一种气压测量系统及方法与流程

本发明涉及气压测量技术领域，更具体地，涉及一种气压测量系统及方法。

背景技术：

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一。在航空航天中，气压是一个重要的参数，气压表可以对很多其他导航仪器进行校准。传统的气压表已经不能完全满足航空航天中对于仪表的防燃防爆防电磁干扰的需要，研制一种体积小巧且抗干扰能力强的气压表成为迫切需要。

光纤传感技术最早出现于20世纪70年代，自从问世以来，就受到广泛的关注和重视，在众多领域得到应用，并起到了良好的效果。近年来，随着光纤传感技术的不断发展，光纤传感器在电力系统、石油化工、航空航天、环保、国防等领域得到广泛的应用，并表现出广阔的发展前景。其中，分布式待测光纤是光纤传感技术的重要的一种器件。

现有技术中，中国专利CN102680162“一种基于光纤光栅的大气压力计”利用匹配光栅解调发法，解调波长漂移的信息，从而求得光纤光栅的应变大小，即真空膜盒的形变程度，最终得到大气压力值。检测的是光波长而非光功率，光波长信息不受光传输过程中光功率损耗的影响，因而检测精度更高、分辨力更大，噪声更小。相比传统气压测量系统，灵敏度高，应变分辨力强，而且光纤传感器抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力很强，使得此套系统在恶劣环境中也能长期正常地使用，并且本发明质量轻、体积小。

对于大气压强的测量，由于影响大气压强的因素较多且复杂，往往在较小的范围内气压都会有差异，尤其是在垂直方向上，气压会随着海拔高度的增大而减小。而现有技术中气压测量装置一般只能测试一个位置的气压值，并且通常的气压检测探头的检测面又很小，这就有可能造成较大的测量误差。因此，将分布式光纤传感技术运用到气压测量能弥补传统气压测量装置不足，结合分布式传感器的特点，能同时获得多个不同空间位置的气压值，通过计算得到更准确的大气压强值，在测量精度上有显著的提升。

技术实现要素：

本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种气压测量系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种气压测量系统，包括气压传感装置和气压计算装置；所述气压传感装置，至少包括两个真空膜盒和待测光纤，所述真空膜盒分布式放置并通过待测光纤串联连接，与气压计算装置相连，所述真空膜盒表面固定有所述待测光纤，用于将待测气压所引起的所述真空膜盒形变信息转换成为待测光纤的应变信号光并发送给气压计算装置；所述气压计算装置，用于接收所述待测光纤的应变信号光，基于所述应变信息，计算获得待测气压值。

根据本发明的一个方面，提供一种气压测量方法，包括：步骤1，各真空膜盒将因气压产生的形变传递到待测光纤，待测光纤将所述各真空膜盒传递来的形变转化为应变信号；步骤2，基于所述应变信号计算得到待测点气压值。

本申请提出一种气压测量系统及方法，通过分布式待测光纤可以同时监测一段待测光纤上的任何位置的应力变化，因此可以在分布式待测光纤上设置多个测试点。对于每个测试点，使用真空膜盒装置感受大气压强的变化，将气压的变化转换为真空膜盒的形变，再作用到分布式待测光纤上。就可以对多个点的气压值进行同时监测，再结合各个点的海空间位置实现气压的精确计算。本申请同时获得多个不同空间位置的气压值，通过计算得到更准确的大气压强值，避免单独测量某几个点气压易受温度、湿度、气流等各方面环境因素的影响，在气压测量精度上有显著的提升。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种气压测量系统的整体框架示意图；

图2为根据本发明实施例的一种气压测量系统的真空膜盒结构示意图；

图3为根据本发明实施例的一种气压测量方法的整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1中，本发明一个具体实施例中，示出一种气压测量系统整体框架示意图。整体来说，包括：气压传感装置A1，至少包括两个真空膜盒A11和待测光纤A12，所述真空膜盒分布式放置并通过待测光纤A12串联连接，与气压计算装置A2相连，所述真空膜盒表面固定有所述光纤上的待测光纤，用于将待测气压所引起的所述真空膜盒形变信息转换成为待测光纤的应变信号光并发送给气压计算装置；气压计算装置A2，用于接收所述待测光纤的应变信号光，基于所述应变信息，计算获得待测气压值。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量系统，所述各真空膜盒分布式放置的位置有海拔差。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量系统A2，所述气压计算装置包括线性扫频光源A21、固定反射镜A22、光电探测器A23和信号处理单元A24；所述气压传感装置A1通过光纤耦合器A25分别与线性扫频光源A21、固定反射镜A22和光电探测器A23相连，信号处理单元A24与光电探测器A23相连；线性扫频光源A21发出的光经光纤耦合器A25分成两束，一束经固定反射镜A22返回，另一束则进入气压传感装置A1中的待测光纤A12折射后返回；光纤耦合器A25接收固定反射镜A22和光纤A12返回的光，将所述光经光电探测器A23发送给信号处理单元A24；信号处理单元A24用于利用接收到的信号光计算得到待测气压值。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量系统，所述真空膜盒A11与待测光纤A12通过用胶粘贴紧固的方法连接，真空膜盒A11的形变量直接传递给待测光纤A12。

如图2所示，本发明另一个具体实施例中，一种气压测量系统，每个测量点，都有一个由多个真空膜盒A11串联组成的气压感受装置A1。真空膜盒A11是一种由弹性金属焊接而成，内腔为真空或者微量空气状态的封闭膜盒，真空膜盒弹性金属面的弯曲度会随着外界气压的改变发生改变，因此可以作为一种大气压强的感受装置。对于多个膜盒的串联，可以使用金属连接杆A111，将连接杆的两端分别与相邻的两个真空膜盒的一个弹性表面焊接固定。

固定框架的作用是固定多个串联膜盒，实现将膜盒的形变传递到分布式光纤传感器的待测光纤上。固定框架A112为一个由A、B、C和D四个金属面焊接而成的框架，其中A、B和C三个面为非弹性金属面，D面为弹性金属面。固定框架的内部放置串联的真空膜盒，将膜盒的一端固定在面B的内侧，膜盒的另一端固定在面D的内侧，将待测光纤贴在固定结构的弹性金属面D的外侧。为了标定方便，装置设计时，通过使固定框架的长度适当大于内部串联膜盒整体的长度，保证固定框架的弹性金属面在正常大气压强范围内始终处于向内弯曲的状态，即串联真空膜盒一端连接杆对弹性金属面D的作用力始终为向右的拉力。

图3中，本发明另一个具体实施例中，示出一种气压测量方法总体流程示意图。整体来说，包括步骤1，各真空膜盒将因气压产生的形变传递到待测光纤，待测光纤将所述各真空膜盒传递来的形变转化为应变信号；步骤2，基于所述应变信号计算得到待测点气压值。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，所述分布式光纤传感器是基于光频域反射系统(OFDR)来测量待测光纤上各点的应力。它利用连续波频率扫描技术，经耦合器进入迈克尔逊干涉仪结构分成两束,一束经反射镜返回,其光程是固定的,称为参考光,另一束则进入待测光纤,由于光纤存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利散射,其中部分后向散射光满足光纤数值孔径而朝注入端返回,称为信号光,如果传播长度满足光的相干条件,则信号光和参考光就会在光电探测器的光敏面上发生混频。光纤中的瑞利散射是由光纤本身折射率随机变化导致的，而散射的振幅又是测试距离的函数。由于光纤中存在这种比较稳定的随机分布的性质，所以光纤可以看作是一种较长的具有随机周期的弱待测光纤。当待测光纤上的应变发生变化时，光纤的背向瑞利散射信号的光谱就会发生漂移，其漂移量的大小与光纤所受的应变成正比。通过采用互相关运算对光谱漂移量进行解调，就可以直接获得应变值，再利用移动窗对光纤的各个部位进行扫描，就可以同时获得被测光纤各个位置的应变信息。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，所述对于每一个测量点，当大气压强增大时，外界对真空膜盒表面的压力增大，使真空膜盒的弹性表面向内凹陷的弯曲度更大，由于串联膜盒最右端连接在固定框架的非弹性金属面B上，因此每个膜盒的垂直中轴线将会向右平移，而串联真空膜盒的最左端连接杆与弹性金属面相连接，连接杆对弹性金属面D的拉力就会增大，导致D面的弯曲度增大，因此粘贴在D面上的待测光纤的应变也会增大。反之，当大气压强减小时，外界对膜盒表面的压力减小，使真空膜盒的弹性表面向内凹陷的弯曲度减小，最终导致待测光纤的应变也会减小。使用多个真空膜盒串联的目的是放大气压变化对光纤应变产生的影响。其次，对于分布式光纤传感器，因为其灵敏度极高，可以同时检测待测光纤距离小于1m的两个点的应变，因此在信号解调端，可以测得每一个监测点的应变量。也就是能够计算得到每个测量点的气压值和其对应位置。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，所述步骤1还包括：各真空膜盒在同一海拔高度分布式放置。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，所述步骤1还包括:各真空膜盒分布式放置的位置有海拔差。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，所述步骤2还包括：待测点气压值为各真空膜盒气压值的平均值。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，所述所述步骤2还包括：P_a＝((P_a1+P_a2+......+P_an)/n+(P_b1+P_b2+......+P_bm-m(h/8))/m)/2,其中P_a为待测点a气压值，a_n为待测点a同一海拔高度的各点，b_m为与待测点a有海拔差差h的各点。

本发明另一个具体实施例中，一种气压测量方法，可以通过每一个测量点的气压值和其对应的空间位置计算某一海拔高度或者某区域的平均气压。例如，有n个位于同一海拔高度的测量点，这n个点的气压测量值分别为{P₁，P₂，…，P_n}，则能够通过取平均值，可以计算这一海拔高度处的大气压强在海拔高度较低的情况下，对于两个测量点A与B，它们的高度差为h，气压值分别为P_a、P_b，则可根据大气压强与海拔高度的关系：海拔每增高8m，对应大气压强减小1hPa，通过A点的气压计算B点气压的估计值P_b＝P_a+h/8，单位为hPa，再通过求P_b与P′_b的均值计算B点最终的气压测量值，同样，可以通过B点的气压值估算A点气压，作为参考值对A点测量气压进行校验。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。