CN108871658A - 光纤压力传感器、光纤压力传感***及压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤压力传感器及光纤压力传感***，涉及传感技术，该光纤压力传感器包括：位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射器，反射器将测量压力的测试信号反射回去，由发送该测试信号的装置接收，并通过该反射信号的光强确定压力传感部分的压力，该光纤压力传感器不包含有源器件，可以独立应用在危险环境中，不配合使用防爆装置，适用范围广，使用成本低。

Description

光纤压力传感器、光纤压力传感***及压力测量方法

技术领域

本发明涉及传感技术，尤其涉及一种光纤压力传感器、光纤压力传感***及压力测量方法。

背景技术

在工业生产及经营管理中，以电学原理为基础的传感器，诸如：压阻式传感器、电容式、超声波传感器等得到广泛的使用。但是，在对石油类液体或者其它易燃易爆等高危险液体以及强腐蚀液体进行压力测量时，则需要采用非电子的安全防爆型的压力传感器，因为电火花可能会引起***等危险情况的出现。

光纤压力传感是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界压力信号，具有体积小、重量轻、传输距离远，电绝缘性强、抗电磁干扰等优点。同时，该传感器可以承受高温、高压以及强烈的冲击与振动等极端条件，适用于易燃易爆、高温和高压等环境中的压力检测。

基于强度调制的传统光纤压力传感器，一般都是独立的一套测试***，光路是单向的，包括光源(发光二极管LED或激光器)、光电二极管、压力传感部分、光纤等。测量时，可连续不间断的工作。

图1为现有的光纤压力传感器的光路示意图，光路是单向传输的。光从压力传感部分的一端进入，另一端出来，通过测量接收光的强度来判断压力的大小。缺点是该压力传感器是有源的，需要有防爆装置才能应用。

发明内容

本发明提供一种光纤压力传感器及光纤压力传感***，用以解决现有技术中光纤压力传感器有源，不方便使用的问题。

依据本发明的一个方面，提供一种光纤压力传感器，包括：位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射装置，其中：

压力传感部分，用于向所述光纤传导压力，所述压力使得光在所述光纤传输过程中出现损耗；

反射装置，用于反射测量信号。

进一步，该光纤压力传感器还包括：

分光器，其第一输出端连接压力传感部分，第二输出端通过光纤连接第二反射装置作为参照光路；

其中，两个光路的长度的差值大于测量信号的信号宽度。

更进一步，还包括：

至少一个可调光衰减装置，设置在所述参照光路上，和/或，设置在所述压力传感部分所在的光路上。

优选的，所述分光器具体为：

等分分光器，或者

不等分分光器。

优选的，所述反射装置具体为：

镀膜类型的反射器；或者

光纤光栅类型的反射器；或者

反射镜。

本发明实施例还相应提供一种光纤压力传感***，包括至少一个本发明实施例提供的光纤压力传感器，还包括：

光测量设备，用于发送测量压力的测量信号，并接收反射回来的测量信号，根据该测量信号确定压力传感部分的压力值。

进一步，还包括一个多路输出的分光器，其输入端连接所述光测量设备，每个输出端连接一个所述光纤压力传感器；

其中，每两个分支光路的总长度之差均大于设定值。

本发明实施例还相应提供一种光纤压力传感***，包括至少一个本发明实施例提供的光纤压力传感器，还包括：

光测量设备，用于发送测量压力的测量信号，并接收反射回来的测量信号，根据该反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值；

至少两个分光器串行连接，每个未连接分光器的输出端连接一个光纤压力传感器；

其中，每两个包括光纤压力传感器的光路的总长度之差均大于设定值。

更进一步，所述分光器为不等分分光器，其中，

插损小的光路连接下一级分光器的输入端，插损大的光路连接光纤压力传感器。

本发明实施例还相应提供一种压力测量方法，包括：

向压力传感器发送测量信号，所述压力传感器包括位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射装置，其中，压力传感部分用于向所述光纤传导压力，所述压力使得光在所述光纤传输过程中出现损耗，反射装置用于反射测量信号；

根据经由所述压力传感器反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值。

本发明有益效果如下：本发明实施例提供的光纤压力传感器、光纤压力传感***及压力测量方法，包括：位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射器，反射器将测量压力的测试信号反射回去，由发送该测试信号装置中的接收***接收，并通过该反射信号的光强确定压力传感部分的压力，该光纤压力传感器不包含有源器件，可以独立应用在危险环境中，不配合使用防爆装置，适用范围广，使用成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中光纤压力传感器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的对应实施例一的光纤压力传感器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的对应实施例一的光纤压力传感器的反射曲线图；

图4为本发明实施例提供的对应实施例一的光纤压力传感器的压力对照图；

图5为本发明实施例提供的对应实施例二的光纤压力传感器结构示意图；

图6为本发明实施例提供的对应实施例二的光纤压力传感器的反射曲线图；

图7为本发明实施例提供的对应实施例三的光纤压力传感器结构示意图；

图8为本发明实施例提供的对应实施例三的光纤压力传感器的反射曲线图；

图9为本发明实施例提供的对应实施例四的光纤压力传感***结构示意图；

图10为本发明实施例提供的对应实施例五的光纤压力传感***结构示意图；

图11为本发明实施例提供的对应实施例五的光纤压力传感***的反射曲线图；

图12为本发明实施例提供的对应实施例六的光纤压力传感***结构示意图；

图13为本发明实施例提供的对应实施例六的光纤压力传感***的反射曲线图；

图14为本发明实施例提供的压力测量方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2a所示，本发明实施例提供的一种光纤压力传感器，包括：位于光纤上的压力传感部分201，以及处于光纤一端的反射器202，其中：

压力传感部分201，用于向光纤传导压力，该压力使得光在光纤传输过程中出现损耗；

反射器202，用于反射测量信号。

该光纤压力传感器不包含有源器件，可以独立应用在危险环境中，不配合使用防爆装置，适用范围广，使用成本低。

本发明实施例中的压力传感部分201可以使用微弯型压力传感器，如图2b所示，微弯结构包括一对机械周期为A的齿形板，光纤从齿形板中间穿过，在齿形板的作用力F下产生周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度发生变化，从而导致输出光的功率发生变化。通过光检测器检测到的光功率变化来间接测量外部压力的大小。通过对光载波强度的检测，就能确定与之成比例的变形器的位移，并确定压力大小。

通过该压力传感器，在光纤一端发送一个测试脉冲，就能收到一个反射峰，预先测试一个无压力时的反射峰值，再监测有压力时的反射峰，通过反射峰的差值(取log后)，就可计算出实际压力值。如果有连接器，连接器还可能会产生一个反射峰，这个反射峰没有意义，可以忽略。这样的装置作为一个测压压力传感器节点。大量压力传感器节点可以通过光分配网络(Optical Distribution Network，ODN)进行连接，用光测量设备(如光时域反射仪OTDR)发送测量信号，再接收光路中所有反射信号，并进行识别和数据处理，可知道每个传感器的压力值。其中，测量信号可以为测试脉冲或者测试序列，测试序列可以进一步具体为伪随机码或互补码。

其中，反射器可以具体为：

镀膜类型的反射器；或者

光纤光栅类型的反射器；或者

反射镜。

实施例一

如图2a所示，该光纤压力传感器没有任何电相关的控制电路及电接口，也没有光源和光电二极管，是无源传感器。光路上，测试光脉冲从c端入射到光纤中，c端可以是预留连接头，也可以是一小段裸纤，供熔接用，出射光b端连接反射器，反射器具体可以是镀膜类型的反射器，也可以是光纤光栅类型的反射器。

如图3所示，在无压力情况下，测试出反射光强(取log，下同)为p_A，在有压力情况下，测试出反射光强为p_B，光强差Δp＝p_A-p_B，通过图4中压力f与光强差Δp的关系就可以得出压力值。实际情况下，压力与光强差的关系可由压力传感生产厂家测试提供。

实施例一的光纤压力传感器比较适用于对压力测试精度要求不高的场景，比如光网络比较稳定，即光测量设备与传感器节点间的光路损耗相对稳定。然而，由于实际应用时，反射信号的强度受光纤长度、连接器、光源稳定度等因素影响，反射强度也随之受影响。为解决这个问题，提高测试精度，本发明实施例提供下面优选的方案。

实施例二

提高测试精度，可以通过增加一个参考反射光，其光强也随上述因素一同动态变化，即如果施加的压力不变时，参考光强与经过压力传感部分后的反射光强之间的比值(取log后就是差值)不随上述因素动态变化，即，就是这个反射光强的比值大小只随压力而变化。要实现两个独立的反射峰，则可以通过1×2分光器进行分光，一路分支直接加反射器，反射回来的光作为参考光强，另一路分支用于传感器的反射。在光路上，两个分支的反射器到1×2分光器的距离差要足够大，至少要大于测试脉宽在光纤中的长度，避免反射峰重叠，难分辨。

如图5所示，该光纤压力传感器还包括：分光器203，第一输出端连接压力传感部分201，第二输出端通过光纤连接第二反射装置202作为参照光路；

其中，两个光路的长度的差值大于测量信号的信号宽度。

当测量信号为单脉冲时，信号宽度可以具体为脉冲信号的脉宽，当测量信号为测量序列时，信号宽度可以具体为测量序列的码元宽度。

图5中，c点为光纤连接头，a点为参考反射位置点，增加反射器，b点为传感器反射位置点，增加反射器。测试光脉冲从c点进入，通过分光器(如20％：80％)到a点和b点，反射后再回到c点，共产生2个反射峰。图6中的坐标轴表示距离与光强的关系，假设c点到a点的距离为L，c点到b点距离为M，为了使两个反射峰不产生重叠，|M-L|要大于测试脉宽的距离。因c点是连接器，那就又会多了一个反射峰，反射峰高度与相邻反射峰相差不大时，可能会影响测量精度，这时L的值也要大于测试脉宽的距离，避免反射峰重叠。c点可以是熔接点，这样就没有反射，对L也就没有要求。

图6中的纵坐标p表示光强(功率，取log后的值)，p0表示无压力时的两反射峰的光强差值，(p0+Δp)为有压力时的光强差，Δp是有压力与无压力时光强的差值，通过Δp与压力的关系，可得出压力值。

实际应用时，p0可为正(参考反射峰高于无压力时的传感器反射峰)，可为负(参考反射峰低于无压力时的传感反射峰)，a点与b点的位置也可以互换(即参考反射分支长度可以比传感分支长)。所用的分光器，既可为等分分光器，也可为非等分分光器。

实施例二中的压力传感器是通过Δp才能计算出压力值，而从反射曲线中，只能读出p0+Δp，这样p0值必须预先知道。其实在传感器制作完成时，p0的值已经确定，传感器出厂时，应给出p0值。因传感器加工制作中，难免会出现工艺上的误差，每个传感器p0值可能会不一样，在多传感器节点监控计算时，就必须知道每个传感器节点的p0，不利于大规模应用。

实施例三、

为了解决每个传感器p0值可能不一致的问题，在用于参考的光反射支路上增加一个可调光衰减装置，串在分光器和反射器之间，作用是将p0调整为0dB，即无压力时，两反射峰高度一样。这时两反射峰差值就是Δp，不需要预先知道p0的值了。

在应用中，可调光衰减装置可以串在分光器后的任何一分支，只要在无压力时，两个反射峰，高的那个分支加上光衰减装置。甚至可以两分支都可以各串一个可调光衰减装置。另外，每个传感器节点的p0值可以调整为0dB，也可以调整为一固定值。

如图7所示，该光纤压力传感器还包括：

至少一个可调光衰减装置204，设置在参照光路上，和/或，设置在压力传感部分所在的光路上。

如图8所示，同样，纵坐标p表示光强(功率，取log后的值)，p0表示无压力时的两反射峰的光强差值，(p0+Δp)为有压力时的光强差，Δp是有压力与无压力时光强的差值，通过Δp与压力的关系，可得出压力值。由于p0值固定，所以可以直接通过两反射峰差值得到Δp。

实施例四、

本发明实施例还提供一种光纤压力传感***，用以完成压力测试，如图9所示，该光纤压力传感***包括本发明实施例提供的光纤压力传感器901，还包括：

光测量设备902，用于发送测量压力的测量信号，并接收反射回来的测量信号，根据该反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值。

光测量设备902也可以连接监测机房，由监测机房来实现压力值的计算和统计、监测的功能。

本实施例中的光纤压力传感器901可以根据实际情况采用实施例一、实施例二、实施例三中的任何一种光纤压力传感器。

实施例五、

为了能连接多个传感器节点，增加至少两个1×2非等分光器(如5％：95％输出比)，将多个传感器节点串联在一个网络拓扑下，组成一个链形网络，便于同时检测。

如图10所示，该光纤压力传感***中，还包括：

至少两个分光器903串行连接，每个未连接分光器903的输出端连接一个光纤压力传感器901。

其中，每两个包括光纤压力传感器的光路的总长度之差均大于设定值。

进一步，分光器903为不等分分光器，其中，

插损小的光路连接下一级分光器903的输入端，插损大的光路连接光纤压力传感器901。

具体的，分光器903的输入端接主干光纤，两分支中一路插损大的支路(5％)连接光纤压力传感器901，另一路(95％)通过一段光纤后，再串一个不等分分光器903，两分支的接法与前面相同，这样就可以连接更多的光纤压力传感器901。通过光测量设备，测试出实时反射曲线，当采用实施例二中的光纤压力传感器时，反射曲线的示意图如图11所示，每一个光纤压力传感器对应两个反射峰，通过每个光纤压力传感器的反射峰的差值Δp变化(P0不为0，反射峰的差值为P0+ΔP，P0已知，可求出ΔP)，可以计算出每个光纤压力传感器的压力大小，从而实现多节点实时监测。需要注意的是在组网时光纤压力传感器间的距离，在反射曲线上，不能出现反射峰重叠，如果没有其他反射峰的时候，距离至少要大于两反射峰的距离加一个测试脉宽的距离。有其他反射(如连接器)时，需要增加距离进行避让，保证不会出现重叠，即，每两个包括光纤压力传感器的光路的总长度之差至少要大于两反射峰的距离加一个测试脉宽的距离，如果有其它反射，还要再将每两个包括光纤压力传感器的光路的总长度之差所要大于的设定值增大。

应用时，可也采用等分分光器，即50％：50％的输出比，此时，***中包含的光纤压力传感器会较少。如果要让ODN支持更多的传感器节点，达到最优，可采用不同分光比的分光器组合使用，基本原则是离光测量设备越近，采用的分光比越大，离光测量设备越远，采用的分光比越小，直至50％：50％。

实施例六、

采用的是星形组网拓扑，采用1×n等分分光器，然后再连接各个光纤压力传感器，n≥2。

如图12所示，该光纤压力传感***中，还包括：

一个多路输出的分光器904，其输入端连接光测量设备902，每个输出端连接一个光纤压力传感器901；

其中，每两个分支光路的总长度之差均大于设定值。

当采用实施例二中的光纤压力传感器时，反射曲线的示意图如图13所示，为了避免反射峰重叠，每个光纤压力传感器901到1×n等分分光器之间的距离都不能相同。距离要求与实施例五相同。进一步，1×n的分光器也可以是非等分的分光器。

实施例四、实施例五与实施例六中的光测量设备和监测机房，也可以具体为内置测量功能的光模块加控制设备，再通过联网的方法，进行远程监测和控制。

本发明实施例还相应提供一种压力测量方法，如图14所示，包括：

步骤S1401、向压力传感器发送测量信号，压力传感器包括位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射装置，其中，压力传感部分用于向所述光纤传导压力，该压力使得光在所述光纤传输过程中出现损耗，反射装置用于反射测量信号；

步骤S1402、根据经由压力传感器反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值。

进一步，压力传感器还包括分光器，其第一输出端连接压力传感部分，第二输出端通过光纤连接第二反射装置作为参照光路，其中，两个光路的长度的差值大于测量信号的信号宽度；

步骤S1420具体包括：

根据经由压力传感器的两个光路反射回来的两个测量信号确定压力传感部分的压力值。

本发明实施例提供的光线压力传感器、光纤压力传感***及压力测量方法，能应用于接近分布式光纤压力传感的情况，对大量节点进行实时监测，可以抗光纤链路干扰，提升测压精度，采用无源方式，不需要增加防爆装置。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是其与其他实施例的不同之处。尤其对于装置实施例而言，由于其基本相似与方法实施例，所以，描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

虽然通过实施例描述了本申请，本领域的技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光纤压力传感器，其特征在于，包括：位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射装置，其中：

压力传感部分，用于向所述光纤传导压力，所述压力使得光在所述光纤传输过程中出现损耗；

反射装置，用于反射测量信号。

2.如权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，还包括：

分光器，其第一输出端连接压力传感部分，第二输出端通过光纤连接第二反射装置作为参照光路；

其中，两个光路的长度的差值大于测量信号的信号宽度。

3.如权利要求2所述的光纤压力传感器，其特征在于，还包括：

至少一个可调光衰减装置，设置在所述参照光路上，和/或，设置在所述压力传感部分所在的光路上。

4.如权利要求2或3所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述分光器具体为：

等分分光器，或者

不等分分光器。

5.如权利要求1-3任一所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述反射装置具体为：

镀膜类型的反射器；或者

光纤光栅类型的反射器；或者

反射镜。

6.一种光纤压力传感***，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-3任一所述的光纤压力传感器，还包括：

光测量设备，用于发送测量压力的测量信号，并接收反射回来的测量信号，根据该反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，还包括一个多路输出的分光器，其输入端连接所述光测量设备，每个输出端连接一个所述光纤压力传感器；

其中，每两个分支光路的总长度之差均大于设定值。

8.一种光纤压力传感***，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-3任一所述的光纤压力传感器，还包括：

光测量设备，用于发送测量压力的测量信号，并接收反射回来的测量信号，根据该反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值；

至少两个分光器串行连接，每个未连接分光器的输出端连接一个光纤压力传感器；

其中，每两个包括光纤压力传感器的光路的总长度之差均大于设定值。

9.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述分光器为不等分分光器，其中，

插损小的光路连接下一级分光器的输入端，插损大的光路连接光纤压力传感器。

10.一种压力测量方法，其特征在于，包括：

向压力传感器发送测量信号，所述压力传感器包括位于光纤上的压力传感部分，以及处于光纤一端的反射装置，其中，压力传感部分用于向所述光纤传导压力，所述压力使得光在所述光纤传输过程中出现损耗，反射装置用于反射测量信号；

根据经由所述压力传感器反射回来的测量信号确定压力传感部分的压力值。