CN220982299U - 环境状态监测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种环境状态监测***，包括：光发射模块，用于发出第一宽带光；光传输模块，与光发射模块连接，用于接收第一宽带光并将第一宽带光分路为多个第二宽带光；光传感模块，光传感模块包括多个位于目标监测环境中的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器用于接收第二宽带光，并反射窄带光至光传输模块；以及多个光解调模块，均与光传输模块连接，用于接收由光传输模块传输的各光纤光栅传感器反射的窄带光，并基于窄带光确定目标监测环境的监测值。本实用新型提供的环境状态监测***设置多个光纤光栅传感器反射的窄带光，换算出目标监测环境的状态值，能够同时监测多个位置或多个类型。

Description

环境状态监测***

技术领域

本实用新型涉及光纤技术领域，特别是涉及一种环境状态监测***。

背景技术

光纤传感技术是一种以光为载体、以光纤为传感单元和传播媒介的一种技术，该技术主要是通过光在光纤中传输时特征量的改变来反演外界环境场的改变。

传统技术中通过光纤特征量的改变直接计算外界环境场的改变量，具有精度不高的问题，且监测方式单一，因此需要开发一种能够高精度监测环境场改变的监测***。

实用新型内容

基于此，有必要针对通过传统技术中使用光纤简单计算外界环境场改变量的精度低的问题，提供一种环境状态监测***。

本申请提供一种环境状态监测***。该环境状态监测***包括：

光发射模块，用于发出第一宽带光；

光传输模块，与光发射模块连接，用于接收第一宽带光并将第一宽带光分路为多个第二宽带光；

光传感模块，光传感模块包括多个位于目标监测环境中的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器用于接收第二宽带光，并反射窄带光至光传输模块；以及

多个光解调模块，均与光传输模块连接，用于接收由光传输模块传输的各光纤光栅传感器反射的窄带光，并基于窄带光确定目标监测环境的监测值。

在其中一个实施例中，目标监测环境的目标监测状态包括温度、压力、振动中至少一种，多个光纤光栅传感器中包括温度光纤光栅传感器、压力光纤光栅传感器、振动光纤光栅传感器中至少一种。

在其中一个实施例中，光传输模块包括分路单元和耦合单元，分路单元用于将第一宽带光分路为多个第二宽带光并传输至耦合单元，耦合单元用于将多个第二宽带光耦合传输至各光纤光栅传感器，耦合单元还用于将多个窄带光耦合传输至各光解调模块。

在其中一个实施例中，光发射模块发出的第一宽带光的波长大于等于1530纳米且小于等于1565纳米。

在其中一个实施例中，光解调模块通过确定窄带光的特性值，基于特性值和监测值的相关关系，根据特性值确定监测值。

在其中一个实施例中，光解调模块用于确定窄带光的波长，基于预设的窄带光的波长和监测值的相关关系，根据窄带光的波长确定监测值。

在其中一个实施例中，光解调模块包括：

温度确定单元，用于确定当前温度；

分光片，设置在窄带光的光路上，用于将窄带光分路为反射光和透射光；

第一转换单元，接收反射光并将反射光转换为第一电信号；

第二转换单元，接收透射光并将透射光转换为第二电信号；以及

处理器，用于根据当前温度进行标定，基于第一电信号和第二电信号确定窄带光的波长，并基于窄带光的波长确定目标监测环境的监测值。

在其中一个实施例中，光解调模块还包括准直器，准直器设置在窄带光的光路上，使得窄带光经过准直器准直后进入分光片。

在其中一个实施例中，分光片和第二转换单元之间还设置有滤波片，使得透射光经滤波片滤波后进入第二转换单元。

在其中一个实施例中，光解调模块还包括温度控制单元，温度控制单元用于调节分光片、第一转换单元、第二转换单元和/或处理器的温度。

上述环境状态监测***包括光发射模块、光传输模块、光传感模块和光解调模块，光传感模块包括多个用于监测目标监测环境的光纤光栅传感器，光发射模块发出第一宽带光，光传输模块将第一宽带光分路为多个第二宽带光并进入各光纤光栅传感器，经光纤光栅传感器反射得到窄带光并通过光传输模块传输至光解调模块，光解调模块通过确定窄带光的特性值，换算得到目标监测环境的状态值。通过这样的方式，一方面能够通过各监测结果进行比对，确定平均值，提高准确性；另一方面能够对目标监测环境的多个位置或多个类别同步监测，得到多个监测结果。

附图说明

图1为一实施例中的环境状态监测***的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参阅图1，图1示出了本实用新型一实施例中的环境状态监测***的结构示意图。在一个示例性的实施例中，环境状态监测***包括光发射模块110、光传输模块120、光传感模块130和多个光解调模块140。光发射模块110用于发出第一宽带光，光传输模块120与光发射模块110连接，能够接收其发出的第一宽带光并将第一宽带光分路为多路具有相同波长的第二宽带光，多路的第二宽带光均进入光传感模块130中。光传感模块130包括多个位于作为监测对象的目标监测环境中的光纤光栅传感器132（FBG传感器，Fiber BraggGrating），从而能够通过光纤光栅传感器132感知目标监测环境的状态。多个光纤光栅传感器132形成多个监测单元，可设置于多个位置或用于多个状态类型的监测。光纤光栅传感器132在接收到第二宽带光后，反射得到窄带光，将得到的窄带光再次传输至光传输模块120，经由光传输模块120将窄带光传输至光解调模块140中。一个光解调模块140接收一个光纤光栅传感器132经光传输模块120传输的窄带光，从而各光纤光栅传感器132反射的窄带光均由各自对应的光解调模块140进行解调，通过光解调模块140确定目标监测环境的目标监测状态的监测值。示意性地，监测值可以是目标监测环境的温度值、受到的压力值或振动幅度。

光纤光栅传感器132的工作原理是基于光栅的光纤中的布拉格衍射现象，利用光栅结构的光纤来测量和监测物理量的改变，具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点。光栅是通过在光纤芯部***周期性的折射率改变而形成的。当第二宽带光经过光栅时，会发生布拉格衍射，即光线的特定频率被反射回来，从而得到窄带光。这个特定的频率取决于光栅的周期和光纤的折射率。当物理量发生改变时，例如温度升高或压力增大，会导致光纤的折射率发生改变，从而改变布拉格衍射的频率，使窄带光的特性发生变化，通过测量这个特性值的改变，可以得出目标监测环境所改变的目标检测状态的监测值。示意性地，窄带光表现为波长发生偏移，通过测量这个波长的改变，可以得出监测值。

示意性地，光纤光栅传感器132能够监测的目标检测状态包括温度、压力、应力等。相应地，目标监测环境的状态改变可以是温度改变、压力改变和/或发生振动，基于此类状态改变能够得到特性发生改变的窄带光，从而基于窄带光反向换算得到目标监测环境状态物理量的改变值。在光纤光栅传感器132被配置于目标监测环境的多个不同位置时，能够监测不同位置的状态。可选地，在得到不同位置的状态后，可以计算均值以提高准确度。如同时监测不同位置的温度。

基于封装方式的不同，光纤光栅传感器可以被制作为仅对温度敏感的温度光纤光栅传感器、仅对压力敏感的压力光纤光栅传感器和仅对振动敏感的振动光纤光栅传感器。多个所述光纤光栅传感器中包括温度光纤光栅传感器、压力光纤光栅传感器、振动光纤光栅传感器中至少一种，其中，在多个所述光纤光栅传感器包括温度光纤光栅传感器、压力光纤光栅传感器、振动光纤光栅传感器中的两种或三种时，能够监测同一时间下目标监测环境不同状态类别的改变，如同时监测温度和振动。

相对于传统技术中仅单一监测环境物理量的方法，本实施例提供的技术方案通过将第一宽带光分路为多个第二宽带光，分别进入多个类型的光纤光栅传感器中，能够同步监测多个位置或多个类型的环境状态。

在监测过程中，光发射模块110持续发出第一宽带光，从而产生持续的第二宽带光通入光纤光栅传感器132中。在目标监测环境的状态未发生改变时，反射的窄带光持续维持在第一状态，一旦目标监测环境的状态改变，反射的窄带光相应改变，从而在状态改变时段内窄带光处于第二状态，光解调模块140可以基于第二状态和第一状态的差异确定目标监测环境的特性改变量，在获取第一状态下目标检测环境的监测值时，即可基于窄带光的特性该变量确定第二状态的监测值。

在一个实施例中，预先通过实验确定窄带光特性一一对应的监测值，并构建相关关系检索表格，如构建窄带光波长对应的温度值的表格。在通过光解调模块140确定窄带光的特性值后，基于得到的特性值在相关关系表格中进行查找，以得到唯一确定的特性值。

在另一个实施例中，在监测过程中，持续的第二宽带光通入光纤光栅传感器132中，在目标监测环境的状态维持固定而未改变时，光解调模块140得到的窄带光维持在第一状态，此时波长维持定值。一旦目标监测环境的状态改变，窄带光的状态发生变化而处于第二状态，窄带光在第二状态下相对于第一状态的波长发生偏移，确定第一状态下目标监测环境的监测值后，光解调模块能够基于波长偏移方向和偏移量确定第二状态下目标监测环境的监测值。

示意性地，多个第二宽带光分别输入至各光纤光栅传感器132中，从而使各光纤光栅传感器132均能起到监测作用。光纤光栅传感器132的数量和第二宽带光的数量一致，使多个第二宽带光一一进入各光纤光栅传感器132中，从而使光传感模块130具有多个监测单元，能够同时对多个位置或多个类型进行监测。

光发射模块110可以包括宽带光源112。宽带光源112是能够提供较宽频谱范围的光信号的装置或设备，可以发射多个不同波长的光，并且这些波长之间的间隔比较小，形成一个宽带的光谱，也即第一宽带光。示意性地，宽带光源112可以是C波段第一宽带光源，C波段第一宽带光源能够提供C波段光谱的光源。

C波段的光谱范围可以在1530纳米至1565纳米之间，且可以是端点值。C波段具有较低的光纤传输损耗和较好的光纤非线性特性，因此被广泛应用于长距离、高速、高容量的光纤通信***中。示意性地，C波段第一宽带光源包括但不限于ASE（AmplifiedSpontaneous Emission，放大自发辐射）光源、边发射光源等。

光传输模块120与光发射模块110连接，示意性地，可以是以光纤连接，以接收第一宽带光。光传输模块120接收第一宽带光后，将第一宽带光进行分路，得到多个第二宽带光。示意性地，通过分路器对第一宽带光进行分路，分路器用于将入射的光信号分成两个或多个输出通道。当第一宽带光通过分路器时分为多路，从而将第一宽带光转换为多个第二宽带光。示意性地，分路器可以是1*2分路器，以将第一宽带光分为两路第二宽带光，此外，还可以连续设置多个分路器，以得到多路第二宽带光。

在将第一宽带光分路为第二宽带光后，光传输模块120还用于将第二宽带光传输至光传感模块130中。在一个可行的实现方式中，参见图1，光传输模块120可以包括分路单元122和耦合单元124，分路单元122用于将第一宽带光分路为多个第二宽带光并传输至耦合单元124，耦合单元124用于将多个第二宽带光耦合传输至多个光纤光栅传感器132中，由多个光纤光栅传感器132反射得到多个窄带光，耦合单元124还用于将多个窄带光耦合传输至各自对应的光解调模块140。示意性地，耦合单元124使第二宽带光与光纤光栅传感器132的一一耦合对应，使光纤光栅传感器132发出的窄带光与相应的光解调模块140一一对应。

在一个可行的实现方式中，光传输模块120由PLC（Planar Lightwave Circuit，平面波导电路）分路器组成。PLC分路器也称为光纤分路器或光纤耦合器，是基于光学波导技术的光学器件，可以将输入的光信号均匀地分配到多个输出通道，或将多个输入信号合并成一个输出。具体于本实施例中，PLC分路器可以将第一宽带光均匀地分配到多个输出通道，从而输出多个第二宽带光。还可以将多个窄带光分别输出至光解调模块140中。

PLC分路器可以是集成芯片，基底采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制成，光波导芯片位于基底表面，分路功能集成在光波导芯片上，在光波导芯片两端分别使用多通道光纤阵列进行耦合封装，当入射端有光进入时，光通过芯片就会将功率均分至各个通道，并从各通道的输出端输出，每路光的特征一致。具体地，第一宽带光输入至入射端，第二宽带光从输出端输出。可选地，PLC分路器可采用1*2*8 PLC芯片或1*16 &1*2*16 PLC芯片进行耦合封装。其中1表示输入通道数，后面的数字表示输出通道数，此外还可根据实际需求定制具体的通道数。

本实施例中，用PLC分路器代替多路1*2拉锥耦合器，不仅体积缩小2/3以上，而且也降低了成本，通道数越多，成本优势越明显。

在一个示例性的实施例中，光解调模块140包括分光片141、第一转换单元142、第二转换单元143、温度确定单元144和处理器（图中未示出），分光片141设置在窄带光的光路上，温度确定单元144用于确定当前温度，窄带光部分经过分光片141反射得到反射光并进入第一转换单元142，经第一转换单元转换为第一电信号。窄带光部分经过分光片141透射得到透射光并进入第二转换单元143，经第二转换单元转换为第二电信号。处理器根据当前温度进行标定，并基于第一电信号和第二电信号的值确定窄带光的波长值，基于波长值和目标监测环境的监测值的相关关系，确定监测值。

温度确定单元144能够检测当前温度。示意性地，温度确定单元144包括热敏电阻，可以设置在光解调模块140的任意位置，通过热敏电阻确定当前温度。可选地，热敏电阻的温度测量范围为-50摄氏度至150摄氏度之间。

分光片141能够将入射的光束分成两个或多个光束，具体在本实施例中，窄带光通过分光片141部分反射且部分透射。反射的部分定义为反射光，进入第一转换单元142中，透射的部分定义为透射光，进入第二转换单元143中。可选地，分光片141镀有消偏振膜和分光膜，消偏振膜用于将偏振光转化为非偏振光，消除或减弱光的偏振效应，提高测量的准确性和可靠性，分光膜用于将入射的窄带光按照特定的比例分割成不同的方向，使光反射至第一转换单元142，分光比例可以取20%~80%中一个定值。

示意性地，第一转换单元142和/或第二转换单元143可以包括半导体材料，基于光电效应，通过利用半导体材料中存在的光电子激发和载流子产生的原理，将光的能量直接转换为电压或功率值，从而使处理器能够基于电压、功率值进行换算。其中，第一转换单元142可以作为参考路，第二转换单元143作为信号路。

在一个可行的实现方式中，第一转换单元142将反射光转换为第一电信号U1，第二转换单元143将透射光转换为第二电信号U2，处理器用于获取第一电信号U1和第二电信号U2的比例关系，并确定比例关系和当前温度的相关关系，根据相关关系确定窄带光的波长值。示意性地，第一电信号U1和第二电信号U2的比例关系可以通过K1或K2来表示，其中，K1=U2/(U1+U2)，K2=U2/U1。在构建K1、K2和当前温度的相关关系后，基于相关关系表征波长值。具体地，波长值通过λ=A*K+B确定，其中λ是波长值，A和B为常量，并和温度T有关，通过外界标定预设得到。

每个温度T下分别对应一组K1~Kn和λ1~λn（n为标定的波长数），实际标定时温度T由外界控制梯度，数量≥3个，最终形成一个三维矩阵对应关系。从而在确定当前温度后，能够基于K1和K2得到对应的窄带光波长值。示意性地，在构建温度、第一电信号和第二电信号的比例关系与波长值的对应关系时，由于存在温度梯度和波长梯度，以插值拟合的方式填充间隙，能够提高对应精度，从而提高***测量精度。可选地，插值温度梯度阶梯＜1℃，插值波长阶梯＜0.1nm。

在一个实施例中，光解调模块140还包括准直器145，准直器145设置在窄带光的光路上，窄带光经过准直器145准直后进入分光片141。准直器145的作用是使光线聚焦，减小光束的散布和扩散效果，使其更加平行和集中，用于将光束聚焦成较为平行的光线。本实施例中，设有准直器145后，能够将光传输模块120输出至光解调模块140的窄带光进行汇聚，使进入分光片141的窄带光更汇集，提高光束质量。

在其中一个实施例中，分光片141和第二转换单元143之间还设置有滤波片146，透射光经滤波片146滤波后进入第二转换单元143。滤波片146能够选择性地透过或阻挡特定波长范围的光线，它可以根据需要增强或减弱某些波长的光线，达到筛选、分离或调节光的目的。本实施例中，透射光经滤波片146滤波，以去除杂散光线。

在其中一个实施例中，光解调模块140还包括温度控制单元（图中未示出），温度控制单元用于调节分光片141、第一转换单元142、第二转换单元143和处理器的温度。可选地，温度控制单元还可以控制准直器145和滤波片146的温度。通过温度控制单元控制光解调模块140为预设的温度值，作为当前温度值，处理器即可直接根据预设温度值进行计算窄带光的波长值，而不需要通过温度确定单元确定当前温度，避免稳定波动对计算结果的影响，以提高测试精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种环境状态监测***，其特征在于，所述环境状态监测***包括：

光发射模块，用于发出第一宽带光；

光传输模块，与所述光发射模块连接，用于接收所述第一宽带光并将所述第一宽带光分路为多个第二宽带光；

光传感模块，所述光传感模块包括多个位于目标监测环境中的光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器用于接收所述第二宽带光，并反射窄带光至所述光传输模块；以及

多个光解调模块，均与所述光传输模块连接，用于接收由所述光传输模块传输的各所述光纤光栅传感器反射的所述窄带光，并基于所述窄带光确定所述目标监测环境的监测值。

2.根据权利要求1所述的环境状态监测***，其特征在于，所述目标监测环境的目标监测状态包括温度、压力、振动中至少一种，多个所述光纤光栅传感器中包括温度光纤光栅传感器、压力光纤光栅传感器、振动光纤光栅传感器中至少一种。

3.根据权利要求1所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光传输模块包括分路单元和耦合单元，所述分路单元用于将所述第一宽带光分路为多个第二宽带光并传输至所述耦合单元，所述耦合单元用于将多个所述第二宽带光耦合传输至各所述光纤光栅传感器，所述耦合单元还用于将多个所述窄带光耦合传输至各所述光解调模块。

4.根据权利要求1所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光发射模块发出的所述第一宽带光的波长大于等于1530纳米且小于等于1565纳米。

5.根据权利要求1所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光解调模块通过确定所述窄带光的特性值，基于所述特性值和所述监测值的相关关系，根据所述特性值确定所述监测值。

6.根据权利要求5所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光解调模块用于确定所述窄带光的波长，基于预设的所述窄带光的波长和所述监测值的相关关系，根据所述窄带光的波长确定所述监测值。

7.根据权利要求6所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光解调模块包括：

温度确定单元，用于确定当前温度；

分光片，设置在所述窄带光的光路上，用于将所述窄带光分路为反射光和透射光；

第一转换单元，接收所述反射光并将所述反射光转换为第一电信号；

第二转换单元，接收所述透射光并将所述透射光转换为第二电信号；以及

处理器，用于根据所述当前温度进行标定，基于所述第一电信号和所述第二电信号确定所述窄带光的波长，并基于所述窄带光的波长确定所述目标监测环境的监测值。

8.根据权利要求7所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光解调模块还包括准直器，所述准直器设置在所述窄带光的光路上，使得所述窄带光经过所述准直器准直后进入所述分光片。

9.根据权利要求7所述的环境状态监测***，其特征在于，所述分光片和所述第二转换单元之间还设置有滤波片，使得所述透射光经所述滤波片滤波后进入所述第二转换单元。

10.根据权利要求7所述的环境状态监测***，其特征在于，所述光解调模块还包括温度控制单元，所述温度控制单元用于调节所述分光片、所述第一转换单元、所述第二转换单元和/或所述处理器的温度。