CN211425533U - 一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，包括激光器，所述激光器与第一耦合器的输入端口连接，能够将产生的光信号传输给第一耦合器，所述第一耦合器的两个输出端口分别连接入射光检测光路和光环形器的其中一个端口，所述光环形器的另一个端口连接反射光检测光路，第三个端口依次串联连接多个用于安装在管廊上且沿管廊分布的传感器；所述传感器包括多个依次串联设置的第二耦合器及多个光纤光栅，第二耦合器的其中一个输出端口通过光纤滤波器与气体探头连接，本实用新型的测量装置结构简单，施工方便。

Description

一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量设备技术领域，具体涉及一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本实用新型相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

城市综合管廊是将电力、通讯、热力、给水等各类工程管线集于一体，地上附着物为出装口及通风口等设施。而对于城市综合管廊的实时安全监控是必不可少少的，发明人发现，目前对于城市管廊的监控手段大多停留在多种检测手段及相关设备拼装组合的阶段，导致传感器种类繁杂、数据传输需求量大、系统功耗大、稳定性差等缺点。目前光纤传感应用于城市管廊安全监测具有本质安全、精度高、结构简单、适合远距离传输等特点。监控范围有用于城市管廊结构安全健康监测的光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器；有用于城市管廊渗漏监测的光纤光栅液位传感器；有用于城市管廊温度监测的光纤光栅温度传感；有用于城市管廊湿度检测的光纤光栅湿度传感器；还有用于城市管廊气体安全监测的光纤气体传感器，目前这些传感器的集成度较低，发明人发现，目前集成度较高的多参数光纤分布式传感系统(CN 201810510221.1)需要两个激光器和两路光纤，导致系统过于复杂且实际工程施工难度增加；且在分布式气体检测方面，该系统(CN 201810510221.1)用来反射光信号的啁啾光栅容易受到温度和应力的影响且反射率不高、价格偏贵，使系统的实用性和稳定性都大大降低。另外的光纤分布式气体检测方法(如CN201510071655、CN201721217190)虽然使用反射率高、稳定性强且价格便宜的全反射镜来反射信号，但所有气体探头在同一时刻都只能检测一种气体，若要检测更多种气体时需要改变激光器输出的光信号，缺少多气体同时检测的实时性。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，提供一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，采用一个激光器及一路光纤即可进行物理参数及气体浓度的测量，极大的简化了测量系统的结构。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

第一方面，本实用新型的实施例提供了一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，包括激光器，所述激光器与第一耦合器的输入的

连接，能够将产生的光信号传输给第一耦合器，所述第一耦合器的两个输出端口分别连接入射光检测光路和光环形器的其中一个端口，所述光环形器的另一个端口连接反射光检测光路，第三个端口依次串联连接多个用于安装在管廊上且沿管廊分布的传感器；

所述传感器包括多个依次串联设置的第二耦合器及多个光纤光栅，第二耦合器的其中一个输出端口通过光纤滤波器与气体探头连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的测量装置,传感器具有气体探头及多个光纤光栅，能够将进行光谱吸收反应及因为物理量变化使波长发生变化的反射光信号进行反射，并通过光环形器进入反射光检测光路，得到反射光的光信号强度及光信号的波长变化，通过入射光检测光路能够得到光信号的强度，进而实现气体浓度的测量和物理量变化参数，采用一根光纤及一个激光器，实现了光纤传感检测及气体浓度测量的有效集成，增强了系统稳定性，系统结构简单，提高了工程应用上的实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本实用新型实施例1整体结构示意图；

其中，1.ASE激光器，2.第一耦合器，3.光环形器，4.第一波分复用器，5.第一光电检测件，6.多通道高速数据采集电路，7.控制器，8.传感器，8-1.第二耦合器，8-2.光纤光栅，8-3.光纤滤波器，8-4.反射式气体探头，9.第二波分复用器，10.第二光电检测件，11.可调谐F-P滤波器，12.第三光电检测件，13.延时器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的集成度较高的多参数光纤分布式传感系统需要两个激光器和两路光纤，系统复杂，施工难度高，针对上述问题，本申请提出了一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1所示，一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，包括激光器，所述激光器为ASE激光器1，在其他一些实施例中，也可采用DFB激光器，ASE激光器具有宽带光源，能够输出宽带光脉冲信号。所述宽带光脉冲信号需要满足：波长覆盖气体浓度检测和光纤光栅物理量检测所需要的波长。

所述ASE激光器输出端通过光缆与第一耦合器2的输入端口连接，第一耦合器为99：1的1X2耦合器，其中一个1％的输出端口与入射光检测光路连接，另一个99％的输出端口与光环形器的一个端口通过光缆连接。第一耦合器能够对ASE激光器输出的宽带光脉冲信号进行分光，使光信号一路进入入射光检测光路，另一路进入光环形器3。

当然，可以理解的是，所述第一耦合器也可采用其他类型的耦合器，只要能够满足分光的功能即可。

所述入射光检测光路包括第一波分复用器4，所述第一波分复用器的输入端通过光缆与第一耦合器的输出端口连接，所述第一波分复用器具有多个输出端口，每个输出端口均连接有第一光电检测件5，所述第一光电检测件采用APD光电检测件，本实施例中，所述第一光电检测件设置两个，可以理解的是，在其他一些实施例中，第一光电检测件可设置三个、四个或更多，根据所需要测量气体的种类数量进行确定。

第一波分复用器能够对输入的光信号按照不同的波长进行分离，并将分离好的不同设定波长的光信号分别输入到多个第一光电检测件，第一光电检测件能够对设定波长的光信号进行光电转换，并得到光信号的光强度信息。

其中设定的波长为能够与待测气体发生光谱吸收反应的光信号的波长。

多个第一光电检测件均与多通道高速数据采集电路6的输入端连接，多通道高速数据采集电路的输出端与控制器7连接，所述控制器采用CPU芯片，在其他一些实施例中，也可采用其他PLC或单片机或其他类型的控制芯片。第一光电检测件检测得到的光强度信息能够通过多通道数据采集电路传输给控制器。

本实施例中，所述光环形器共有三个端口，当然可以理解的是，也可采用具有四个、五个或更多个端口的光环形器。

所述光环形器的其中一个端口与第一耦合器的输出端口通过光缆连接，光环形器的第二个端口与反射光检测光路连接，光环形器的第三个端口通过光缆依次串联连接多个传感器8。

多个所述传感器用于安装在城市管廊上，且沿城市管廊的纵向布置，光环形器传输的光信号进入传感器后，能够与待测的气体发生光谱吸收反应并进行反射，管廊的应力、位移、液位、温度、湿度等物理量发生变化时，传感器能够反射波长发生变化的光信号，反射的光信号能够通过光环形器进入反射光检测光路。

所述反射光检测光路包括第二波分复用器9，所述第二波分复用器的输入端与光环形器的端口通过光缆连接，能够将光环形器传输的光信号按照不同的波长进行分离，所述第二波分复用器具有多个输出端口，其中部分输出端口均连接有第二光电检测件10。其中第二光电检测件的数量与第一光电检测件的数量相同，每个第二光电检测件均配合一个第一光电检测件，进行气体浓度的测量。

本实施例中，所述第二波分复用器与两个第二光电检测件连接，可以理解的是，在其他一些实施例中，所述第二光电检测件可设置三个、四个或更多个，根据所需测量气体的种类设定即可。

第二波分复用器能够将光环形器输出的光信号按照设定的不同波长进行分光，并将多个不同设定波长的光信号传输给第二光电检测件，所述设定波长为能够与待测气体发生光谱吸收反应的光信号波长。

第二光电检测件采用APD光电检测件，能够对第二波分复用器传输的光信号进行光电转换，并得到光信号的光强度。

所述第二光电检测件与多通道高速数据采集电路的输入端连接，多通道高速数据采集电路的输出端与控制器连接，第二光电检测件检测得到的光强度信息能够通过多通道高速数据采集电路传输给控制器。

本实施中，传感器中发生了光谱吸收反应的光信号反射后，经过光环形器进入第二波分复用器，第二波分复用器对光信号进行分离后分别进入第二光电检测件，第二光电检测件得到发生光谱吸收反应后的光强度信息，与第二光电检测件相对应的第一光电检测件能够得到发生光谱吸收反应前的光强度信息，通过两个光强度信息能够得到待测气体的浓度。

所述第二波分复用器的其中一个输出端口还与光信号波长检测件连接，所述光信号波长检测件包括串联的可调谐F-P滤波器11及第三光电检测件12，第二波分复用器的输出端口与可调谐F-P滤波器的输入端连接，可调谐F-P滤波器的输出端与第三光电检测件12连接，所述第三光电检测件采用APD光电检测件，可调谐F-P滤波器能够对反射回来的光信号进行滤波，在同一时刻，只有很窄波长范围内的光信号可通过，同时还对光信号进行扫频，第三光电检测件能够检测光信号的光强度，当第三光电检测件检测得到的光强度最大时，可调谐F-P滤波器对应的扫描到波长为输入光信号波长检测件的光信号的波长，进而实现了光信号波长的检测。

所述第三光电检测件通过多通道高速数据采集电路与控制器连接，能够将反射回来的光信号波长信息通过多通道高速数据采集电路传输给控制器。

所述传感器8包括多个依次串联的第二耦合器8-1和光纤光栅8-2，本实施例中，所述第二耦合器设置两个，光纤光栅设置五个，五个光纤光栅分别通过增敏结构，制作成光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器、光纤光栅液位传感器、光纤光栅温度传感器及光纤光栅湿度传感器用来检测应力、位移、液位、温度、湿度的物理量。

光纤光栅能够因为物理量变化而导致波长变化的光信号进行反射，反射后的光信号经过第二耦合器和光环形器进入反射光检测光路。

所述第二耦合器根据所需要检测的气体的种类设置，可以理解的是，第二耦合器和光纤光栅的可以设置其他数量，根据实际需要进行设置即可。

其中第二耦合器的数量与第一光电检测件及第二光电检测件的数量相同。每个第二耦合器分别对应一个第一四光电检测件和第二光电检测件，配合进行气体浓度的测量。

所述第二耦合器采用99：1的1X2耦合器，其中1％的输出端口与光纤滤波器8-3的输入端口连接，光纤滤波器的输出端口与气体探头连接，第二耦合器的99％的输出端口用于串联其他的第二耦合器或串联光纤光栅。

所述光纤滤波器能够对有第二耦合器传输来的光信号进行滤波，只能使设定波长的光信号通过，设定的波长为与待测气体能够发生光谱吸收反应的光信号波长。

所述气体探头采用现有的反射式气体探头8-4，能够将光信号输出到外界环境中与外界气体充分接触，进行光谱吸收反应后，再通过全反射镜反射回光路中，光谱吸收反应的空间称为气室，通过过滤防护，只有外界环境中的气体能进入气室。

反射式气体探头能够将进行了光谱吸收反应后的光信号进行反射，反射后的信号经过第二耦合器、环形器进入反射光检测光路。

本实施例设置多个第二耦合器和光纤滤波器，且光纤滤波器只能根据测量气体种类允许设定波长的光信号通过。能够实现多种气体同时测量，解决了传统光纤气体检测时需要通过切换光源输出波长来切换气体检测种类，增强了实时性，降低了操作难度。

本实施例中，相邻传感器之间还设置有延时器13，延时器用于延长宽带光脉冲信号的通过时间，配合光时域反射技术，进行各个传感器之间的区分，实现了将单组传感器测量增加到多组同时测量，有效降低了使用成本，且多组传感器串联在一根光纤上，实现了光纤传感检测的有效集成，增强了系统的稳定性，提高了工程应用的实用性。

本实施例中，所述ASE激光器与控制器连接，控制器能够控制ASE激光器发出设定的宽带光脉冲信号。

实施例2：

本实施例公开实施例1所述的城市管廊多参数光纤分布式测量装置的工作方法，对管廊中甲烷、氨气进行气体浓度测量，对应力、位移、液位、温度、湿度进行测量。

其中能够与甲烷发生光谱吸收反应的光信号波长为1654nm，与氨气发生光谱吸收反应的光信号波长为1512nm，光纤光栅测量所需要的光信号波长范围为1520nm-1560nm。

因此设置第一波分复用器能够将光信号分离出1654nm和1512nm两种波长的光信号并输出给两个第一光电检测件。

第二波分复用器能够将光信号分离出1654nm、1512nm及1520nm-1560nm三种波长的光信号，分别输出给两个第二光电检测件和可调谐F-P滤波器，即其中一个第二光电检测件只能接受1654nm波长的光信号，另一个第二光电检测件只能接受1512nm波长的光信号，可调谐F-P滤波器只能接受1520nm-1560nm波长范围内的光信号，并对1520nm-1560nm波长范围内的光信号进行滤波。

两个第二耦合器连接的光纤滤波器分别能够只允许1654nm和1512nm波长的光信号通过。

将相应的元件进行连接，并在管廊内布置传感器。

启动ASE激光器，ASE激光器发射出宽带光脉冲信号，经过第一耦合器后，分为两路，一路进入第一波分复用器，第一波分复用器将光信号分离出1654nm和1512nm波长的光信号，分别进入两个第一光电检测件，第一光电检测件对其进行光电转换并分别得到1654nm和1512nm两种波长光信号的第一光强度信息I₀(λ)，另一路光脉冲信号通过环形器进入传感器，依次经过传感器的两个第二耦合器，其中一个第二耦合器连接的光纤滤波器只允许1654nm波长的光信号通过，传输给气体探头，与甲烷发生光谱吸收反应，并将反应后的光信号进行反射，依次经过第二耦合器、光环形器、波分复用器并到达其中一个第二光电检测件，第二光电检测件对1654nm波长的光信号进行光电转换并得到第二光强度信息I(λ)，第一光强度信息和第二光强度信息均通过多通道高速数据采集电路传输给控制器。

控制器利用公式

即可求得甲烷气体的浓度。

其中λ为波长，L是吸收路径的长度，可以测量得到，α_λ为气体在波长为λ时的吸收系数，为常数。

另一个第二耦合器所连接的光纤滤波器只能允许1512nm波长的光信号通过，通过气体探头与氨气发生光谱吸收反应后反射，通过环形器、第二波分复用器进入另一个第二光电检测件，第二光电检测件得到1512nm波长的反射光信号的第二光强度信息，与1512nm波长的光信号的第一光强度信息配合，得到氨气气体的浓度，计算方法与甲烷浓度的计算方法相同，在此不进行重复叙述。

管廊内的物理量发生变化时，光纤光栅的反射光信号波长发生变化，波长发生变化的光信号反射，反射后的1520nm-1560nm波长范围内的光信号经过环形器、第二波分复用器进入可调谐F-P滤波器进行扫频，同时第三光电检测件实时检测反射光信号光强大小，当第三光电检测件检测到光强最大时，可调谐F-P滤波器扫描的波长信息即为光纤光栅反射回光信号的波长，第三光电检测件将反射光信号波长的大小信息通过多通道高速数据采集电路传输给控制器，控制器根据波长大小得到所测量的物理量，其技术方法为现有技术，在此不进行详细叙述。

其他传感器通过延时器的延时区分后，采用相同的方法进行物理量和气体浓度的测量，在此不进行重复叙述。

本实施例只采用一个激光器和一根光纤，物理量的测量和气体浓度的测量共用激光器和光纤，降低了系统的复杂程度，增强了稳定性，有节省了成本。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，包括激光器，所述激光器与第一耦合器的输入端口连接，能够将产生的光信号传输给第一耦合器，所述第一耦合器的两个输出端口分别连接入射光检测光路和光环形器的其中一个端口，所述光环形器的另一个端口连接反射光检测光路，第三个端口依次串联连接多个用于安装在管廊上且沿管廊分布的传感器；

所述传感器包括多个依次串联设置的第二耦合器及多个光纤光栅，第二耦合器的其中一个输出端口通过光纤滤波器与气体探头连接。

2.如权利要求1所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述入射光检测光路包括输入端与第一耦合器输出端连接的第一波分复用器，所述第一波分复用器输出端连接有多个第一光电检测件，所述第一波分复用器能够对第一耦合器输出的光信号按不同波长进行分离，分别传输给相应的第一光电检测件，所述第一光电检测件用于检测输入光信号的光强。

3.如权利要求2所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述第一光电检测件与多通道高速数据采集电路连接，多通道高速数据采集电路与控制器连接，第一光电件检测得到的光强信息能够通过多通道高速数据采集电路传输给控制器。

4.如权利要求1所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述反射光检测光路包括第二波分复用器，所述第二波分复用器的输出端与光环形器的端口连接，所述波分复用器的输出端口连接有多个第二光电检测件及一个光信号波长检测件，所述第二波分复用器能够对传感器反射回的光信号进行分离，气体探头反射回的光信号能够输入第二光电检测件，第二光电检测件能够检测反射光信号的光强，所述光纤光栅发射回的光信号能够输入光信号波长检测件，光信号波长检测件用于检测反射回光信号的波长。

5.如权利要求4所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述光信号波长检测件包括串联设置的可调谐F-P滤波器及第三光电检测件，可调谐F-P滤波器与第二波分复用器连接，能够对光纤光栅反射的光信号进行滤波和扫频，第三光电检测件能够检测得到反射回光信号的光强度，当第三光电检测件检测得到的光强度最大时，对应的可调谐F-P滤波器扫描的光信号波长为光纤光栅反射回的光信号的波长。

6.如权利要求4所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述第二光电检测件及第三光电检测件均与多通道高速数据采集电路连接，所述多通道高速数据采集电路与控制器连接，第二光电检测件及第三光电检测件检测的信息能够通过多通道高速数据采集电路传输给控制器。

7.如权利要求1所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述激光器与控制器连接，控制器能够控制激光器发射设定的光信号。

8.如权利要求1所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，相邻传感器之间的连接光路设置有延时器。

9.如权利要求1所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述气体探头采用反射式气体探头。

10.如权利要求1所述的一种城市管廊多参数光纤分布式测量装置，其特征在于，所述激光器采用ASE激光器。

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