利用光学传感器的集成测量系统和方法

专利名称：利用光学传感器的集成测量系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及一种测量系统，并且更具体地涉及一种利用光学传 感器的集成测量系统。
背景技术：
许多系统受到例如应力或热的效应的影响，这会对系统的结构整体 性有害。此外，例如风轮机的系统受雷击的影响，这会对风轮机叶片结 构有害。特别是，风轮机通常很可能受雷击影响，这是因为风轮机被优 选放置在位置较高且有风的位置处，用以实现高生产率。对于风轮机叶 片监控来讲，机械应力如雷击的定位和分类一样重要。这种系统需要电 流和磁场的监控，同时需要应力和温度的监控。
当前，为了监控各种参数，单独的测量系统被用于监控每一个参数。 单独的监控导致独立的询问、检测和数据获取系统，这会引起对于多个 系统的附加成本和空间限制。
因此，需要一种用于测量多个参数、而没有前述缺陷的测量系统和 方法。

发明内容
本发明的一个实施例是一种用于测量多个参数的集成测量系统。该
集成系统包括光纤布拉格光栅(FBG)传感器，配置成调制FBG输入 信号的波长，以提供对应于FBG参数的FBG输出信号；光纤法拉第旋 转器(FFR)传感器模块，配置成旋转偏振和调制FFR输入信号的强度， 以提供对应于FFR参数的FFR输出信号，其中FBG传感器和FFR传感 器模块被耦合，以提供集成系统输出信号；以及检测系统，配置成接收 集成系统输出信号，并且配置成利用集成系统输出信号，以获得与至少 一个FBG或FFR参数相关的值。
本发明的另一个实施例是一种包括基底和集成测量系统的系统。该 集成测量系统包括可操作地耦合至基底的至少一个集成传感器模块，以
便测量多个参数，其中传感器模块包括至少一个FBG传感器和至少一个
FFR传感器模块，其中多个参数包括通过至少一个FBG传感器感测的至 少一个FBG参数和通过FFR传感器模块感测的至少一个FFR参数，其 中集成测量系统产生对应于至少一个FBG参数和至少一个FFR参数的集 成系统输出信号。
本发明的另一个实施例是一种风轮机系统。该风轮机系统包括包 括一个或多个涡轮叶片的风轮机，以及集成测量系统，该集成测量系统 包括可操作地耦合至一个或多个涡轮叶片的一个或多个集成传感器模 块，以便测量多个参数，其中集成传感器模块包括至少一个FBG传感器 和至少一个FFR传感器模块，其中多个参数包括通过至少一个FBG传感 器感测的至少一个FBG参数和通过FFR传感器模块感测的至少一个FFR 参数，其中集成测量系统产生对应于至少一个FBG参数和至少一个FFR 参数的集成系统输出信号。
本发明的又一实施例是一种用于多个参数的集成测量的方法。该方
法包括利用询问信号而询问至少一个集成传感器模块，其中集成传感
器模块包括用于感测至少一个FBG参数的至少一个FBG传感器和用于 感测至少一个FFR参数的至少一个FFR传感器模块，其中利用FBG输 入信号询问FBG传感器，并且利用FFR输入信号询问FFR传感器模块； 产生与FBG参数和FFR参数相关的集成系统输出信号；检测集成系统输 出信号，以产生FBG参数数据和FFR参数数据；以及确定FBG参数和 FFR参数的值。


当参照附图阅读下面的详细描述时，可以更好地理解本发明的这些 和其它特征、方面和优点，其中类似的字符表示贯穿附图的类似的部件， 其中
图1是本发明的一个实施例中集成测量系统的示意性表示； 图2是本发明的另一个实施例中集成测量系统的示意性表示； 图3是本发明的另一个实施例中集成测量系统的示意性表示； 图4是本发明的另一个实施例中集成测量系统的示意性表示； 图5是本发明的另一个实施例中集成测量系统的示意性表示；
图6是本发明的另一个实施例中集成测量系统的示意性表示； 图7是本发明的另一个实施例中集成测量系统的示意性表示； 图8是本发明的一个实施例中包括集成测量系统的系统的示意性表
示；
图9是本发明的一个实施例中包括集成测量系统的风轮机系统的示 意性表示。
具体实施例方式
本发明的实施例包括利用耦合的光纤布拉格光栅(FBG)传感器(意 味着至少一个FBG传感器)和光纤法拉第旋转器(FFR)传感器模块(意 味着至少一个FFR传感器模块)而用于多个参数的集成测量的系统和方 法。
在下面的说明书和权利要求书中，将提到一些具有下述含义的术语。 单数形式"一"和"一个"包括多个对象，除非上下文清楚地另外规定。
如此处使用的，术语"多个参数的集成测量"涉及一种结构，其中产 生、检测和分析集成系统输出信号、通过FBG传感器和FFR传感器模块 感测的编码参数信息，以确定至少一个FBG或FFR参数。在一个实施例 中，产生、检测和分析集成系统输出信号、通过FBG传感器和FFR传感 器模块感测的编码参数信息，以确定FBG参数和FFR参数。术语"集成 系统输出信号"涉及对分别通过FBG传感器和FFR传感器模块感测的参 数值进行信号编码。
通常通过光纤芯的折射率的周期调制形成光纤布拉格光栅(FBG)。 FBG对具有以称作布拉格波长(入B)的波长为中心的狭窄带宽中的波长 的光是高反射，同时其它波长通过而没有发生反射。布拉格波长取决于 影响折射率的例如应力和温度的物理参数，因此引起光栅周期的改变。 在一个实施例中，FBG传感器可以由可以在光纤上分布的几个敏感光栅 元件构成。
光纤法拉第旋转器(FFR)基于法拉第效应的原理工作，其中在显示 出磁光效应的材料中传播的线性偏振光的偏振面在外部磁场影响下旋转 一定角度。旋转的角度与平行于光传播方向的磁场分量成比例。
从输入FFR信号的偏振面的旋转可以直接测量感应磁场，也被称作 通过方程1给出的法拉第旋转
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其中， 表示法拉第旋转的角度，入表示光的波长，T是温度，F是 光纤晶体(fiber optic crystal)的维尔德常数，并且//是沿着传播路径/ 的磁场强度。此处所指的术语，材料的"维尔德常数"，被定义为对于各 个材料的法拉第效应强度的测量的光学常数。测量的灵敏度随着维尔德 常数的增大而增大。
如果光纤线圈用于感测通过在其周围缠绕线圈的导体产生的磁场，则 通过方程2给出法拉第旋转角度
= VNI (2)
其中V是维尔德常数，N是光纤线圈的匝数，并且I是导体中的电流。 本发明的一个实施例是用于测量通过FBG传感器感测的FBG参数 (意味着至少一个FBG参数)和通过FFR传感器模块感测的FFR参数 (意味着至少一个FFR参数)的集成测量系统。FFR传感器模块包括FFR 和偏振器。根据感测的FBG参数，FBG波长调制输入FBG信号，并且 根据感测的FFR参数，利用FFR， FFR传感器模块旋转偏振，并且利用 偏振器，进行强度调制。
在一个实施例中，通过FBG传感器或FFR传感器模块的其中之一产 生的调制信号用于询问另一个。在一个例子中，通过光源产生的询问信 号形成FBG输入信号，并且FBG输出信号的至少一部分形成FFR输入 信号。FFR输出信号然后形成集成系统输出信号。相反地，在可替代的 例子中，通过光源产生的询问信号可以形成FFR输入信号，FBG输出 信号的至少一部分形成FFR输入信号。FFR输出信号然后可以形成集成 系统输出信号。
FBG参数的非限制性的例子包括温度和应力。在一个实施例中，FBG 传感器耦合至例如风轮机系统的叶片的一部分系统或基底，或者与例如 风轮机系统的叶片的一部分系统或基底接触，测量它们的温度或应力。
FFR参数的非限制性的例子包括电流和磁场。当通过在磁场中布置 FFR传感器模块而直接测量磁场时，通过布置载流导体直接测量电流， 该电流产生邻近FFR传感器模块的磁场。载流导体在其周围产生磁场，
所述磁场由FFR传感器模块感测。在一个例子中，FFR包括光纤晶体或 光纤线圈。在非限制性的例子中，晶体可以包括具有高维尔德常数的光 学透明铁磁晶体材料，例如钇铁石榴石和钆铁石榴石。在光纤线圈结构 中，光纤线圈缠绕在载流导体周围，以便由于导体中的电流而感应磁场。 偏振面的旋转与维尔德常数成比例，光纤线圈的匝数和通过导体的电流 如方程2所示。为了在输出信号中实现期望的信噪比，可能需要大量匝 数的线圈。在一个实施例中，FFR用于检测和测量由于对系统的雷击而 产生的电流，利用导体将所述电流传导至测量系统。在通过流进导体中 的电流产生的磁场中布置FFR。
在一个实施例中，FFR参数是闪电参数，其不仅包括通过雷击产生的 电流，而且包括雷击的位置测量。在一个实施例中，在受雷击影响的基 底上相对于彼此布置的多个FFR模块可以用于定位雷击的位置。
在一个实施例中，测量系统进一步包括包括一个或多个光源的询问 模块。在一个实施例中，光源是多频率的。如此处使用的，术语"多频 率光源"涉及以多个波长发射光的源，例如但不局限于宽带光源、 Fabry-Perot激光器、外腔激光器(external cavity laser)或包括以多个波 长发射的多个光源的光学装置。
在进一步的实施例中，测量系统包括分光计或频谱分析仪，以便从至 少部分集成系统输出信号中提取波长调制信息。
在一个实施例中，作为偏振器的偏振分析器用于将从FFR形成的偏 振旋转信号转换成强度调制信号。偏振分析器相对于耦合进入FFR的询 问信号的偏振面具有固定偏振角度。因为从FFR形成的偏振旋转信号的 偏振面根据感测磁场的值而改变，沿着偏振分析器的偏振角度的偏振旋 转信号的分量幅值改变，从而将来自偏振旋转角度的编码转换成强度调 制。
在一个实施例中，例如光电二极管的强度检测器用于测量至少一部分 集成系统输出信号的强度。
在一个实施例中，测量系统包括用于处理通过分光计和/或检测器产 生的信息的数据处理和控制单元，以确定感测的FFR参数的值。在进一 步的实施例中，数据处理和控制单元也用于控制光源、分光计和检测器。图1描述了本发明的一个实施例中的测量系统10。该系统10包括光
源12，来自光源12的光耦合进入FBG传感器14，该FBG传感器14包 括光纤布拉格光栅或光纤布拉格光栅阵列。来自光源12的光(在该实施 例中是FBG输入信号)用于询问FBG传感器14。在一个例子中，光源 是宽带光源。在图l中示出的实施例中，以可传送模式获得来自FBG传 感器的波长调制信号。波长调制表示感测的FBG参数，例如温度或应变， 该感测的FBG参数修改FBG的布拉格波长。
在光被耦合进入FBG传感器14之前，利用消偏振镜16光学消偏振 来自源12的光。典型地，FBG的光谱响应和FFR的强度响应取决于入 射光的偏振。如果入射光是高偏振的，则该偏振相关性可以在两个响应 中引起误差。在许多系统中，利用单模光纤(SMF)，入射光的偏振是变 化和未知的，并引起无法预料地改变光谱和强度响应的波长中的偏移。 消偏振镜可以用于减轻该效应。
从FBG传感器14产生波长调制(WM)信号，并在耦合进入FFR 传感器模块19之前入射至第一偏振器18上。第一偏振器18线性偏振波 长调制(WM)信号，以提供FFR输入信号。FFR传感器模块19包括 FFR20和偏振分析器22。基于沿着光的传播方向感测的磁场分量，线性 偏振波长调制信号的平面被旋转。偏振旋转(PR)信号被进一步入射至 偏振分析器上，所述偏振分析器将旋转角度信息转换成强度的改变，以 提供形成集成系统输出信号的强度调制的波长调制(IMWM)信号。偏 振分析器22具有关于第一偏振器18的固定偏振角度。沿着光纤24传送 该集成系统输出信号至检测系统25。在本发明的一个实施例中，检测系 统可以包括一个或多个分光计或一个或多个强度检测器，或者两者都包 括。在图'l中示出的所述实施例中，集成系统输出信号部分耦合进入分 光计26，并部分耦合进入强度检测器28。分光计表征由于FBG参数造 成的波长偏移/改变，并且强度检测器表征由于FFR参数造成的强度改变。 在该实施例中，集成系统输出信号用于确定FBG参数和FFR参数。在一 个实施例中，使用光纤用以在传感器之间传送信号，并且光纤传感器的 使用减小了电磁干扰(EMI)对测量结果的影响。
在一个实施例中，传感器的询问或采样率大于大约500kHz。在进一
步的实施例中，传感器的询问或采样率大于大约lMHz。在进一步的实施
例中，传感器的询问或采样率大于大约2MHz。
在图2中示出图1中所示的实施例的可替代实施例。该实施例，尽管 具有类似于图1实施例的配置，但还包括以反射模式的FBG输出信号的 检测。系统11包括光源12，来自光源12的光耦合进入包括光纤布拉格 光栅或光纤布拉格光栅阵列的FBG传感器14。来自光源12的光(在该 实施例中是FBG输入信号)用于询问FBG传感器14。在该实施例中， 使用波长调制的反射FBG输出信号和波长调制的透射FBG输出信号。
当通过分光计15检测反射FBF信号时，透射FBG输出信号入射至 消偏振镜17上。该实施例中的优点在于，反射FBG信号可以用于确定 FBG参数，所述反射FBG信号发送至分光计而没有通过FFR传感器， 因此所述FFR对FBG信号强度没有影响。从消偏振镜17产生的偏振光 入射至第一偏振器18上，第一偏振器18线性地偏振波长调制(WM)信 号，以提供FFR输入信号。FFR传感器模块19包括FFR20和偏振分析 器22。 FFR参数被编码为来自FFR输出信号的强度变化/调制。在输出信 号被强度检测器28检测之前，沿着光纤24传送该输出信号。在该实施 例中，集成系统输出信号用于确定FFR参数，同时反射FBG输出信号用 于确定FBG参数。
图3描述了本发明的一个实施例中的测量系统30。该系统30包括光 源32，来自光源32的光(询问信号)耦合进入偏振器34，以在作为FFR 输入信号被入射至FFR传感器模块35上之前线性偏振所述光。FFR36 旋转对应于感测的FFR参数的FFR输入信号的偏振面，以提供偏振旋转 信号，通过偏振器38，该偏振旋转信号被转换成强度调制(IM)信号。 M信号作为FBG输入信号入射至FBG传感器40上。相比较图1中所述 的实施例，在该实施例中，在FBG传感器40之前典型地不使用消偏振 镜。FBG传感器40波长调制对应于感测的FBG参数的入射M信号，以 提供MWM信号(集成系统输出信号)，在所述IMWM信号被部分耦合 进入分光计44和部分耦合进入强度检测器46之前，沿着光纤42传送该 MWM信号。
图4描述了本发明的另一个实施例中的测量系统48。在该实施例中，
以反射模式使用FBG传感器。该系统48包括宽带光源50。来自光源的 询问信号耦合进入消偏振镜52，以便在被耦合进入耦合器54之前对光进 行消偏振。耦合器分裂入射的消偏振光，通过光纤将消偏振光部分耦合 进入FBG传感器56，并且部分通过另一光纤，被反射镜58反射。沿着 光纤57朝向耦合器54， FBG传感器56反向反射对应于中心位于布拉格 波长周围的感测FBG参数的波长调制信号，该波长调制信号与来自反射 镜的反射信号在耦合器处叠加，并且耦合离开耦合器，传送至第一偏振 器60，该第一偏振器60偏振所述信号，该信号然后入射至FFR传感器 模块61上。FFR传感器模块61包括FFR62， FFR62旋转对应于感测磁 场的入射信号的偏振面，并且进一步包括第二偏振器64，第二偏振器64 强度调制信号，以提供MWM信号，该MWM信号作为集成系统输出 信号传送至分光计66和检测器68。
可替代地，代替反射镜58，可以使用吸收器59。在这种配置中，仅 来自FBG传感器56的WM信号被耦合进入FFR传感器模块60。
图5描述了本发明的一个实施例中的测量系统70。在该实施例中， 以反射模式使用FBG传感器。该系统70包括发射询问信号的宽带光源 72，该询问信号被耦合进入第一偏振器74，以便在入射至FFR传感器模 块75之前线性偏振询问信号，该FFR传感器模块75包括FFR76和第二 偏振器78。从FFR产生偏振旋转(PR)信号，并入射至第二偏振器78 上。入射PR信号作为强度调制(M)信号而离开第二偏振器78，并且 通过耦合器80最终探测FBG传感器82。通过FBG传感器82反射的 IMWM信号特征在于被FFR传感器模块76感测的磁场和通过FBG传感 器82感测的参数。部分IM信号也朝向反射镜84耦合，反射镜84朝向 耦合器80将所述部分IM信号反向反射，并在耦合器80处与IMWM信 号叠加，以便形成集成系统输出信号，所述集成系统输出信号传送至分 光计86和强度检测器88。
可替代地，代替反射镜84，可以使用吸收器85。在这种配置中，仅 来自FBG传感器82的反射信号被传送至分光计86和检测器88。
在图6中示出的所述实施例中，询问模块91包括具有不同中心波长 入j和入2的至少两个光源。测量系统90包括第一光源92和第二光源94。
从两个光源92和94输出的光被组合，以便形成询问信号。询问信号耦
合于第一偏振器96上，以便在入射于FFR传感器模块97上之前线性偏 振询问信号，该FFR传感器模块97包括FFR98和第二偏振器100。在 FFR传感器98产生对应于感测磁场的偏振旋转(PR)信号，并入射至第 二偏振器100上。沿着第二偏振器100的偏振角度的PR信号分量作为IM 信号(在两个波长处)产生，并被耦合进入FBG传感器102。对应于例 如温度或应力的感测参数，通过FBG传感器102对IM信号进行波长调 制，该波长调制修改FBG传感器102的布拉格波长，以提供集成系统输 出信号，该集成系统输出信号最终被分光器104检测。
分光计可以用于确定通过FBG和FFR传感器模块感测的参数。分光 计测量光源92和94的两个波长处的波长偏移和强度。所述波长偏移用 于确定通过FBG传感器感测的参数的值，所述强度用于确定通过FFR传 感器模块感测的参数的值。使用不同波长处的光信号允许测量或确定温 度对传感器98的法拉第旋转的影响，因此允许测量或确定法拉第传感器 中法拉第材料内部的温度。在一些实施例中，需要在所使用的波长范围 具有低损耗的单模光纤，以有效传送来自两个光源的信号。在一个例子 中，入i是大约1330nm，入2是大约1500nm。
图7描述了另一个实施例，其中使用具有不同中心波长A i和入2的至 少两个光源。测量系统106包括光源-1 108和光源-2 110。从两个光源108 和110输出的光被组合，以便形成询问信号。在该实施例中，为了参数 的最终检测和分析，仅中心位于A i的部分集成系统输出信号被用于确定 通过FFR传感器模块感测的参数，并且仅中心位于A 2的部分集成系统输 出信号被用于询问FBG传感器。询问信号耦合到第一偏振器112上，以 便在入射到FFR传感器模块113上之前线性偏振询问信号，该FFR传感 器模块113包括FFR114和第二偏振器116。从FFR114产生对应于感测 磁场的偏振旋转(PR)信号，并入射至第二偏振器116上。沿着第二偏 振器116的偏振角度的PR信号分量作为强度调制(IM)信号(在两个 波长处)产生，并通过耦合器118，部分耦合进入FBG传感器120。任 意地，可以在第二偏振器116和耦合器118之间安装消偏振镜。对应于 例如温度或应力的传感参数，通过FBG传感器120仅调制和反射中心位
于大约入2的部分IM信号，所述调制和反射修改传感器120的布拉格波
长。在通过滤波器122滤波中心位于大约人2的信号之后，M信号的第 二部分也被反射镜124反射掉。也就是说，在入2处信号分量入射于反射 镜124之前，入2处信号分量也被滤除掉。在通过光纤125被传送至检测 系统126并被检测系统126检测之前，来自FBG传感器20的反射信号 (其特征在于通过FBG测量的参数)和来自反射镜124的反射信号(其 特征在于FFR感测参数)在耦合器118处组合。检测系统126包括波长 分配多路复用器127，以便分离两个波长，并包括检测器128和129，以 便单独检测中心位于大约两个波长处的信号。在一个实施例中，检测是 基于硬件的，而不利用任何软件检测系统。
图8描述了在本发明的一个实施例中包括用于测量多个参数的测量 系统的系统130。测量系统包括询问和分析模块132，询问和分析模块132 包含至少一个光源134、检测器136与数据处理和控制单元138。来自光 源的光通过光纤140， 142， 144， 146被传送至集成传感器模块150， 152 和154，所述集成传感器模块150， 152和154可操作地耦合至基底或系 统部分148，以便测量多个参数。可以在例如风轮机系统的叶片的系统基 底148上或附近布置集成传感器模块，或将集成传感器模块嵌入例如风 轮机系统的叶片的系统基底148内部。在所示的实施例中，多个集成传 感器模块150， 152和154用于测量在系统中不同点处感兴趣的参数。在 一个实施例中，每一个集成传感器模块包括至少一个FBG传感器和至少 一个FFR传感器模块。在通过询问信号询问时，传感器模块产生对来自 FBG传感器和FFR传感器模块的参数信息进行编码的集成系统输出信 号，通过光纤156， 158和160，该集成系统输出信号被传送至检测器136。 在一个实施例中，检测器包括一个或多个强度检测器和/或频谱分析器。 在一个例子中，强度检测器是光电(0/E)转换器。可替代地，也可以使 用例如参照图1-7在上面所述的那些光源和检测实施例。
本发明的另一个实施例是风轮机系统。该风轮机系统包括风轮机，所 述风轮机包括一个或多个涡轮叶片，以及集成测量系统，该集成测量系 统包括可操作地耦合至一个或多个涡轮叶片的一个或多个集成传感器模 块，以便测量多个参数，其中集成传感器模块包括至少一个FBG传感器和至少一个FFR传感器模块，其中多个参数包括通过至少一个FBG传感 器感测的至少一个FBG参数和通过FFR传感器模块感测的至少一个FFR 参数，其中集成测量系统产生对应于至少一个FBG参数和至少一个FFR 参数的集成系统输出信号。在一个实施例中，集成测量系统包括多个集 成传感器模块。
对于风轮机叶片监控，获得关于机械应力的信息是有用的。利用集成 测量系统，可以容易地确定关于风轮机叶片经历的机械应力和由于雷击 产生的导体中电流所产生的磁场的信息。此外，如果需要的话，可以监 控温度，并且可以补偿对磁场传感器的温度影响。维尔德常数是与温度 相关的。当温度改变时，通过测量FFR的响应，可以评估维尔德常数的 改变。在多个参考中已经描述了用以测量对FFR传感器温度影响的这种 技术，例如"Leung et al.,IEE international conference on advances in power system control,operation and management,November 1991,pp 637-643"。 i亥 系统提供了减小光纤和硬件设备数量的附加优点。
图9是依据本发明一个实施例包括集成测量系统的风轮机系统162 的图示描述。集成测量系统被用于测量包括应力和闪电参数的参数。通 常假定目标经受雷击的可能随着目标高度的平方而增加。在其中高度典 型为大约110m的风轮机的情况中，存在较高可能的雷击。如在图8中示 出的风轮机系统162包括布置在每一个风轮机叶片166上的一系列集成 传感器模块164。以相互间隔特定距离布置集成传感器模块164，以便测 量叶片166上的冲击点。当闪电168冲击叶片166时，闪电电流通过叶 片166中的导体170，所述导体170传送闪电感应的电流至集成传感器模 块164。在一个例子中，导体170可以是铝导线。在一个实施例中，在风 轮机系统162的中央174处的电磁隔离外壳中布置包括至少一个光源的 询问模块172，所述询问模块172产生询问信号，以便询问集成传感器模 块164。
相互之间以最佳距离布置集成传感器模块164，从而实现用于确定风 轮机叶片166上冲击点的期望分辨率。在示范性的实施例中，可以以相 互间隔大约10米来布置集成传感器模块164。
通过数据处理单元(未示出)可以进一步处理通过集成传感器模块产
生的集成系统输出信号，以便不仅确定闪电参数，而且确定叶片中测量 点处的应力和/或温度。
在其中需要EMI稳定性和使用应力/温度和电流/磁场测量的实施例 中，集成测量系统是特别有利的，例如在运输系统和在爆炸环境中。在 一个例子中，运输系统是船。可以有益地包括这种集成测量系统的其它 不受限制的系统例子包括电力传输线和网络、功率发生器、航空器、 铁路机车和重型发动机。
在本发明的一个实施例中，用于多个参数的集成测量的方法包括利用 询问信号询问至少一个集成传感器模块。该方法包括感测至少一个FBG
参数和感测至少一个FFR参数，以产生集成系统输出信号。利用FBG输 入信号询问FBG传感器，并且利用FFR输入信号询问FFR传感器模块。 在一个例子中，FBG输出信号可以提供FFR输入信号，或者反之亦然。 在一个实施例中，集成系统输出信号是对FBG参数信息和FFR参数信息 进行编码的强度调制波长调制(IMWM)信号。在一个实施例中，FBG 参数信息被编码为波长调制，FFR参数信息信号被编码为强度调制。检 测IMWM信号，所述MWM信号用于产生FBG参数数据和FFR参数数 据。在一个例子中，例如对于闪电定位测量来讲，可以合并(ftise)来自 FBG传感器和FFR传感器模块的数据。在一个实施例中，其中以传输模 式使用FBG传感器，将从宽带FBG输入信号中滤除光谱线。被滤波的 光谱线将根据它们在光谱中的位置而改变强度。在实施例中，其中FBG 输出或FBG输出信号的至少一部分用作FFR输入信号，关于通过检测器 登记的宽带光谱的被滤波光谱线信息可以用于评估通过FFR传感器的强 度。
虽然在此已经描述和阐述了本发明的某些特征，但对所属领域的技术 人员来讲可以进行多种修改和改变。因此可以理解的是，权利要求书试 图覆盖落入本发明真实精神范围内的全部这种修改和改变。 元件清单 10集成测量系统 11集成测量系统12光源
14FBG传感器
15分光计
16消偏振镜
18第一偏振器
19FFR传感器模块
20 FFR传感器
22第二偏振器
24光纤
25检测系统
26分光计
28强度检测器
30集成测量系统
32光源
34第一偏振器
35 FFR传感器模块
36 FFR传感器 38第二偏振器 40 FBG传感器 42光纤
44分光计
46强度检测器
48集成测量系统
50光源
52 FFR传感器
54耦合器
56 FBG传感器
57光纤
58反射镜
59吸收器
60第一偏振器
61FFR传感器模块
62 FFR传感器
64第二偏振器
66分光计
68强度检测器
70集成测量系统
72光源
74第一偏振器
75 FFR传感器模块
76 FFR传感器 78第二偏振器 80耦合器
82 FBG传感器
83光纤
84反射镜
85吸收器
86分光计
88强度检测器
90集成测量系统
91询问模块
92光源1
94光源2
96第一偏振器
97 FFR传感器模块
98 FFR传感器 100第二偏振器 102 FBG传感器 104分光计
106集成测量系统107询问模块 108光源1
110光源2
112第一偏振器
113FFR传感器模块
114FFR传感器
116第二偏振器
118耦合器
120 FBG传感器
122滤波器
124反射镜
125光纤
126检测系统
127波长分配多路复用器
128强度检测器1
129强度检测器2
130包括集成测量系统的系统
132询问和分析模块
134光源
136检测器
138数据处理和控制单元 140光纤 142光纤 144光纤 146光纤
148基底或系统部件 150集成传感器模块 152集成传感器模块 154集成传感器模块 156光纤158光纤
160光纤
162风轮机
164集成传感器模块
166叶片
168闪电
170导体
172询问模块
172涡轮中央
权利要求
1、一种用于测量多个参数的集成测量系统(10)，包括光纤布拉格光栅(FBG)传感器(14)，配置成调制FBG输入信号的波长，以提供对应于FBG参数的FBG输出信号；光纤法拉第旋转器(FFR)传感器模块(19)，配置成旋转偏振和调制FFR输入信号的强度，以提供对应于FFR参数的FFR输出信号，其中FBG传感器和FFR传感器模块被耦合，以提供集成系统输出信号；以及检测系统(25)，配置成接收集成系统输出信号，并且配置成利用集成系统输出信号，以获得与至少一个FBG或FFR参数相关的值。
2、 权利要求1的集成测量系统，其中检测系统配置成接收集成系统 输出信号，并且配置成利用集成系统输出信号，以获得与FBG和FFR参 数相关的值。
3、 权利要求1的集成测量系统，其中检测系统配置成进一步接收反 射FBG输出信号，以获得与FBG参数相关的值。
4、 权利要求1的集成测量系统，其中FFR传感器模块包括FFR(20) 和偏振器(22)。
5、 权利要求l的集成测量系统，其中FBG参数是应力或温度。
6、 权利要求l的集成测量系统，其中FFR参数是磁场或电流。
7、 权利要求1的集成测量系统，其中检测系统包括分光计(26)， 以确定集成系统输出信号的至少一部分的调制波长，从而提供FBG参数 数据。
8、 权利要求1的集成测量系统，其中检测系统包括强度检测器(28)， 用于测量集成系统输出信号的至少一部分的强度，从而提供FFR参数数据。
9、 权利要求1的集成测量系统，进一步包括数据处理和控制(138)， 其中数据处理和控制单元处理通过分光计产生的FBG参数数据，以确定 FBG参数，以及处理通过强度检测器产生的FFR参数数据，以确定FFR 参数，或两者都处理。
10、 一种风轮机系统(162)，包括包括一个或多个涡轮叶片(66)的风轮机；以及集成测量系统，包括可操作地耦合至一个或多个涡轮叶片的一个或多个集成传感器模块(164)，以便测量多个参数，其中集成传感器模块 包括至少一个FBG传感器和至少一个FFR传感器模块，其中多个参数包 括通过至少一个FBG传感器感测的至少一个FBG参数和通过FFR传感 器模块感测的至少一个FFR参数，其中至少一个FFR参数是闪电参数； 导体(170)，配置成接收雷击，并且传送闪电感应的电流至集成测 量系统；其中集成测量系统产生对应于至少一个FBG参数和至少一个FFR参 数的集成系统输出信号。
11、 一种用于多个参数的集成测量的方法，包括利用询问而询问至少一个集成传感器模块，其中集成传感器模块包括用于感测至少FBG参数的至少一个FBG传感器和用于感测至少一个 FFR参数的至少一个FFR传感器模i央，其中利用FBG输入信号询问FBG 传感器，并且利用FFR输入信号询问FFR传感器模块；产生与FBG参数和FFR参数相关的集成系统输出信号； 检测集成系统输出信号，以产生FBG参数数据和FFR参数数据；以及确定FBG参数和FFR参数的值。
全文摘要
公开了一种用于测量多个参数的集成测量系统。该集成系统包括光纤布拉格光栅(FBG)传感器，配置成调制FBG输入信号的波长，以提供对应于FBG参数的FBG输出信号，光纤法拉第旋转器(FFR)传感器模块，配置成旋转偏振和调制FFR输入信号的强度，以提供对应于FFR参数的FFR输出信号，其中FBG传感器和FFR传感器模块被耦合，以提供集成系统输出信号，以及检测系统，配置成接收集成系统输出信号，并且配置成利用集成系统输出信号，以获得与至少一个FBG或FFR参数相关的值。
文档编号G01D21/02GK101201261SQ20071030613
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月7日 优先权日2006年12月8日
发明者B·莱夫克, S·G·M·克雷默 申请人:通用电气公司