CN103267590A - 由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置 - Google Patents

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刘宝瑛
陈炳生
王一钧
王贺
柴颖琦
崔岩
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Abstract

一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，属于光电测量技术，LD光源和BBS光源通过光纤与合束器的分路端口连接；传感器组由M根分布式光纤传感器与每根分布式光纤传感器上串联的1-n个光纤光栅传感器组成；传感器组与光开关的a端口连接，光开关的b端口与分光器的c端口连接，分光器d端口与合束器的公共端口连接，分光器的e端口分别与光纤光栅反射光谱波长解调器和OTDR解调器的输入端连接，光纤光栅反射光谱波长解调器和OTDR解调器的输出端与信号处理单元连接、负责控制、采集、显示和储存的计算机单元连接。本发明的优点是：利用一条光纤既可实现大范围分布式的温度传感测量，又可实现对于特定位置的精确定位测量。

Description

由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置
技术领域
本发明属于一种测量技术领域，特别涉及一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置。
背景技术
目前，基于光纤的传感技术分为分布式光纤传感技术和光纤光栅传感技术两种，其各有优缺点：
(1)分布式光纤传感技术中温度的测量利用的是光的自发拉曼散射效应。通过该效应，将产生一个波长更长的STOKES光和一个波长更短的反STOKES光。因而，通过测量光强即可反推知产生自发拉曼散射效应处的光纤温度。而利用OTDR技术，测量光脉冲的时延，即可测定距离，实现光纤内的空间定位。在分布式光纤传感技术中，光纤既是传输介质，又是传感介质。其优点是能对整条光纤进行测量。但缺点是其定位精度取决于光脉冲的脉冲宽度和能量，通常能实现约1米的定位精度，温度测量精度约为1度。
(2) 光纤光栅传感技术则利用的是在光纤内形成的周期性折射率分布。由于干涉效应，将使得满足一定波长条件的光被反射回去，而其它波长的光则透射过去。而由于热光效应和弹光效应，反射光的波长将随着温度、应变等的变化而漂移。因而通过检测波长漂移，即可实现温度、应变等物理量的测量。通过在一根光纤上串接不同波长的光纤光栅，也可以构成具有准分布特性的光纤光栅传感器。光纤光栅传感技术的优点是测量精度较高，可达0.1度，定位精度高，可以精确到光纤光栅所处的约1cm的区域，这对于如电力***汇流排、大型建筑的载荷集中区等需要精确定位测量的领域十分重要。但缺点是各光纤光栅传感点之间的光纤仅用于联接，而无法进行传感测量。
在一些大范围、多检测点的测温，例如：对于大型钢铁企业中不同区域的温度监控，以往的方法是单独对某个测温区域进行独立的测温监控，甚至是由人直接进入高温、高噪音及易发机械伤害的危险环境中，通过红外测温枪测量相应设备和区域的温度。有些位置难以人员进入，如线缆槽（沟）、下埋或高架的气体管道、煤料堆放场地等更是成为了温度监控的盲区。但正是这些地方恰恰是重大生产事故频发的隐患部位。由于场地、距离、实现成本、测温方式等限制因素，很难实现该区域的温度监控。更不能实现由一台设备终端对全部这样需要测温的地点、区域进行整体温度监控。即便安装了光纤测温设备，但也只能是针对特定区域的单一测温方式。如电控柜：每个控制柜内可安装一个光纤光栅传感器，但连接到电控柜内的动力电缆及布设电缆的管道内温度无法监控，如还需要对动力线缆进行温度监控，就需要另购设备。这样限制了该类温度测量设备的适用范围，集中式的多对象测温网络就不可能实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的缺陷，提供一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，同样利用一根光纤，在其中串接若干光纤光栅进行点式精确测量；同时，采用不同于光纤光栅波长的泵浦光入射到光纤中，诱使其产生自发拉曼效应，从而将整条光纤作为拉曼光纤传感器进行温度传感测量；这样，可以利用一条光纤既实现大范围分布式的温度传感测量，又可以实现对于特定位置的精确定位测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：它包括光源、传感器组、合束器、分光器、光开关和解调器；
所说的光源包括LD光源和BBS光源，LD光源和BBS光源通过光纤与合束器的分路端口连接；
所说的传感器组由M根分布式光纤传感器与每根分布式光纤传感器上串联的1-n个光纤光栅传感器组成；
所说的传感器组与光开关的第一分路端口a连接，光开关的第二分路端口b与分光器的第一分路端口c连接，分光器的第二分路端口d与合束器的公共端口连接，分光器的第三分路端口e分别与光纤光栅反射光谱波长解调器和OTDR解调器的输入端连接，光纤光栅反射光谱波长解调器和OTDR解调器的输出端与信号处理单元连接；该信号处理单元与负责控制、采集、显示和储存的计算机单元连接。
所述的一根分布式光纤传感器串接1-64个光纤光栅传感器。
所述的光纤光栅传感器为具有不同中心波长的光纤光栅传感器。
所述的LD光源为产生拉曼散射所需要的脉冲泵浦光，波长为1630nm。
所述的BBS光源为宽带光源，BBS光源的波长与光纤光栅传感器的波长为1525-1565nm。
所述的光纤光栅传感器包括由导热硅胶粘合剂封装的包裹353ND双组份环氧树脂层的光纤光栅，在353ND双组份环氧树脂层外套装封装管，封装管内填充导热硅胶，封装管的两端固定紧固端母，紧固端母与分布式光纤的金属铠通过金属圈固定。
本发明的优点和有益效果是：
1、将光纤光栅测温与分布式光纤测温两种技术结合起来，同样利用一根光纤，在其中串接若干光纤光栅进行点式精确测量。这样，可以利用一条光纤既实现大范围分布式的温度传感测量，又可以实现对于特定位置的精确定位测量。与传统产品相比，解决了单分布式光纤传感技术中其测量及定位精度低的缺点和光纤光栅传感技术中各光纤光栅传感点之间的光纤仅用于联接而无法测量的缺点。
2、适用于多种大型厂、矿、企业、隧道的各种环境的测温方式，实现集中式控制显示的多对象测温传感网络，具有高稳定性与高可靠性，扩大了应用领域，降低了***成本及维护成本。
附图说明：
图1 是本发明的结构示意图。
图2是本发明光纤光栅传感器结构示意图。
图中：1-LD光源，2-BBS光源，3-光纤，4-合束器，5-分光器，6-分布式光纤传感器，7-光纤光栅传感器，8-光纤光栅反射光谱波长解调器,9-OTDR解调器,10-信号处理单元,11-计算机单元,12-光开关，13-导热硅胶粘合剂,14-353ND双组份环氧树脂层,15-光纤光栅,16-封装管,17-导热硅胶, 18-紧固端母,19-金属圈，２0-金属铠，21-传感器组。
具体实施方式：
以下结合附图及较佳实施例，对依据发明提供的具体实施方式、结构、特征及其攻效，作进一步详细说明；
如图1-2所示，一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其中，
选用LD光源１和BBS光源２，通过光纤３与合束器４的分路端口f连接，LD光源为产生拉曼散射所需要的脉冲泵浦光，波长为1630nm；BBS光源为宽带光源，BBS光源的波长为1525-1565nm；
根据现场所需测量触点的数量多少，传感器组２１由M根分布式光纤传感器６与每根分布式光纤传感器６上串联的1-64个光纤光栅传感器７组成；由于BBS光源波长范围宽度限制了单光纤通道下可接光纤光栅传感器最大数量在64个以内，为了扩充光纤光栅传感器数量，可采用空分复用技术，连接多通道电控光开关器件，由程序控制遍历所有通道，由此可实现多点多通道检测的技术目的，可连接多通道光纤光栅传感器和分布式光纤传感器，每个光纤光栅传感器７具有不同中心波长，波长为1525-1565nm；
传感器组２１与光开关１2的第一分路端口a连接，光开关１2的第二分路端口b与分光器５的第一分路端口c连接，分光器５第二分路端口d与合束器４的公共端口g连接，分光器５的第三分路端口e与第四分路端口f分别与光纤光栅反射光谱波长解调器８和OTDR解调器９的输入端连接，光纤光栅反射光谱波长解调器８和OTDR解调器９的输出端与信号处理单元１０连接；该信号处理单元１０与负责控制、采集、显示和储存的计算机单元１１连接。
本装置连接计算机单元，计算机单元与习知的声光报警装置配置，即可实现预警报警。
所述光纤光栅传感器７为封装的光纤光栅１5，其结构为：包括由导热硅胶粘合剂１3封装的包裹353ND双组份环氧树脂层１4的光纤光栅１5，在353ND双组份环氧树脂层１4外套装封装管１6，封装管１6内填充导热硅胶１7，封装管１6的两端固定紧固端母１8，紧固端母１8与分布式光纤传感器６的金属铠20通过金属圈１9固定；所述的封装结构包括但不限于上述封装装置，经过这种封装的光纤光栅，可以放大温度变化量，并且基本上消除了应力与压力的影响，从而提高测量精度，也使光纤栅传感器测量范围得以扩展。
本发明的工作原理为：LD光源所发的光和BBS光源所发出的光同时耦合进一根光纤，通过分光器入射到分布式光纤传感器中，同时也入射到串接在分布式光纤传感器中的光纤光栅传感器组中。入射到光纤光栅传感器组中的BBS光源的波长及各个光纤光栅传感器的波长是1525nm到1565nm之间。分布式光纤的拉曼散射产生的STOKES光波长将在1630nm左右，反STOKES光波长将在1430nm左右。分布式光纤传感器返回的瑞利散射光是与LD脉冲泵浦光同波长的。由于我们设计的光纤光栅传感器返回的波长，避开了这个波长，不会对其造成影响。因此很容易通过WDM分光器件把两个不同波长的返回信号分开，做到互不影响。经过WDM分光后，每个光纤光栅传感器返回的信号通过可调谐滤波器，则可将各个光纤光栅的波长解调出来；分布式光纤传感器返回的信号利用OTDR解调器进行光纤传感信号提取。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：它包括光源、传感器组、合束器、分光器、光开关和解调器；
所说的光源包括LD光源和BBS光源，LD光源和BBS光源通过光纤与合束器的分路端口连接；
所说的传感器组由M根分布式光纤传感器与每根分布式光纤传感器上串联的1-n个光纤光栅传感器组成；
所说的传感器组与光开关的第一分路端口a连接，光开关的第二分路端口b与分光器的第一分路端口c连接，分光器的第二分路端口d与合束器的公共端口连接，分光器的第三分路端口e分别与光纤光栅反射光谱波长解调器和OTDR解调器的输入端连接，光纤光栅反射光谱波长解调器和OTDR解调器的输出端与信号处理单元连接；该信号处理单元与负责控制、采集、显示和储存的计算机单元连接。
2.如权利要求１所述的一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：所述的一根分布式光纤传感器串接1-64个光纤光栅传感器。
3.如权利要求１所述的一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：所述的光纤光栅传感器为具有不同中心波长的光纤光栅传感器。
4.如权利要求１所述的一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：所述的LD光源为产生拉曼散射所需要的脉冲泵浦光，波长为1630nm。
5.如权利要求１所述的一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：所述的BBS光源为宽带光源，BBS光源的波长与光纤光栅传感器的波长为1525-1565nm。
6.如权利要求１所述的一种由光纤光栅及分布式光纤相结合的定位测温装置，其特征在于：所述的光纤光栅传感器包括由导热硅胶粘合剂封装的包裹353ND双组份环氧树脂层的光纤光栅，在353ND双组份环氧树脂层外套装封装管，封装管内填充导热硅胶，封装管的两端固定紧固端母，紧固端母与分布式光纤的金属铠通过金属圈固定。
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