膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統。該傳感系統包括：寬帶光源、隔離器、耦合器、光開關、光纖光柵壓力傳感器陣列、光纖光柵波長采集系統以及信號處理系統。其中，寬帶光源發出的光送至隔離器，隔離器單向輸出光信號至耦合器，耦合后的光信號進入光開關并將光分成多路，發送給膜片式和波紋管式結構的光纖光柵壓力傳感器陣列，其中一路返回光進入隔離器，另一路返回光進入光纖光柵波長采集系統，采集的波長信息進入信號處理系統完成壓力信號處理。通過上述方式，本實用新型提供一種適用于光纖傳感技術領域的一種壓力監測系統。
【專利說明】
膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及光纖傳感技術領域，具體而言，涉及一種高靈敏度大量程的光纖光柵壓力傳感器，可用于壓力監測系統。
【背景技術】
[0002]大壩是進行水資源管理的一個重要和不可或缺的建筑，同時，連續長期的大壩安全監測系統，能夠提供潰壩通知預警，對于保護下游人民生命財產安全具有重大意義。我國水利部也對建國二十多年來全國大型水庫先后發生的千宗工程事故進行過整理分析，其中滲流事故占事故總數的三分之一。可見，滲流異常是大壩事故的重要原因，大壩滲流中滲壓監測問題將成為設計、施工的關鍵課題，研發壽命長、精度高、抗雷擊、可大規模組網的大壩滲壓監測系統是十分重要的。
[0003]目前，絕大多數大壩滲壓監測系統采用的機電測試系統普遍存在抗干擾能力弱、長期穩定性差、相對誤差、零漂和動漂較大等缺點而很難滿足實際需要。而光纖布拉格光柵型傳感器除了具有光纖傳感器的優點外，還具有波長編碼獨特優勢和準分布式特點，已廣泛應用于工程結構的應力、應變等參數的測量，可滿足大壩監測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求，是解決目前機電傳感器所存在問題的關鍵傳感技術。目前大部分壓力傳感器都是將光纖光柵埋入高分子聚合物或無機玻璃中，通過介質的形變來帶動光纖光柵中心波長發生變化。雖然其靈敏度均有所提高，但高分子聚合物存在耐腐蝕性差、易老化等致命的缺點，嚴重制約傳感器耐久性能的發揮;而無機玻璃結構又存在加工工藝復雜，成活率低的缺點。目前已有的光纖光柵液體壓力傳感器，普遍存在不能同時實現高靈敏度和大量程的測量，例如專利200920071884.8提出的雙波紋結構在進行高靈敏度測量的同時，無法保證大量程的實現;而專利201420258751.9提出的膜片式結構測量靈敏度較低。因此，同時實現高靈敏度與大量程的大壩滲壓測量尤為重要。
【發明內容】
[0004]本實用新型的是為了解決現有埋入式光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG，簡稱光纖光柵)壓力傳感器耐腐蝕性差、易老化、耐久性差等問題，提出一種同時實現高靈敏度與大量程測量的膜片與雙波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感裝置。
[0005]基于膜片與雙波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，它包括寬帶光源(1)、隔離器(2)、耦合器(3)、光開關(4)、光纖光柵壓力傳感器陣列(5)、光纖光柵波長采集系統
[6]和信號處理系統(7);
[0006]寬帶光源(I)發出的光經隔離器(2)和光纖耦合器(3)后進入光開關，分別傳輸給分布式的光纖光柵壓力傳感器陣列(5)；
[0007]由光纖光柵壓力傳感器陣列(5)中每個光纖光柵壓力傳感器返回的光信號經由光開關又進入耦合器(3)，耦合器(3)將返回的光送入光纖光柵波長采集系統(6)采集波長變化信號，再進入信號處理系統(7)完成對外界壓力信號的處理；
[0008]光纖光柵壓力傳感器陣列(5)由η行m列的膜片與波紋管式結構構成，該結構包括壓力傳感器和金屬片，金屬片用于對光纖光柵壓力傳感器進行封裝，其中η和m均為正整數。
[0009]本實用新型的有益效果:本實用新型集合光學技術和機械技術于一體，選擇加工性能好、具有足夠的強度極限、對于交變的應力沒有殘余的變形、良好的溫度特性、長期使用沒有變化、耐腐蝕性良好的特種合金材料，易于推廣使用，提高了光纖光柵壓力傳感器的抗外界干擾能力，同比提高了 20%;并且膜片式壓力傳感器和雙波紋管式壓力傳感能夠在量程和靈敏度互補，適用于不同范圍和靈敏度需要的監測，本實用新型既解決了工程結構的粗放施工要求和野外惡劣環境的長期耐久性要求，同時也解決了適用范圍和監測靈敏的要求。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的整體結構圖。
[0011]圖2為光纖光柵壓力傳感器陣列(5)的結構圖。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統，它包括寬帶光源(I)、光纖隔離器(2)、光纖耦合器(3)、光開關(4)、光纖光柵壓力傳感器陣列(5)、光纖光柵波長米集系統(6)和信號處理系統(7);
[0013]寬帶光源(I)發出的寬帶光送至隔離器(2)，光纖隔離器(2)的將單向輸出光信號傳輸到親合器(3)，親合器(3)將親合后的光信號送入光開關(4)，光開關(4)又把光分成多路發送給光纖光柵壓力傳感器陣列(5);
[0014]光纖光柵壓力傳感器陣列(5)的每一個光纖光柵傳感器滿足布拉格條件的光將被返回，返回的光信號由光開關(4)進入耦合器(3)，被耦合器(3)耦合后的光分成兩路，其中一路耦合光返入隔離器(2)并被隔離器(2)阻隔不能回到寬帶光源(I)，以防對光源輸出光造成影響，另一路耦合光進入光纖光柵波長采集系統(6)采集不同光纖光柵壓力傳感器返回的中心波長信號，再進入信號處理系統(7)完成外界壓力信號的處理；
[0015]光纖光柵壓力傳感器陣列(5)由η行m列的膜片與波紋管式結構構成，該結構包括壓力傳感器和金屬片，金屬片用于對光纖光柵壓力傳感器進行封裝，其中η和m均為正整數。
[0016]光纖光柵壓力傳感器陣列采用光纖光柵作為傳感元件，具有耐腐蝕、防水、抗電磁干擾及集成化、網絡化的特點;通過檢測光纖光柵中心波長來監測壓力大小，具有極高的靈敏度和大的測量范圍；同時壓力傳感單元還采用金屬膜片封裝作為傳感元件，尺寸小，能夠實現小型化;光纖光柵壓力傳感器的膜片封裝結構解決了工程結構的粗放施工要求和野外惡劣環境的長期耐久性要求;適合在大壩中使用;膜片式與波紋管式結構結合解決了工程結構壓力監測中大量程高靈敏的需求。
[0017]膜片式封裝結構的光纖光柵壓力傳感器，利用的是圓形薄板在兩側有壓差時薄板變形，其中心位移最明顯。利用該中心位移反映光纖光柵波長的變化上是該傳感器的特點。平面圓形膜片的設計直接決定了所設計的傳感器的靈敏度和分辨率。波紋管式裝結構的的光纖光柵壓力傳感器是波紋管的拉伸變形來帶動光纖光柵的；如果將波紋管的頂端與膜片可靠連接，在外界壓力作用下，光纖光柵傳感器收到的壓力將來自膜片和波紋管兩種;這種壓力會使光纖光柵中心波長偏移比單一膜片式或單一波紋管式結構的要大，提高了系統的靈敏度，擴大了測量量程;本實用新型中膜片的撓性面是平面型膜片，使用的波紋管是有一定剛度系數的金屬，將金屬化壓力傳感器與壓力敏感平面型膜片進行可靠連接，以獲得較好的壓力傳遞和信號轉換特性；
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統作進一步限定，本實施方式中，它還包括信號光開關(4)，光開關(4)模塊與光纖光柵壓力傳感器陣列(5)相連接擴大光纖光柵壓力傳感器的分布數量；
[0019]【具體實施方式】三:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統作進一步限定，本實施方式中，它還包括信號處理系統(7)，所述光纖光柵波長采集系統(6)的光信號輸出端連接信號處理系統(7)的光信號輸出端；
[0020]【具體實施方式】四:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統作進一步限定，本實施方式中，光纖光柵壓力傳感器陣列(5)中的每一行光纖光柵傳感器反射譜的中心波長不同，且在寬帶光源發出的光譜內；
[0021]【具體實施方式】五:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統作進一步限定，本實施方式中，光纖光柵壓力傳感器陣列(5)將大量程低靈敏度膜片式結構壓力傳感器與低量程高靈敏度波紋管式壓力傳感器結合；
[0022]【具體實施方式】六:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統進一步限定，本實施方式中，光纖光柵壓力傳感器陣列(5)中每個光纖光柵壓力傳感器的反射譜中心波長不同，且在寬帶光源輸出的C+L波段；
[0023]【具體實施方式】七:本實施方式對【具體實施方式】一所述的光纖光柵壓力傳感裝置作進一步限定，本實施方式中，寬帶光源(I)的掃描范圍為C+L波段，為1525nm-1600nm，輸出光功率達到lOOmw，光功率穩定度典型值為±0.02dB，輸出光隔離度為35dB，輸出回波損耗為45dB；
[0024]【具體實施方式】八:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓監測系統作進一步限定，本實施方式中，光纖光柵波長采集系統(6)波長測量范圍為C+L波段，為1525nm-1600nm，波長分辨率為0.lpm,波長精度為± Ipm0
【主權項】
1.膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:它包括寬帶光源(1)、隔離器(2)、耦合器(3)、光開關(4)、光纖光柵壓力傳感器陣列(5)、光纖光柵波長采集系統(6)和信號處理系統(7); 寬帶光源(I)發出的光送至隔離器(2)，隔離器(2)的單向輸出光信號輸出端連接耦合器(3)的光信號的一端，經親合器(3)親合后的光信號進入光開關(4)并可將光分成多路，分別發送給光纖光柵壓力傳感器陣列(5)中每個光纖光柵傳感器； 光纖光柵壓力傳感器陣列(5)中每個傳感器返回的光信號沿著光開關(4)返回到耦合器(3)，進入到耦合器(3)的光其中一路光返回輸入端被隔離器(2)阻隔不能回到寬帶光源(I)，另一路光進入光纖光柵波長采集系統(6)采集波長信號，由光纖光柵波長采集系統(6)采集的波長信息進入信號處理系統(7)完成壓力信號處理； 光纖光柵壓力傳感器陣列(5)由η行m列的膜片與波紋管式結構構成，該結構包括壓力傳感器和金屬片，金屬片用于對光纖光柵壓力傳感器進行封裝，其中η和m均為正整數。2.根據權利要求1所述的膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:它還包括信號處理系統(7)，所述光纖光柵波長采集系統(6)的光信號輸出端連接信號處理系統(7)的光信號輸出端。3.根據權利要求1所述的膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:光纖光柵壓力傳感器陣列(5)將大量程低靈敏度膜片式結構壓力傳感器與低量程高靈敏度波紋管式壓力傳感器結合。4.根據權利要求1所述的膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:光纖光柵壓力傳感器陣列(5)中每個光纖光柵壓力傳感器中心波長都不同。5.根據權利要求1所述的膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:系統將波分復用技術與空分復用技術結合，采用了光開關(4)。6.根據權利要求1所述的膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:寬帶光源(I)的掃描范圍大于1525nm且小于1600nm，輸出光功率為lOOmw，光功率穩定度典型值為土 0.02dB，輸出光隔離度為30dB，輸出回波損耗為45dB，工作溫度大于O °C且小于60 cC.7.根據權利要求1所述的膜片與波紋管式結構的光纖光柵大壩滲壓傳感系統，其特征在于:光纖光柵波長采集系統(6)波長測量范圍大于1525nm且小于1600nm，波長分辨率為.0.lpm，波長精度為±lpm。
【文檔編號】G01L11/02GK205642710SQ201620069633
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年1月25日
【發明人】熊燕玲, 吳明澤, 任乃奎, 沈濤, 陳卉
【申請人】哈爾濱理工大學