光纤光栅的温度、湿度和风速一体化复合传感系统 |
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申请号 | CN201610251494.X | 申请日 | 2016-04-21 | 公开(公告)号 | CN105953940A | 公开(公告)日 | 2016-09-21 |
申请人 | 北京卫星环境工程研究所; | 发明人 | 张景川; 杨晓宁; 王晶; 周艳; 裴一飞; 钱北行; 毕研强; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种光纤光栅 温度 、湿度和 风 速一体化复合型传感系统,包括 泵 浦 激光器 、 波长 解调仪、电脑终端、波分 耦合器 、光纤连接器、控制线路、跳线光纤连接的测试环境中的一根测试光纤一、测试光纤二和温度参考光纤,三根光纤包括有至少13个测试点,测量得到现场多点的温度、湿度以及风速参数,其中,两个测试光纤及温度参考光纤分别接入三路测量端口,泵浦激光器经由波分耦合器进入用于测量风速参数的测试光纤一,泵浦激光器用于加热测试光纤一上连接的高吸收损耗光纤段,即加热光纤热线用于风速测量。本发明可以实现对 环境温度 、湿度以及风速三参数的同步高 精度 测量。 | ||||||
权利要求 | 1.一种光纤光栅温度、湿度和风速一体化复合型传感系统,包括泵浦激光器(21)、波长解调仪(22)、电脑终端(23)、波分耦合器(24)、光纤连接器(25)、控制线路(31)、跳线光纤32连接的测试环境中的一根测试光纤一(33)、测试光纤二(34)和温度参考光纤(35),三根光纤包括有至少13个测试点,同步测量现场多点的温度、湿度以及风速参数,其中,电脑终端与波长解调仪通过以太网线连接,进行解调过程的控制和传感数据的收集,波长解调仪具有四路测量端口,端口间的切换通过内置光开关来完成,测试光纤一、测试光纤二及温度参考光纤分别接入三路测量端口,泵浦激光器经由波分耦合器进入用于测量风速参数的测试光纤一,泵浦激光器用于加热测试光纤上连接的高吸收损耗光纤段,即加热光纤热线用于风速测量。 |
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说明书全文 | 光纤光栅的温度、湿度和风速一体化复合传感系统技术领域背景技术[0002] 传感技术是物理世界信息感知的触角,光纤光栅作为一种新型的光器件,在数据采集与监测方面具有安全、抗电磁干扰能力强、适用于远程监测等优点,目前已经成为传感技术当中的一个重要分支,备受研究人员与工业界的重视。近年来,光纤传感器的发展呈现出微型化、多参数的趋势。单一参数测量的光纤光栅传感器目前应用较为普遍,学术界对双复合参数传感器也有较多研究,但主要是针对如何提高传感器的测量分辨率以及减少测量误差,以实现一根光纤同时实现对多个物理量的精确测量。然而,目前对于三参数及以上的复合型光纤光栅传感系统的研究比较缺乏,也未开发出三个以上测量参数的复合型传感系统,更缺少测量精度高的复合传感系统,无法满足更高精度和多参数同步测量需求。 发明内容[0003] 本发明的目的在于提供一种光纤光栅温度、湿度和风速一体化复合型传感系统,解决了在测试环境(常温、常压)下同步精确测量温度、湿度以及风速的问题。 [0004] 为了解决上述问题,本发明采用了如下的技术方案: [0005] 一种光纤光栅温度、湿度和风速一体化复合型传感系统,包括泵浦激光 器、波长解调仪、电脑终端、波分耦合器、光纤连接器、控制线路、跳线光纤连接的测试环境中的一根测试光纤一、测试光纤二和温度参考光纤,三根光纤包括有至少13个测试点,测量得到现场多点的温度、湿度以及风速参数,其中,电脑与波长解调仪通过网线连接进行解调过程的控制和传感数据的收集,解调仪具有四路测量端口,端口间的切换通过内置光开关来完成,两个测试光纤及温度参考光纤分别接入三路测量端口,泵浦激光器用于加热测试光纤一上连接的钴掺杂光纤段,即加热光纤热线用于风速测量,泵浦激光器经由波分耦合器进入用于测量风速参数的测试光纤一。 [0006] 其中,体现三参数复合测量的测试光纤一依次设置有进行温度测试的两个温度传感器、湿度测试的两个湿度传感器和风速测试的两个风速传感器,提现多路测量扩展能力的测试光纤二依次设置有一温度测试点和一湿度测试点,温度补偿光纤依次设置有五个温度测试点。 [0007] 其中,位于测试光纤一的传感器均具有光纤布拉格光栅的基础结构,温度传感器通过光纤布拉格光栅自身的温度特性进行温度传感;湿度传感器使用光栅外部涂覆有吸湿性聚合物材料,进行湿度传感;风速传感器的光栅制备于高吸收损耗的光纤,例如:纤芯由钴(Co2+)元素掺杂,高吸收损耗光纤能够被泵浦激光激发到较高温度,通过待测点风速的变化产生光纤的温度变化,进行风速传感。 [0008] 其中,测试光纤二类似测试光纤一,具有光纤布拉格光栅为基础结构,通过光纤布拉格光栅自身的温度特性进行温度传感;其光栅外部涂覆有吸湿性聚合物材料,进行湿度传感。 [0009] 其中,聚合物材料为聚酰亚胺或聚乙烯醇。 [0010] 其中,温度参考光纤用来测量待测湿度、风速测量点附近的环境温度,以补偿环境温度的影响。 [0011] 其中,温度参考光纤的五个温度传感器分别设置在测试光纤一的两个湿度传感器,两个风速传感器和测试光纤二的湿度传感器附近。 [0012] 其中,温度传感器、湿度传感器和风速传感器分别在标定系统中进行标定。 [0013] 其中,通过具有不同反射波长的光纤布拉格光栅来区分不同测试点对各种监测参数变化的响应,在一根光纤中实现多点、多参数的复合传感测量,并可通过多根并行光纤进一步扩展测试点数量。 [0015] 图1为本发明的光纤光栅复合传感系统的结构示意图 [0016] 图2为本发明的光纤光路损耗的故障检查结构示意图 [0017] 图3为本发明的反射功率检查与控制示意图图4为本发明的光纤光栅温度传感系统示意图 [0018] 图中,11为温度测试点,其中11.a和11.b具有不同的光栅波长;12为湿度测试点;13为风速测试点;21为泵浦激光器;22为波长解调仪;23为电脑终端;24为波分耦合器;25为光纤连接器;26为光时域分析仪;27为光功率计;31为控制线路;32为跳线光纤;33为测试光纤一;34为测试光纤二;35为温度参考光纤;36为含温度参考的测试光纤。 具体实施方式[0019] 以下结合附图对本发明的光纤光栅温度、湿度和风速一体化复合型传感系统进行详细说明,这些说明仅仅是示例性的,并不旨在对本发明进行任何限制。 [0020] 图1显示了本发明的光纤光栅温度、湿度和风速一体化复合型传感系统的结构,其中,本发明的系统包括泵浦激光器21、波长解调仪22、电脑终端23、波分耦合器24、光纤连接器25、控制线路31、跳线光纤32连接的 测试环境中的一根测试光纤一33、测试光纤二34和温度参考光纤35,三根光纤包括有至少13个测试点,分别测量得到现场多点的温度、湿度以及风速参数,其中,电脑终端23与波长解调仪22通过网线连接进行解调过程的控制和传感数据的收集,解调仪22具有四路测量端口,端口间的切换通过内置光纤开关来完成,两个测试光纤一33和测试光线二34及温度参考光纤35分别接入三路测量端口,泵浦激光器21用于加热测试光纤一33上连接的高吸收损耗的钴掺杂光纤段,即形成光纤热线用于风速测量,泵浦激光器21经由波分耦合器24进入测试光纤一33。从图1中可以看出,用于温度、湿度及风速三参数复合测量的测试光纤一33依次设置有进行温度测试的两个温度传感器、湿度测试的两个湿度传感器和风速测试的两个风速传感器,用于示范多路复用功能的测试光纤二34依次设置有一个温度测试点和一个湿度测试点,温度补偿光纤35依次设置有五个温度测试点,用来测量待测湿度、风速测量点附近的环境温度,以补偿环境温度的影响。其中,温度参考光纤35的五个温度传感器分别设置在测试光纤一33的两个湿度传感器,两个风速传感器和测试光纤二34的湿度传感器附近。 [0021] 具体而言,本发明的系统由光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)为核心传感结构而构成的,其结构特点为:1)通过光纤布拉格光栅自身的温度特性进行温度传感,待测点温度的变化将带来光纤材料的热膨胀和热光效应,进而改变光栅反射波长并被解调仪器读出,从而实现温度测量;2)通过外涂覆吸湿性聚合物材料,例如聚酰亚胺(Polyimide,PI)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)的光纤布拉格光栅进行湿度传感,待测点湿度的变化将带来吸湿性材料的多向膨胀,进而对光纤光栅产生拉伸、挤压而改变光栅波长,从而实现湿度传感;3)通过纤芯钴(Co2+)元素掺杂的光纤布拉格光栅进行风速传感,原理类似传统电学热线(hot-wire)风速测量法,钴掺杂光纤首先被泵浦激光激发到一个较高温度,待测点风速的变化将带来处于热激发状态的钴掺杂光纤的温度变化,从而改变光栅波长,实现风 速传感。 [0022] 对于这些光纤光路,单根光纤的不同测试点对应的布拉格光栅需要具有不同的反射波长(λ1,λ2…)以进行区分,以温度传感器11为例,位于同一根光纤上的传感器11.a、11.b、11.c、11.d、11.e、11.f分别对应不同的光栅波长。而当传感器位于不同测试/参考光纤光路上的测试点可以具有相同的反射波长。 [0023] 本发明的整个示例系统测试系统的远程工作区是由电脑终端、波长解调仪、泵浦激光器、波分耦合器、光纤连接器组成,再通过跳线光纤连接测试现场的一根温度参考光纤、两根测试光纤,共13个测试点(含温度测试点8个,湿度测试点3个,风速测试点2个)。 [0024] 本系统可以通过串联和并联的方式进行扩展测试点,从而获得更多位置的温度、湿度或风速参数。其中,串联的方式是在测试光纤一33中可以继续增加温度、湿度或风速测试点(最大串联传感器数量受限于解调仪的解调能力),并联的方式是在系统中增加类似测试光纤一33或测试光纤二34的包含更多温度、湿度或风速测试点的额外测试光纤,(最大并联光纤数量受限于解调仪的光开关通道数) [0025] 本发明的复合传感测试系统,为了补偿环境温度对光纤布拉格光栅湿度、风速测量点的影响,系统中采用额外的温度参考光纤35来测量待测湿度、风速测量点附近的环境温度。并且提出了图4所示的第二种温度补偿方案,即将用于环境温度测量的参考光纤布拉格光栅在制作阶段,刻写于湿度、风速传感光栅附近。这样可以在一根光纤同时完成温度补偿,但是需要占用额外的光栅波长,即减少单根光纤的测试点复用能力。 [0026] 本发明提供了实验前光纤光栅复合传感系统检查的方法。通过对各条光路进行损耗检查以排除可能来自光纤间连接的间隙、脏污,不合格的连接点,以及小角度弯折或挤压带来的光纤泄漏损耗或断路;同时通过反射功率的检查可以避免在后面测试的过程中对解调仪器的损坏。 [0027] 具体方法如下: [0028] 1)在现场测试区域42完成所有传感测试点安装后,使用光纤跳线将3条光纤光路33,34,35分别连接至远程工作区域41。然后如图2所示,应用光时域反射计(OTDR)26分别对各条光路进行损耗检查,寻找并排除可能出现的光路异常点(如高反射,大损耗); [0029] 2)然后将泵浦激光器21通过波分耦合器24对应波长的端口,接入测试光纤一33(含光纤风速传感器)。打开泵浦激光器向测试光纤一33的光路中输入泵浦光,如图3所示,分别在测试光纤一33右端和波分耦合器24下接口处用光功率计测量传输到该光纤端口的光功率。在测试光纤一33右端处期望得到较高的光功率值,以确保泵浦光能够对测试光纤中进行风速测量钴掺杂光纤光栅传感器进行泵浦加热。在波分耦合器24下接口处期望得到较低的光功率值,以确保较小的泵浦激光被反射回出入光路,从而避免对测试仪器的损坏。 [0030] 3)在实验的过程中,为降低光纤光栅传感器由于加工工艺的差异性对探测物理量灵敏度的影响,因此需要对每个探测点的光纤光栅传感器在不同环境温度下进行标定,获得它们在所需实验环境范围内的传感响应精确度。从而作为现场实验环境中真实待测温度、湿度和风速传感值的基础参考。 |