膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统的制作方法

文档序号:10953468
膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统。该传感系统包括:宽带光源、隔离器、耦合器、光开关、光纤光栅压力传感器阵列、光纤光栅波长采集系统以及信号处理系统。其中,宽带光源发出的光送至隔离器,隔离器单向输出光信号至耦合器,耦合后的光信号进入光开关并将光分成多路,发送给膜片式和波纹管式结构的光纤光栅压力传感器阵列,其中一路返回光进入隔离器,另一路返回光进入光纤光栅波长采集系统,采集的波长信息进入信号处理系统完成压力信号处理。通过上述方式,本实用新型提供一种适用于光纤传感技术领域的一种压力监测系统。
【专利说明】
膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及光纤传感技术领域,具体而言,涉及一种高灵敏度大量程的光纤光栅压力传感器,可用于压力监测系统。
【背景技术】
[0002]大坝是进行水资源管理的一个重要和不可或缺的建筑,同时,连续长期的大坝安全监测系统,能够提供溃坝通知预警,对于保护下游人民生命财产安全具有重大意义。我国水利部也对建国二十多年来全国大型水库先后发生的千宗工程事故进行过整理分析,其中渗流事故占事故总数的三分之一。可见,渗流异常是大坝事故的重要原因,大坝渗流中渗压监测问题将成为设计、施工的关键课题,研发寿命长、精度高、抗雷击、可大规模组网的大坝渗压监测系统是十分重要的。
[0003]目前,绝大多数大坝渗压监测系统采用的机电测试系统普遍存在抗干扰能力弱、长期稳定性差、相对误差、零漂和动漂较大等缺点而很难满足实际需要。而光纤布拉格光栅型传感器除了具有光纤传感器的优点外,还具有波长编码独特优势和准分布式特点,已广泛应用于工程结构的应力、应变等参数的测量,可满足大坝监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求,是解决目前机电传感器所存在问题的关键传感技术。目前大部分压力传感器都是将光纤光栅埋入高分子聚合物或无机玻璃中,通过介质的形变来带动光纤光栅中心波长发生变化。虽然其灵敏度均有所提高,但高分子聚合物存在耐腐蚀性差、易老化等致命的缺点,严重制约传感器耐久性能的发挥;而无机玻璃结构又存在加工工艺复杂,成活率低的缺点。目前已有的光纤光栅液体压力传感器,普遍存在不能同时实现高灵敏度和大量程的测量,例如专利200920071884.8提出的双波纹结构在进行高灵敏度测量的同时,无法保证大量程的实现;而专利201420258751.9提出的膜片式结构测量灵敏度较低。因此,同时实现高灵敏度与大量程的大坝渗压测量尤为重要。

【发明内容】

[0004]本实用新型的是为了解决现有埋入式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG,简称光纤光栅)压力传感器耐腐蚀性差、易老化、耐久性差等问题,提出一种同时实现高灵敏度与大量程测量的膜片与双波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感装置。
[0005]基于膜片与双波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,它包括宽带光源(1)、隔离器(2)、耦合器(3)、光开关(4)、光纤光栅压力传感器阵列(5)、光纤光栅波长采集系统
[6]和信号处理系统(7);
[0006]宽带光源(I)发出的光经隔离器(2)和光纤耦合器(3)后进入光开关,分别传输给分布式的光纤光栅压力传感器阵列(5);
[0007]由光纤光栅压力传感器阵列(5)中每个光纤光栅压力传感器返回的光信号经由光开关又进入耦合器(3),耦合器(3)将返回的光送入光纤光栅波长采集系统(6)采集波长变化信号,再进入信号处理系统(7)完成对外界压力信号的处理;
[0008]光纤光栅压力传感器阵列(5)由η行m列的膜片与波纹管式结构构成,该结构包括压力传感器和金属片,金属片用于对光纤光栅压力传感器进行封装,其中η和m均为正整数。
[0009]本实用新型的有益效果:本实用新型集合光学技术和机械技术于一体,选择加工性能好、具有足够的强度极限、对于交变的应力没有残余的变形、良好的温度特性、长期使用没有变化、耐腐蚀性良好的特种合金材料,易于推广使用,提高了光纤光栅压力传感器的抗外界干扰能力,同比提高了 20%;并且膜片式压力传感器和双波纹管式压力传感能够在量程和灵敏度互补,适用于不同范围和灵敏度需要的监测,本实用新型既解决了工程结构的粗放施工要求和野外恶劣环境的长期耐久性要求,同时也解决了适用范围和监测灵敏的要求。
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的整体结构图。
[0011]图2为光纤光栅压力传感器阵列(5)的结构图。
【具体实施方式】
[0012]【具体实施方式】一:下面结合图1说明本实施方式,本实施方式所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统,它包括宽带光源(I)、光纤隔离器(2)、光纤耦合器(3)、光开关(4)、光纤光栅压力传感器阵列(5)、光纤光栅波长米集系统(6)和信号处理系统(7);
[0013]宽带光源(I)发出的宽带光送至隔离器(2),光纤隔离器(2)的将单向输出光信号传输到親合器(3),親合器(3)将親合后的光信号送入光开关(4),光开关(4)又把光分成多路发送给光纤光栅压力传感器阵列(5);
[0014]光纤光栅压力传感器阵列(5)的每一个光纤光栅传感器满足布拉格条件的光将被返回,返回的光信号由光开关(4)进入耦合器(3),被耦合器(3)耦合后的光分成两路,其中一路耦合光返入隔离器(2)并被隔离器(2)阻隔不能回到宽带光源(I),以防对光源输出光造成影响,另一路耦合光进入光纤光栅波长采集系统(6)采集不同光纤光栅压力传感器返回的中心波长信号,再进入信号处理系统(7)完成外界压力信号的处理;
[0015]光纤光栅压力传感器阵列(5)由η行m列的膜片与波纹管式结构构成,该结构包括压力传感器和金属片,金属片用于对光纤光栅压力传感器进行封装,其中η和m均为正整数。
[0016]光纤光栅压力传感器阵列采用光纤光栅作为传感元件,具有耐腐蚀、防水、抗电磁干扰及集成化、网络化的特点;通过检测光纤光栅中心波长来监测压力大小,具有极高的灵敏度和大的测量范围;同时压力传感单元还采用金属膜片封装作为传感元件,尺寸小,能够实现小型化;光纤光栅压力传感器的膜片封装结构解决了工程结构的粗放施工要求和野外恶劣环境的长期耐久性要求;适合在大坝中使用;膜片式与波纹管式结构结合解决了工程结构压力监测中大量程高灵敏的需求。
[0017]膜片式封装结构的光纤光栅压力传感器,利用的是圆形薄板在两侧有压差时薄板变形,其中心位移最明显。利用该中心位移反映光纤光栅波长的变化上是该传感器的特点。平面圆形膜片的设计直接决定了所设计的传感器的灵敏度和分辨率。波纹管式装结构的的光纤光栅压力传感器是波纹管的拉伸变形来带动光纤光栅的;如果将波纹管的顶端与膜片可靠连接,在外界压力作用下,光纤光栅传感器收到的压力将来自膜片和波纹管两种;这种压力会使光纤光栅中心波长偏移比单一膜片式或单一波纹管式结构的要大,提高了系统的灵敏度,扩大了测量量程;本实用新型中膜片的挠性面是平面型膜片,使用的波纹管是有一定刚度系数的金属,将金属化压力传感器与压力敏感平面型膜片进行可靠连接,以获得较好的压力传递和信号转换特性;
[0018]【具体实施方式】二:本实施方式对【具体实施方式】一所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统作进一步限定,本实施方式中,它还包括信号光开关(4),光开关(4)模块与光纤光栅压力传感器阵列(5)相连接扩大光纤光栅压力传感器的分布数量;
[0019]【具体实施方式】三:本实施方式对【具体实施方式】一所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统作进一步限定,本实施方式中,它还包括信号处理系统(7),所述光纤光栅波长采集系统(6)的光信号输出端连接信号处理系统(7)的光信号输出端;
[0020]【具体实施方式】四:本实施方式对【具体实施方式】一所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统作进一步限定,本实施方式中,光纤光栅压力传感器阵列(5)中的每一行光纤光栅传感器反射谱的中心波长不同,且在宽带光源发出的光谱内;
[0021]【具体实施方式】五:本实施方式对【具体实施方式】一所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统作进一步限定,本实施方式中,光纤光栅压力传感器阵列(5)将大量程低灵敏度膜片式结构压力传感器与低量程高灵敏度波纹管式压力传感器结合;
[0022]【具体实施方式】六:本实施方式对【具体实施方式】一所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统进一步限定,本实施方式中,光纤光栅压力传感器阵列(5)中每个光纤光栅压力传感器的反射谱中心波长不同,且在宽带光源输出的C+L波段;
[0023]【具体实施方式】七:本实施方式对【具体实施方式】一所述的光纤光栅压力传感装置作进一步限定,本实施方式中,宽带光源(I)的扫描范围为C+L波段,为1525nm-1600nm,输出光功率达到lOOmw,光功率稳定度典型值为±0.02dB,输出光隔离度为35dB,输出回波损耗为45dB;
[0024]【具体实施方式】八:本实施方式对【具体实施方式】一所述的基于膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压监测系统作进一步限定,本实施方式中,光纤光栅波长采集系统(6)波长测量范围为C+L波段,为1525nm-1600nm,波长分辨率为0.lpm,波长精度为± Ipm0
【主权项】
1.膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:它包括宽带光源(1)、隔离器(2)、耦合器(3)、光开关(4)、光纤光栅压力传感器阵列(5)、光纤光栅波长采集系统(6)和信号处理系统(7); 宽带光源(I)发出的光送至隔离器(2),隔离器(2)的单向输出光信号输出端连接耦合器(3)的光信号的一端,经親合器(3)親合后的光信号进入光开关(4)并可将光分成多路,分别发送给光纤光栅压力传感器阵列(5)中每个光纤光栅传感器; 光纤光栅压力传感器阵列(5)中每个传感器返回的光信号沿着光开关(4)返回到耦合器(3),进入到耦合器(3)的光其中一路光返回输入端被隔离器(2)阻隔不能回到宽带光源(I),另一路光进入光纤光栅波长采集系统(6)采集波长信号,由光纤光栅波长采集系统(6)采集的波长信息进入信号处理系统(7)完成压力信号处理; 光纤光栅压力传感器阵列(5)由η行m列的膜片与波纹管式结构构成,该结构包括压力传感器和金属片,金属片用于对光纤光栅压力传感器进行封装,其中η和m均为正整数。2.根据权利要求1所述的膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:它还包括信号处理系统(7),所述光纤光栅波长采集系统(6)的光信号输出端连接信号处理系统(7)的光信号输出端。3.根据权利要求1所述的膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:光纤光栅压力传感器阵列(5)将大量程低灵敏度膜片式结构压力传感器与低量程高灵敏度波纹管式压力传感器结合。4.根据权利要求1所述的膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:光纤光栅压力传感器阵列(5)中每个光纤光栅压力传感器中心波长都不同。5.根据权利要求1所述的膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:系统将波分复用技术与空分复用技术结合,采用了光开关(4)。6.根据权利要求1所述的膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:宽带光源(I)的扫描范围大于1525nm且小于1600nm,输出光功率为lOOmw,光功率稳定度典型值为土 0.02dB,输出光隔离度为30dB,输出回波损耗为45dB,工作温度大于O °C且小于60 cC.7.根据权利要求1所述的膜片与波纹管式结构的光纤光栅大坝渗压传感系统,其特征在于:光纤光栅波长采集系统(6)波长测量范围大于1525nm且小于1600nm,波长分辨率为.0.lpm,波长精度为±lpm。
【文档编号】G01L11/02GK205642710SQ201620069633
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】熊燕玲, 吴明泽, 任乃奎, 沈涛, 陈卉
【申请人】哈尔滨理工大学
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