CN210268995U - 一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统及桨叶 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其包括：处理器、无线收发装置以及用于布置桨叶上的光纤传感阵列和光源模块；所述光源模块与所述光纤传感阵列通过光纤连接，所述光源模块将光线通过光纤传输至光纤传感阵列，并将根据光纤传感阵列反射光线形成的电信号通过无线收发装置发送至处理器，所述处理器根据所述电信号确定桨叶压力。本实用新型通过采用光纤传感阵列，并通过检测光纤传感阵列的波长位移来实时监控桨叶压力分布信息，一方面解决传统测量方法无法解决而需要另外增加水下相机的问题，降低了监测系统的成本；另一方面监测系统的监测精度不受光源强度影响，并且更加容易复用，提高了监测系统的实用性。

Description

一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统及桨叶

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统及桨叶。

背景技术

皮划艇、赛艇、龙舟等都是深受欢迎的水上运动，不管是专业运动员还是业余选手都希望划的更快，获得更好的成绩。而在上述水上运动中桨叶的推力和阻力是最重要的因素，从而为了改善划桨的成效，实时检测和测量桨叶的受力是非常重要的。

目前常用的检测和测量桨叶受力的方法主要有两种：第一种方法为测量船的加速度从而绘制推力的变化曲线图，这种方法虽然有用，但由于船的速度和加速度受到天气条件的影响，测量结果误差较大不能完全反映推力的变化；第二种方法为通过安装在桨叶上或者镶入桨叶内的应力计或者加速度计来测量推力，这种方法虽然可以检测桨叶的受力，但是由于价格高、桨叶长度受到限制，无法获得大范围的使用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统及桨叶。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其包括：处理器、无线收发装置以及用于布置桨叶上的光纤传感阵列和光源模块；所述光源模块与所述光纤传感阵列通过光纤连接，所述光源模块将光线通过光纤传输至光纤传感阵列，并将根据光纤传感阵列反射光线形成的电信号通过无线收发装置发送至处理器。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光纤传感阵列包括至少一个光纤传感器组件，所述至少一个光纤传感器组件按照预设规则布置于所述桨叶上。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光纤传感器组件包括至少一个光纤传感器以及光纤压力垫，所述光纤压力垫包裹所述至少一个光纤传感器。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光纤压力垫采用聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光纤传感器为光纤布拉格光栅传感器。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光源模块包括光源、耦合器以及光检测单元，所述光源和所述光检测单元均与所述耦合器相连接，所述光源发射的光线通过所述耦合器传输至光纤传感阵列，光纤传感阵列的反射光线通过耦合器传输至光检测单元，所述光检测单元根据所述反射光线形成电信号。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光检测单元包括光开关以及与所述光开关相连接的至少一个检测光路，所述光开关检测光路与所述感应阵列相对应，以检测感应阵列的反射光线形成的光信号。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述光源为超宽带光源，所述超宽带光源的波长范围为1200nm-1700nm。

所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其中，所述无线收发装置包括无线发射器和无线接收器，所述无线发射器与光源模块相连接，用于布置于桨叶上；所述无线接收器与所述处理器相连接。

一种桨叶，所述桨叶装配有如上任一所述的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型提供了一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其包括：处理器、无线收发装置以及用于布置桨叶上的光纤传感阵列和光源模块；所述光源模块与所述光纤传感阵列通过光纤连接，所述光源模块将光线通过光纤传输至光纤传感阵列，并将根据光纤传感阵列反射光线形成的电信号通过无线收发装置发送至处理器，所述处理器根据所述电信号确定桨叶压力。本实用新型通过采用光纤传感阵列，并通过检测光纤传感阵列的波长位移来实时监控桨叶压力分布信息，一方面解决传统测量方法无法解决而需要另外增加水下相机的问题，降低了监测系统的成本；另一方面监测系统的监测精度不受光源强度影响，并且更加容易复用，提高了监测系统的实用性。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统的原理示意图。

图2为本实用新型提供的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统的结构示意图。

图3为本实用新型提供的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统的原理图。

图4为本实用新型提供的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统的局部示意图。

图5为本实用新型提供的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统的中光线传感器分布的示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统及桨叶，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。

还需说明的是，本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对实用新型内容作进一步说明。

本实施例提供了一种基于光纤传感器41的桨叶压力监测系统，如图1和2所示，所述检测系统包括：处理器100、无线收发装置200、光纤传感阵列400以及光源模块300。所述光纤传感阵列400和所述光源模块300用于装载于桨叶上，所述光纤传感阵列400通过光纤10与所述光源模块300相连，所述光源模块300通过所述无线收发装置200与所述处理器100相连接。所述光源模块300产生光线并将所述光线通过光纤10传输至光纤传感阵列400，所述光纤传感阵列400反射预定波长的光线，光源模块300接收光纤传感阵列400反射的反射光线，并将接收到的反射光线形成的光信号转换电信号，再将所述电信号通过无线收发装置200发送处理器100，以实现对所述桨叶压力的实时监测。同时，由于光纤10具有防水、防腐蚀、防电磁干扰等特性，从而光纤10构成的光纤传感阵列400同样具备防水、防腐蚀、防电磁干扰的特性，从而避免了防水措施和水深度对桨叶压力监测系统精度的影响。

进一步，在本实施例的一个实现方式中，如图4所示，所述光纤传感阵列400包括至少一组光纤传感组件401，所述至少一组光纤传感组件组按照预设规则布置于所述桨叶上。各组光纤传感组件组包括至少一个光纤传感组件401，各组的光纤传感组件401通过光纤10串联，光源模块300产生的光线通过光纤10依次传输至各光纤传感组件401，这样各光纤传感组件401均可以根据连接顺序依次接收到光源模块300发送的光线，并根据其自身对应的反射光线波长对来自光纤10的光束进行反射。在本实施例中，所述光纤传感阵列400包括2组光纤传感组件组，2组光纤传感组件组分别布置于两个桨叶上，这样在桨叶交替划水时，可以通过桨叶对应的光纤传感组件组监测桨叶受到的压力。当然，在实际应用中，所述光纤传感阵列400包括光纤传感组件组的组数可以根据其应用桨的桨叶数量而确定。

举例说明：如图4和5所示，每组光纤传感组件组包括15个光纤传感器41，所述15个光纤传感器41分为3组，分别记为第一组光纤传感组件401a、第二组光纤传感组件401b和第三组光纤传感组件401c，所述第三组光纤传感组件401c包括4个光纤传感器41，第二组光纤传感组件401b包括1个光纤传感器41，所述第一组光纤传感组件401a包括10个光纤传感器41。第三组光纤传感组件401c设置于手柄30手持位置，将手柄30划分为4个测量位置，第二组光纤传感组件401b设置与手柄30边缘，第一组光纤传感组件401a设置与叶片20上，将叶片20划分为10个测量位置，其中，第一组光纤传感组件401a和第三组光纤传感组件401c中按照光路相邻的两个光纤传感器41之间的距离均为80mm，第二组光纤传感组件401b中按照光路与第三组光纤传感组件401c中相邻的光纤传感器41之间的距离为450mm。

进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述光纤传感组件401包括若干光纤传感器41以及光纤压力垫42，所述若干光纤传感器41布置于所述光纤压力垫42内，并被所述光纤压力垫42包裹。所述光纤传感器41设置有光纤输入端和光纤输出端，所述若干光纤传感器41通过光纤10串联于所述光纤输入端和光纤输出端之间且相互不接触。所述光纤输入端用于与按照光路位于其前的光纤传感器41的光纤输出端相连接，所述光纤输出端用于与按照光路位于其后的光纤传感器41的光纤输出端相连接，其中，按照光路位于第一的光纤传感器41的光纤输入端与光源模块300相连接。

所述光纤传感器41为光纤布拉格光栅传感器FBG，所述光纤布拉格光栅传感器是利用紫外激光在光纤纤芯上刻写形成的，当光源模块300发出的光线通过光纤10进入光栅处，满足光纤布拉格光栅传感器的布拉格波长的光线会被反射回去以形成反射光线，其他未满足布拉格波长的光线将继续透射过去，这样通过检测每个传感器的布拉格波长的位移就可以准确的、全面的、实时监测皮划艇、赛艇、龙舟等桨叶手柄上的载荷和桨叶压力分布。此外，所述光纤传感阵列400包括的各光纤布拉格光栅传感器的布拉格波长均不同，这样当光线透射过光纤布拉格光栅传感器的光线传输到下一个光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅传感器可以对满足其对应的布拉格波长的光线进行反射，从而使得各光纤传感器41均产生反射光线，这样可以监测各光纤传感器41对应的桨叶位置的压力，提高了压力监测的准确性，并且可以通过产生一次光线而完成整个桨叶的监测，提高了监测的及时性和简便性。

所述光纤压力垫42采用聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜PDMS，光纤传感器41外覆盖聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜，以形成包裹光纤传感器41的光纤压力垫42。这样通过将光纤传感技术与化学制膜技术结合到一体，利用在PDMS中嵌入FBG形成高灵敏度光纤传感组件，当传感器受到外界压力影响时，FBG的波长会随之漂移，通过监测封装在PDMS中的FBG波长变化，就确定到外界压力。此外，通过将FBG与PDMS相结合，既提高FBG的机械强度，又提高FBG的敏感性。

同时在本实施例中，所述PDMS的厚度定为2毫米左右，这样提高光纤压力垫42的弯曲灵敏度，并且所述PDMS的形状与桨叶的形状相似并附着在桨叶表面，这样可以便于光纤传感组件与桨叶表面的吸附和分离。当然，在实际应用中，所述光纤压力垫42可以加工成任何形状，能够与任意形状的桨叶紧密的吸附在一起，提高了桨叶压力监测系统的适用性。

进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜是有184-A硅酮树脂和184-B硅酮树脂构成，其中，所述184-A硅酮树脂和184-B硅酮树脂的质量比为10:1。此外，由于需要将所述聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜包裹所述光纤传感器41，需要先将光纤传感器41放置与模具内，将184-A硅酮树脂和184-B硅酮树脂倒入模具中通过加热和脱模形成。在本实施例中，所述聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜包裹所述光纤传感器41的具体过程可以为：首先制作模具，其次将按照混合的184-A硅酮树脂和184-B硅酮树脂倒入模具中，将FBG埋入模具中心，先经过60℃加热后，再在常规烤箱中放置12小时或在室温下48小时后再去除模具，这样FBG将留在PDMS中形成光纤压力垫42。在使用时将光纤压力垫42用粘合剂附着在桨叶的轮廓表面，当桨叶划动时形成受到水产生的压力时，PDMS上的横向应变将在包裹的FBG上引起轴向应变，产生布拉格波长漂移，从而使得反射光波长变化，通过解调波长的转变可以收集桨叶受力产生的轴向应变。

进一步，在本实施例的一个实现方式中，如图3所示，所述光源模块300包括光源301、耦合器302以及光检测单元303；所述光源301和所述光检测单元303均与所述耦合器302相连接，所述光源301发射的光线通过所述耦合器302和光纤10传输至光纤传感阵列400，光纤传感阵列400的反射光线通过光纤10和耦合器302传输至光检测单元303，所述光检测单元303根据所述反射光线形成光信号，并将所述光信号转换为电信号，便于通过无线收发装置200将所述电信号传输至处理器100，通过处理器100来确定桨叶压分布信息。

进一步，由于超宽带光源相对于一般的光源具有输出功率高，覆盖光谱范围广的特点，可以为FBG提供优质的光源所述光源为超宽带光源。从而，所述光源301优选为超宽带光源，并且所述超宽带光源的波长范围优选为1200nm-1700nm。

进一步，所述耦合器302为光环形器，其中，光环形器是一种多端口的具有非互易特性的光器件，光信号由任一端口输入时，都能按光环形器的设定顺序从下一端口以最小损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都大于下一端口的损耗，而成为不相通端口，这样可以将光源输出的宽带光耦合进入传感器阵列中，并将FBG反射回来光耦合进入光检测单元303，并且使得光路的损耗小。进一步，由于光纤传感阵列400具有若干光纤传感器41，而为了检测每个光纤传感器41反射的反射光线，所述光检测单元303需要包括若干检测光路3032，每个检测光路对应一个光纤传感器41。相应的，所述光检测单元包括光开关3031以及若干检测光路3032，若干检测光路通过光开关3031与耦合器302相连接，以通过耦合器302将光纤传感器41的反射光线耦合至检测光路，其中，所述检测光路与光纤传感器41一一对应，并且所述光开关的开关路数与光纤传感器41的数量相等。这样光源发出的宽谱光经过光环形器和光纤10达到光纤传感器41，满足光纤传感器41布拉格条件的窄带光谱将被发射回来，被反射回来的窄带光谱的中心波长(布拉格波长)相对于它们的起始波长(未受被测轴向应变影响时的中心波长)已经发生了偏移，即它们实际上已分布携带了被测量的信息，在经过光环形器传输到匹配该FBG检测光路中进行波长移动检测。

举例说明：如图3所示，所述光纤传感器为n个,并且n个光纤传感器依次连接，所述光开关为1xn路光开关，所述检测光路为n路，所述n路检测光路分时工作，分别检测其对应的光纤传感器41布拉格波长偏移量。当1xn开关的光端口在i和2接通时，检测光路2工作，携带传感器2布拉格波长偏移量的信息窄带光进入检测光路进行光电转换，当1xn光开关的光端口i和n接通时，光路n工作，携带传感器n布拉格波长偏移量的信息窄带光进入检测光路进行光电转换。

进一步，在本实施例中，如图3所示，所述无线收发装置200包括无线发射器202和无线接收器201，所述无线发射器202与光源模块300相连接，用于布置于桨叶上；所述无线接收器201与所述处理器100相连接。其中，所述无线发射器202与无线接收器201可以通过蓝牙、wifi、NB-Iot或者NFC等工作。所述处理器100可以为MCU、平板电脑、单片机、智能手机以及后台服务器等。

基于上述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，本实施例还提供了一种桨叶，所述桨叶配置有如上所述的桨叶压力监测系统，其中，所述光纤传感阵列和光源模块布置于桨叶上，所述无线收发装置和处理器可以布置于所述桨叶上，也可以不布置于桨叶上，并且当无线收发装置不布置于桨叶上时，所述无线收发装置包括的无线发射器布置于桨叶上，以与无线接收器进行远程通讯。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，包括：处理器、无线收发装置以及用于布置桨叶上的光纤传感阵列和光源模块；所述光源模块与所述光纤传感阵列通过光纤连接，所述光源模块将光线通过光纤传输至光纤传感阵列，并将根据光纤传感阵列反射光线形成的电信号通过无线收发装置发送至处理器。

2.根据权利要求1所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光纤传感阵列包括至少一个光纤传感器组件，所述至少一个光纤传感器组件按照预设规则布置于所述桨叶上。

3.根据权利要求2所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光纤传感器组件包括至少一个光纤传感器以及光纤压力垫，所述光纤压力垫包裹所述至少一个光纤传感器。

4.根据权利要求3所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光纤压力垫采用聚二甲基硅氧烷膜高分子聚合物膜。

5.根据权利要求3所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光纤传感器为光纤布拉格光栅传感器。

6.根据权利要求1所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光源模块包括光源、耦合器以及光检测单元，所述光源和所述光检测单元均与所述耦合器相连接，所述光源发射的光线通过所述耦合器传输至光纤传感阵列，光纤传感阵列的反射光线通过耦合器传输至光检测单元，所述光检测单元根据所述反射光线形成电信号。

7.根据权利要求6所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光检测单元包括光开关以及与所述光开关相连接的至少一个检测光路，所述光开关检测光路与所述感应阵列相对应，以检测感应阵列的反射光线形成的光信号。

8.根据权利要求6所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述光源为超宽带光源，所述超宽带光源的波长范围为1200nm-1700nm。

9.根据权利要求1所述基于光纤传感器的桨叶压力监测系统，其特征在于，所述无线收发装置包括无线发射器和无线接收器，所述无线发射器与光源模块相连接，用于布置于桨叶上；所述无线接收器与所述处理器相连接。

10.一种桨叶，其特征在于，所述桨叶装配有如权利要求1-9任一所述的基于光纤传感器的桨叶压力监测系统。

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