一种高可靠性光纤光栅传感网络模型

1.本发明属于智能结构材料领域，具体为一种高可靠性光纤光栅传感网络模型。


背景技术：

2.光纤布拉格光栅传感器具有能够测量多种物理参量、质量轻、集信号的传感与传输为一体、便于构建分布式传感网络、抗电磁干扰能力强等优点，并且可以进行空分复用和波分复用，充分发挥光纤传感器的传、感一体化的优点，从而可以大大降低自诊断系统的复杂性和成本，并最大程度的减小对原结构性能的影响。
3.光纤光栅传感器的原理：宽谱光源将有一定带宽的光通过环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过环行器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。当光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度或应变。
4.时分复用技术采用脉冲光源，各传感器工作在相同的波长范围，利用不同长度的光纤作为光学延时器件产生延时。传感器的识别依据传感信号到达中心局端的时间间隔。
5.波分复用技术是将不同波长的传感器连接在一根光纤上，由于传感器波长不同，从而不会引起波长叠加，实现了单根光纤的多点测量。各传感器占用一定的光谱范围，工作波长互不重叠，传感器的识别依据不同的工作波长。
6.空分复用技术是给每个传感器单独分配一个传输通道，每次仅有一个通道被选通，因此需要光开关切换通道，实现不同传感器的选择,传感器的识别依据不同的传输通道。
7.随着结构健康监测的智能灵活化，基于复用技术的fbg传感网络拓扑结构也变得更加复杂多样化。由于结构本身的劣化、设备的老化损害、传感器工艺及环境因素的影响，
8.埋置或粘贴在被测结构的光纤光栅传感网络，可能会发生部分fbg传感器失效或传感光纤发生故障，这就会使得串联其后的所有传感器受到影响，进而造成计算机无法接收到传感器网络中完好的fbg传感器的信号，造成网络的可靠性大大降低。
9.由于fbg传感网络多是粘贴在结构的表面或在构建结构时埋入其中，如要修复或更换其网络，势必要在结构上大动干戈，造成较大的经济损失。因此，提高fbg传感网络的可靠性具有重要意义。
10.经检索，中国专利申请号为cn112953626a的专利，公开了一种基于光开关的正方形fbg网络传感模型，当传感器网络某一链路出现故障导致某些传感器不能复用时，通过远程链路方式的切换，可以重新复用这些传感器。
11.与本发明相比，传感网络模型区别在于：
12.(1)本发明的传感网络模型主要是利用耦合器以及光纤和fbg组成了一个模块，基于高冗余的模块组成传感网络模型，具有高可靠性。
13.(2)本发明的传感网络模型即使在一条链路上发生多点故障，通过动态开关切换
就可以解决。
14.(3)本发明的传感网络模型有着更强的扩展性，可以扩展为n条通道，也可以复用更多的传感器。


技术实现要素：

15.为解决上述问题，本发明提出一种高可靠性光纤光栅传感网络模型，，为一种新型fbg传感网络，传统的fbg传感模块由单一的fbg构成，传感路径只有一条，一旦路径发生故障，就会造成传感器失效，可靠性低，新型的fbg传感网络即使发生多点故障，仍然有着冗余的传感网络进行传输，具有高可靠性、可扩展性高的优点。
16.为达此目的，本发明提供一种高可靠性光纤光栅传感网络模型，包括光纤、光开关、耦合器和fbg传感器，使用单个2
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2的耦合器与fbg组合成为一个模块，n个模块相连接成为一条支路，再通过1个1
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2的光开关连接两条支路，两条支路再通过1
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2的光开关连接到1
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n光开关的n个通道上，每个支路中的fbg传感模块的最大值有ase宽带光源的带宽决定，光开关通过改变引脚电平来实现光路的切换，通过光开关的切换改变光的传输方向。
17.作为本发明进一步改进，所述fbg传感器16个，使用了20个耦合器将16个fbg连接起来，形成了4条支路，16个fbg传感器包括fbg1、fbg2、fbg3、fbg4、fbg5、fbg6、fbg7、fbg8、fbg11、fbg12、fbg13、fbg14、fbg15、fbg16、fbg17、fbg18，其中fbg1、fbg2、fbg3、fbg4在支路1上，fbg5、fbg6、fbg7、fbg8在支路2上，fbg11、fbg12、fbg13、fbg14在支路上，fbg15、fbg16、fbg17、fbg18，在支路4上。本技术主要使用以上方式，构成高可靠性光纤光栅传感网络模型。
18.作为本发明进一步改进，1条支路由3个模块和首尾两个耦合器连接构成，1个通道由2条支路和1个1
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2的光开关连接构成，每一个模块都由耦合器和fbg以及光纤组成，具有高冗余性。
19.作为本发明进一步改进，当一条通道出现多点故障，可以通过光开光的动态切换，仍能实现光信号的解调。
20.作为本发明进一步改进，通过1
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n的光开关的动态切换，可以使传感网络的可靠性大幅提升。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.(1)本发明利用耦合器以及光纤和fbg组成模块，使传感器的冗余性大大提升。
23.(2)本发明的网络模型每条支路上fbg数量越多，fbg传感模块冗余度越大，光纤光栅传感网络越可靠。
24.(3)本发明的网络模型有着很强的扩展性，可以有n条支路和通道。
附图说明
25.附图1是高可靠性光纤光栅传感网络模型结构示意图；
26.附图2是耦合器和fbg以及光纤组成模块结构示意图；
27.附图3是其中一条通道网络故障点布局图。
具体实施方式
28.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
29.本专利提出了一种高可靠性光纤光栅传感网络模型，为一种新型fbg传感网络，传统的fbg传感模块由单一的fbg构成，传感路径只有一条，一旦路径发生故障，就会造成传感器失效，可靠性低，新型的fbg传感网络即使发生多点故障，仍然有着冗余的传感网络进行传输，具有高可靠性、可扩展性高的优点。
30.图1为高可靠性光纤光栅传感网络模型结构示意。使用耦合器和fbg以及光纤组成一个模块，3个模块加上首尾的耦合器，构成一条支路，两条支路由一个1
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2的光开关连接形成一个通道，再由一个1
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2的光开关连接每个通道的光开关，通过动态切换光开关来改变光的传输方向。
31.附图1形成了4条支路，其中fbg1、fbg2、fbg3、fbg4在支路1上，fbg5、fbg6、fbg7、fbg8在支路2上，fbg11、fbg12、fbg13、fbg14在支路上，fbg15、fbg16、fbg17、fbg18，在支路4上。
32.附图2是耦合器和fbg以及光纤组成模块结构示意图，由1个2
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2的耦合器和1个fbg通过光纤连接构成，当该模块a、b、c、d和e点等部位任一一点发生故障时，通过光开光切换，fbg通过冗余线路，依然可以被解调，除了a和b两点同时发生故障这种情况外，该模块都能正常工作。
33.下面举例当该传感网络多点发生故障时，为了举例方便，只研究一个通道出现故障，传感网络是如何自修复的。附图3是一个通道中出现8处故障，这8处故障分别位于各个fbg传感器之间。当光开光选通支路1时，此时解调器只能接受到fbg1、fbg2、fbg3、fbg4、fbg8的反射信号，还有3个fbg传感器信号得不到解调，这样整个系统的性能就会降低很多，达不到检测的要求。结合当前故障情况，将光开光切换到支路2，使得其余fbg传感器得到全部解调，失效的传感器全部得到恢复。
34.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。