的监测手段。但传统的静力水准多采用压力式、电容式、浮子式等传统传感方式，这类方式基于电学传感原理，抗电磁干扰能力较差，精度不高，使用寿命不长，当应用于传感网络时组网难度大，不利于实现型变量的动态实时监测。光纤光栅传感器是90年代以来传感领域的重要实用新型，光纤光栅(FBG)传感器是通过在光纤的一段工作区写入光栅获得的，当输入光波长满足布拉格条件时，该波长的光即被反射，而其余波长则可从光纤的另一端透射输出。FBG的传感原理是由周围环境变化引起工作栅区的变化进而获得新的反射波长，将接收到的光信号进行解调运算后即可反推出引起波长变化的对应环境变化量。FBG因其传感原理是基于反射波长检测，因此特别适合进行多通路组网检测。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述传统传感监测方式的不足，提出了一种基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，该装置将静力水准仪液位高度的变化转变为光纤光栅的形变，利用光纤光栅反射波长与形变的对应关系来获得液位高度信息，具有很高的测量精度，同时可以简便地进行组网测量。本实用新型装置适用于山洞、隧道结构的断层蠕滑变监测。

本实用新型提出的一种基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，包括可调谐光源单元、分光单元、传感单元和光谱采集装置。所述可调谐光源单元由顺次布置宽带光源、光隔离器、固定光衰减器、可调谐F-P滤波器和光纤放大器组成；所述宽带光源发出的光经过光隔离器和固定光衰减器后进入可调谐F-P滤波器，所述可调谐F-P滤波器输出的可调谐激光经光纤放大器放大后获得10mW的可调谐输出。所述分光单元由光纤分束器和多个光纤环形器组成；所述光纤放大器输出的光源信号经所述光纤分束器分束为多路光信号。所述传感单元包括多个光纤光栅静力水准仪阵列，每个光纤光栅静力水准仪阵列包括多个串联的光纤光栅静力水准仪，光纤光栅静力水准仪阵列的个数与所述分光单元中光纤环形器的个数相同；所述光纤光栅静力水准仪包括筒体和上盖，所述上盖与筒体用螺丝螺母接合，所述上盖与筒体的接合处设有支撑板，所述上盖相对的侧壁上设有光纤过孔，所述上盖的一侧壁上设有调节螺栓，所述支撑板上设有金属片和转向滑轮，所述金属片的一端与所述调节螺栓连接；所述转向滑轮上绕有一钢绞线，所述钢绞线的一端连接在所述金属片的另一端上，所述钢绞线的另一端连接有一浮子；所述金属片上固定有光纤光栅，所述光纤光栅的两端尾纤分别从所述上盖相对的侧壁上的两个光纤过孔中穿出。所述光纤光栅静力水准仪阵列中的光纤光栅静力水准仪通过所述光纤光栅串联，所有光纤光栅静力水准仪阵列的一端尾纤分别与分光单元中的所有光纤环形器一一对应连接，用以接收光源信号并将反射波长送回光纤环形器；所有光纤光栅静力水准仪阵列的另一端尾纤为自由状态。所述光谱采集装置由光电探测器和数据采集卡构成；所述光电探测器接收经由多个光纤环形器输出的传感信息后，并将该传感信息转化为电信号传送给所述数据采集卡。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中采用光纤光栅作为静力水准仪的关键传感元件，有效的提高了水准仪的传感精度和系统的抗干扰能力。充分发挥了光纤光栅传感器精度高，耐久性强同时又易于组网的优势。同时利用光纤光栅便于组网的特点可以满足跨断层监测的连续性和实时性。

附图说明

图1是基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置结构框图；

图2是图中所示光纤光栅静力水准仪的结构示意图。

图中：

1-宽带光源        2-光隔离器              3-固定光衰减器

4-可调谐FP滤波器  5-光纤放大器            6-可调谐光源单元

7-光纤分束器      8-光纤环行器            9-分光单元

10-传感单元       11-光纤光栅静力水准仪  12-光谱采集装置

13-光电探测器     14-数据采集卡           15-上盖

16-光纤光栅       17-金属片              18-调节螺栓

19-转向滑轮       20-钢绞线              21-浮子

22-筒体

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，包括可调谐光源单元6、分光单元9、传感单元10和光谱采集装置12。

所述可调谐光源单元6由顺次布置宽带光源1、光隔离器2、固定光衰减器3、可调谐F-P滤波器4和光纤放大器5组成；所述宽带光源1发出的光经过光隔离器2和固定光衰减器3后进入可调谐F-P滤波器4，确保光路单向传输且进入到可调谐F-P滤波器4的光功率符合入口功率限制，所述可调谐F-P滤波器4输出的可调谐激光经光纤放大器5放大后获得10mW的可调谐输出，从而为整套装置提供宽光谱、高分辨率的光源信号。宽带光源1采用C+L波段的ASE光源，输出激光功率在0.5mW-10mW可调。可调谐FP滤波器4的谱宽在10pm-200pm之间，自由光谱范围约为100nm。当然，宽带光源1还可以是SLED光源。

所述分光单元9由光纤分束器7和多个光纤环形器8组成，由可调谐光源单元6输出的光源信号经光纤分束器7进行分束后用于光纤传感，每一路光信号经过光纤环形器8后可以串联多个光纤光栅静力水准仪11，从而形成传感网络。

所述传感单元10包括多个光纤光栅静力水准仪阵列，每个光纤光栅静力水准仪阵列包括多个串联的光纤光栅静力水准仪11，光纤光栅静力水准仪阵列的个数与所述分光单元9中光纤环形器8的个数相同。

如图2所示，所述光纤光栅静力水准仪11包括上盖15、光纤光栅16、金属片17、调节螺栓18、转向滑轮19、钢绞线20、浮子21和筒体22。所述上盖15与筒体22用螺丝螺母接合，所述上盖15与筒体22的接合处设有支撑板，所述上盖15相对的两侧壁上设有光纤过孔，调节螺栓18设置在所述上盖15的一侧壁上，所述金属片17和转向滑轮19设置在支撑板上，所述钢绞线20绕在所述转向滑轮19上，所述金属片17的一端与所述调节螺栓18连接，所述金属片17的另一端与所述钢绞线20的一端相连，所述浮子21连在所述钢绞线20的另一端、并位于筒体22的下部；所述光纤光栅16上的栅区两端使用环氧树脂点胶，经紫外照射后固化在金属片17上，并通过旋转调节螺栓18给光纤光栅16施加一个预应力。所述光纤光栅16两端的尾纤分别从所述上盖15相对的侧壁上的两个光纤过孔中穿出，所述光纤光栅静力水准仪阵列中的光纤光栅静力水准仪11通过所述光纤光栅16串联，所有光纤光栅静力水准仪阵列的一端尾纤分别与分光单元9中的所有光纤环形器8一一对应连接，用以接收光源信号并将反射波长送回光纤环形器8；由于，本实用新型工作时使用的是反射谱，光至阵列中每一个光纤光栅静力水准仪中的光纤光栅16的栅区反射，因此，每个光纤光栅静力水准仪阵列中远离光纤环形器8(即阵列中最后一个光纤光栅静力水准仪)的一端尾纤为自由状态。

所述光谱采集装置12由光电探测器13和数据采集卡14构成；所述光电探测器13接收经由多个光纤环形器8输出的传感信息后，并将该传感信息转化为电信号传送给所述数据采集卡14。

当筒体22内的液面高度发生变化时，其中浮子21位置的变化经钢绞线20转化为金属片17上相应的拉力应变，使附着在其上的光纤光栅16反射波长发生变化，变化了的波长信号经解调后可获得液面高度信息。

本实用新型的基于光纤光栅传感器的多通道高精度静力水准装置的工作原理是：当光纤光栅16中传输的光波长λ_B满足布拉格条件时，该波长的光会被反射回来。

λ_B＝2n_effΛ

其中，λ_B为光纤光栅16的反射波长，n_eff为光纤的有效折射率，Λ为光纤光栅16的布拉格周期。当金属片17发生形变时，与金属片17相连光纤光栅16的布拉格周期发生改变，导致反射波长发生漂移，通过探测波长的漂移量即可获得相应的液面高度信息。

金属的弹性形变与应力成正比，材料在比例极限内遵循胡克定理：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{PL}}{\mathrm{ES}}$

此处△L为试件的变形量，P为载荷，L是标距长度，E是金属弹性模量，S是金属截面积。

几种常见金属材料的弹性模量见下表，本实用新型中所述金属片17的材质优先选择铝或铜。

本实用新型中，光源输出的光通过分光单元进入布设在监测点上的水准仪阵列，水准仪记录下的监测点沉降变化经由光纤光栅16转化为光信号；光谱采集装置12用于收集经传感单元10输出的光波长。与现有的技术相比，本实用新型采用分光单元和光谱采集装置实现了形变信号的多通路组网监测；利用光纤光栅透射波长与光栅所受应力之间的对应关系，可以方便、准确的获得静力水准仪浮筒体内的液面高度。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，包括传感单元(10)，其特征在于，该装置还包括可调谐光源单元(6)、分光单元(9)和光谱采集装置(12)；

所述可调谐光源单元(6)由顺次布置宽带光源(1)、光隔离器(2)、固定光衰减器(3)、可调谐F-P滤波器(4)和光纤放大器(5)组成；所述宽带光源(1)发出的光经过光隔离器(2)和固定光衰减器(3)后进入可调谐F-P滤波器(4)，所述可调谐F-P滤波器(4)输出的可调谐激光经光纤放大器(5)放大后获得10mW的可调谐输出；

所述分光单元(9)由光纤分束器(7)和多个光纤环形器(8)组成；所述光纤放大器(5)输出的光源信号经所述光纤分束器(7)分束为多路光信号；

所述传感单元(10)包括多个光纤光栅静力水准仪阵列，每个光纤光栅静力水准仪阵列包括多个串联的光纤光栅静力水准仪(11)，光纤光栅静力水准仪阵列的个数与所述分光单元(9)中光纤环形器(8)的个数相同；

所述光纤光栅静力水准仪(11)包括筒体(22)和上盖(15)，所述上盖(15)与筒体(22)用螺丝螺母接合，所述上盖(15)与筒体(22)的接合处设有支撑板，所述上盖(15)相对的侧壁上设有光纤过孔，所述上盖(15)的一侧壁上设有调节螺栓(18)，所述支撑板上设有金属片(17)和转向滑轮(19)，所述金属片(17)的一端与所述调节螺栓(18)连接；所述转向滑轮(19)上绕有一钢绞线(20)，所述钢绞线(20)的一端连接在所述金属片(17)的另一端上，所述钢绞线(20)的另一端连接有一浮子(21)；所述金属片(17)上固定有光纤光栅(16)，所述光纤光栅(16)的两端尾纤分别从所述上盖(15)相对的侧壁上的两个光纤过孔中穿出；

所述光纤光栅静力水准仪阵列中的光纤光栅静力水准仪(11)通过所述光纤光栅(16)串联，所有光纤光栅静力水准仪阵列的一端尾纤分别与分光单元(9)中的所有光纤环形器(8)一一对应连接，用以接收光源信号并将反射波长送回光纤环形器(8)；所有光纤光栅静力水准仪阵列的另一端尾纤为自由状态；

所述光谱采集装置(12)由光电探测器(13)和数据采集卡(14)构成；所述光电探测器(13)接收经由多个光纤环形器(8)输出的传感信息后，并将该传感信息转化为电信号传送给所述数据采集卡(14)。

2.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，其特征在于，所述光纤光栅(16)的栅区两端用光学胶固定在所述金属片(17)上。

3.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，其特征在于，所述可调谐光源单元(6)中的所述宽带光源(1)包括ASE光源或SLED光源。

4.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，其特征在于，所述分光单元(9)中的所述光纤分束器(7)包括1xN路分束器。

5.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的多通路静力水准装置，其特征在于，所述光纤光栅静力水准仪(11)中的所述金属片(17)的材质是铝或铜。