专利名称：光纤测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤测量仪，特别是用于测量载荷，特别地针对电缆的光纤测量仪，特别涉及根据权利要求1的前序所述的光纤测量仪、光束源，以及使用所述光纤测量仪的方法。
背景技术：
在运营例如近海风力发电厂时，会产生明确对风力发电厂本身有负面影响的载荷状态，从而造成发电厂故障或破坏风力发电厂的部件。为了使近海风力发电厂有效运营，重要的一点是，应提供适用于对各种发电厂部件的运行状态进行永久长期检测的传感器技术，以优化发电厂的利用率，或将维护花费的比例降到最低。虽然过去已经利用传感器技术对转子叶片和涡轮机传动装置的载荷状态进行检测，但却没有关于低压和中压电缆的载荷状态的可用信息。因此，特别地，对于风力发电厂的操作人员，从根本上说，应获取，可选地，关于各种电缆参数的在线信息和现场信息，例如，载荷、温度、磨损等，用以可选择性地更换或按照周期性的维护间隔进行修理。优选地，该信息必须通过传感器网络获取，并能在中央数据中
心管理。针对相似的冷藏集装箱同样适用。通常存在的问题是以连续和以空间分辨方式， 检测电缆入口的机械载荷，例如，挤压产生的机械载荷。局部机械载荷会使电流发生故障， 在极端情况下，可导致集装箱供电完全受到破坏。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光纤测量仪、光束源和用于操作光纤测量仪的方法， 例如，特别是传感器系统，特别是用于电力电缆(例如，用于冷藏集装箱和近海风力发电厂的应用领域)的传感器系统，以检测电力电缆(特别地，用于集装箱或风力发电厂的电力电缆)的载荷状态，以获得(特别地，分散地或连续地)各种参数，从而及时进行鉴定，或预测可能的技术问题和/或紧急故障。原则上，这些结果可应用到几乎所有的电力电缆应用领域。所述测量仪是通过权利要求1所述的特征实现的，其中，提供了一种光纤测量仪， 包括组合在电缆内、用于检测机械载荷、温度和/或腐蚀性气体的多个传感器，其特征在于，所述传感器被供应有来自光源的光，并由传感器形成光纤传感器网络。优选地，所述传感器互相耦合，以通过中央评估单元对所述传感器的结果进行评估，和/或所述传感器元件各自仅设有供操作的单光束源。本发明中，优选地，从光源开始，设有至少一条光纤，所述传感器设于光纤上或光纤内。优选地，从光源开始，设有光束分离器，且设有至少两条光纤，所述传感器设于光纤上或光纤内。进一步，优选地，用于检测机械变形的传感器和用于检测温度的传感器设于光纤上。优选地，用于检测弯曲度的传感器设于相同或另一个光纤上。在进一步的示例性实施例中，优选地，通过将周期性折射率结构引入光纤或光波导在光纤的核心通过超短光脉冲的局部聚焦，使白色光源或宽频带发射器的单频率根据周期间隔而反射。优选地，所述电缆或光纤的机械载荷，例如，由于弯曲或扭转而产生的机械载荷， 能够从背面反射频率分量的偏移推导出。进一步，优选地，将高强度短脉冲激光束耦合在未处理的光纤电缆内之后，对光反向散射信号进行时间分辨测量。优选地，对两个不同散射光分量的时间分辨光反向散射测量提供了对电力电缆进行局部温度测量和/或进行局部机械载荷检测的可能性。在进一步的示例性实施例中，优选地，所述两个不同散射光分量为斯托克斯分量和反斯托克斯分量。优选地，所述光束源为连续生成白光的被动调Q微片激光器。进一步，优选地，所述白光由下游连接的一个非线性光学组件生成，优选地，由光子纤维生成。优选地，通过滤光器从白光光谱中过滤出频率范围，从而触发单个传感器元件。进一步，优选地，通过多路复用完成所述单个传感器或传感器元件的组网，从而按顺序完成所述测量信号的询问。进一步，优选地，所述测量仪以这种方式配置光束源生成的电磁辐射可耦合到光纤电缆内，特别地，用于同时测量空间分辨温度和机械载荷，其中，所述光纤电缆设有光纤布拉格光栅(FBG)。优选地，选择所述光纤布拉格光栅的周期，使光纤布拉格光栅与选定激光波长不对应，从而使具有选定激光波长的辐射可在光波导中无干扰地传播，并可有利地用于对温度或挤压情况进行空间分辨测量。进一步，优选地，所述光纤布拉格光栅用超短光脉冲，例如，飞秒光脉冲写入光纤电缆。优选地，所述传感器的反射信号分量通过光纤耦合器(218)互相分离。所述光束源通过一种光束源实现，特别地，该光束源用于光纤测量仪，特别是用于根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，该光束源用于在定义激光波长下形成连续辐射和短脉冲发射，其中，滤波器，例如，干扰滤波器可抑制定义光谱范围内定义激光波长周围的连续发射。本发明中，优选地，所述干扰滤波器为缺口滤波器或带阻滤波器或陷波滤波器。优选地，所述光束源用于将生成的电磁辐射耦合在光纤电缆内，以同时测量空间分辨温度和机械载荷，其中，所述光纤电缆是测量仪的一部分，设有光纤布拉格光栅。所述方法通过用于操作上述光纤测量仪的方法实现。优选地，检测以下过程变量，例如，电缆中的空间分辨温度曲线和机械压力载荷。优选地，这可通过对激光反向散射信号进行时间分辨测量而实现。电缆的机械载荷，例如拉长和/或扭转，可用光纤布拉格传感器确定，通过电晕放电在变压器处产生的臭氧浓度可通过相关传感器连续检测。优选地，所有这些测量变量由在光纤传感器网络内互连的单个光纤传感器检测。 如果配置适当，单个测量变量也可用一个传感器统一检测。关于这一点，优选地，将所述传感器的数据中继给中央处理单元，随后，优选地，在中央进行评估和处理。因此，为了实现最廉价、经济的解决方案，将需要的光电“硬件”或需要的光电传感器安装在中央，对单个测量点或测量站，例如，风力发电厂或冷藏集装箱，通过光纤网络按顺序进行询问。这种情况下，一个优选实施例为，提供用于进行数据采集和/或信息传输，以及单个测量点的并行询问或顺序询问的光纤网络。反过来，其前提是，提供单个适用的光束源。
将根据示例性实施例结合附图对本发明进行详细说明。在附图中图1为光纤测量仪的示意图；图2为光纤测量仪的示意图；图3为图表；图4为光纤测量仪的示意图；图fe为光纤测量仪的示意图；图5b为图表；以及图6为图表。
具体实施例方式图1显示了设有激光器2的光纤测量仪1的示意图。这种情况下，所述测量仪由多个传感器3、4、5组成，用于对挤压情况、温度和/或弯曲度进行测量，优选地针对电缆。所述测量仪1包括将光束或激光束分为两根光纤7、8的光束分离器6。光纤7的光束经过用于进行倍频的仪器9、透镜17和另一个光束分离器18。光纤8的光束经过透镜 19。传感器5用于对电缆20的拉长和扭转进行测量，所述电力电缆的传感器5由玻璃纤维13中的多个连续光纤布拉格光栅(FBG) 10、11、12组成，所述光纤布拉格光栅用于反射不同波长的引导光。所述反射的光纤布拉格光栅波长的光谱移动的测量可借助宽频带光束源和显微分光计14完成。宽频带光束源能够以低成本制造形成不同波长。优选地，宽频带光束源以LED的形式在一定范围存在，优选地，所述范围为可见光范围、800-850nm范围内和约 1550-1600nm。光纤布拉格光栅可通过市售获得，例如，波长为约1550nm。但是，周期性的折射率调制可通过大功率飞秒激光器脉冲写入任何玻璃，目的在于通过这种方法，在常规光纤电缆内制造特定的范围为800-850nm的光纤布拉格光栅。由于特别的针对检测器可采用标准硅技术，这可明显降低对应光纤布拉格光栅传感器系统21的成本。空间分辨光纤辅助温度传感器4基于针对激光反向散射信号进行的时间分辨测量。从理论上说，反斯托克斯拉曼线基于非线性激励过程，因此与周围温度相关。在光纤 7内短高强度光脉冲和大峰值功率耦合，并对反向散射拉曼光子的强度的临时衰减进行测量。由于散射截面较小，因此对单光子进行计数，并通过多个激光脉冲进行累计。因为对于短激光波长的散射截面大大增加，所以优选地，所述传感器4优选采用可见光范围内或近红外光范围内的光源，例如，微片激光器。对于单系统解决方案，在短脉冲模式下运行的半导体激光器或发光二极管此处提供了特别经济的系统解决方案。所述可见光谱范围具有进一步的优点，即，光电倍增器此处可作为极端敏感的单光子计数器。此处使用基于光发光二极管(LED)的传感元件作为用于测量周围空气的臭氧含量的气敏传感器。该气敏传感器由空心圆筒组成，所述空心圆筒的内表面成形为使所有入射线都集中于一点的形状。在该设置下，可以间断的方式聚焦极端发散光束源，例如，LED。 LED发射的光线在紫外线光谱范围内，且所述LED安装在圆筒一侧，在另一侧安装有合适的检测器，例如，光电二极管。LED光利用具有适当形状的空心圆筒，特别地，双曲线形空心圆筒通过几何成像在检测器上完全成像。所述空心圆筒中只流通需要检测的气体，并且起到光吸收单元的作用。 在适当选择LED波长，例如，250nm，以进行臭氧测量的情况下，所述光的一部分在传播期间被吸收到空心圆筒内，这种强度变化可采用比尔-朗伯吸收定律来反算颗粒浓度，例如，臭氧浓度。所述光电二极管的电信号可转换为光信号，并通过光纤传输到控制中心。因此，可利用小型化网络集成传感元件，对具有相对简单分量的永久痕量，例如，臭氧浓度，进行检测。这种情况下，由于紫外线辐射基本上仅能传输到石英纤维中，所以所述单个传感器为独立单个部件，但是目前并不能用作数据传输的标准。因此，光纤组网仅可通过在标准光纤中进行光数据传输而完成。本发明的一个示例性实施例的一个方面为，将不同传感器组网，以形成用于监测电缆，例如，电力电缆，的载荷状态的光纤网络21。这可以经济的方式实现，特别地，通过上述网络方法减少成本密集型部件的数量。优选地，为不同传感器确定单光束源，从而实施本发明的这个方面。优选地，可通过使用具有对应光谱带宽的超短脉冲源来实现。这种光束源的优选实施例为具有下游光子纤维15，用于生成白光(连续辐射)的微片激光器，其中，传感器技术所需的光谱范围可通过选择合适的滤色器，从白光光谱中滤出。这样，单光束源2不仅可用于光纤布拉格光栅传感器技术5 (例如，800-850nm的光谱范围)，还可用于通过时间分辨拉曼反向散射测量方法，针对温度4和挤压下的机械载荷3进行测量。根据背景技术，每个单个光纤传感器的原理都要求有特殊光束源，因此，从经济角度看，光纤传感器网络的构成并不可行。被动调Q微片激光器是工艺上较为简单的光束源，与光脉冲在毫微秒级别内匹配的重复频率可达到kHz级别，由于脉冲高，峰值功率非常适用于利用光子纤维的非线性光学效应生成白光。这样，从经济角度看，具有上述特征的光纤传感器网络可以实现。图1显示了可用于对热载荷和机械载荷进行实时监测的这种传感器光纤网络1的原理。所述微片激光器2显示为初级光束源，一部分辐射通过光束分离器6进行分叉，并耦合到倍频器9和常规通信光纤16内，以通过检测拉曼反向散射信号，以空间分辨方式检测电缆中的热干扰和机械干扰。所述光纤电缆本身组合在电力电缆内。激光辐射的其他部分耦合到光子纤维15 内，以进行连续生成。而所述光纤与另一个通信光纤接合，光纤布拉格光栅10、11、12之前通过飞秒光脉冲在适当位置写入所述通信光纤。对反向散射频率分量进行测量，可检测电缆的机械载荷，例如，扭转和弯曲。通过对光反向散射信号进行时间分辨测量，从而对具有集成标准光波导的电力电缆的机械载荷状态进行检测，这可作为传感器系统的单分量检测。光激励可通过上述选定频率范围的白光源完成，并集成到传感器网络21内。所述测量仪101的单独解决方案的一个示例性实施例如图2所示。此处，使用发射绿光的微片激光器102作为光激励。在激光器102之后，设置倍频103，随后设置灰色滤光片104。如果具有足够强度的光被引导到光波导105内，可观察到散射分量偏移到红色光谱范围内(斯托克斯分量106)，并且一个明显微弱的分量偏移到蓝色光谱范围内(反斯托克斯分量107)。这种情况下，所述反斯托克斯分量107与发射光强度的平方相关IAS IL2(1)如果所述电缆或电力电缆108在一个位置受到特别高的载荷，例如，挤压造成的载荷，那么在集成在电力电缆108内的光波导105的这一位置上形成了增强的散射中心，这可通过对斯托克斯和反斯托克斯反向散射信号进行时间分辨测量而确定。进一步图中还有光束分离器109和相关触发二极管110、非球面透镜111。在所述光束分离器109后面的光束路径中，还有陷波滤波器112、灰色滤光片113和可变光阑114以及下游光束分离器115， 进一步光电倍增器107之后设有评估电子装置。图3显示了反斯托克斯信号与斯托克斯信号在不同光纤位置的比例，其中，所述光纤位置16. 5m受到机械挤压载荷。所述挤压区域可明显地进行定位。由于与强度的平方相关，对反斯托克斯拉曼线强度的测量，特别提供了对测量值非常灵敏地进行检测的可能性。随后，斯托克斯线强度可用于，例如，信号标准化。特别优选的使用脉冲半导体激光器或LED作为微片激光器例如针对网络变量，因为，这样成本较低。在采用传感器网络的情况下，根据本发明，可选地使用具有白光或连续生成功能的光密集微片激光器作为中央光源，随后通过多路复用导向单个测量点。所述反向散射光 (斯托克斯和反斯托克斯)可由中央数据采集和评估单元22通过对各种光波导进行顺序询问而重新处理。通过这种组网形式，单个测量光纤的成本可大大降低。根据本发明进一步特别优选实施例的测量仪200如图4所示。所述光源201具体如图fe所示。图4显示了具有组合连续/短脉冲光束源、仅具有一个光波导(LWL)的光纤传感器系统，用于同时测量电力电缆的空间分辨拉曼反向散射和光纤布拉格光栅，特别地， 用于在光波导集成在电力电缆内时，检测电力电缆的机械载荷。图fe显示了光纤测量系统的组合宽频带和短脉冲光源。这种情况下，图fe显示了所述光束源的结构和部件。图恥显示了作为波长函数的所述光束源的光谱强度分布。优选地，所述光源201由微片激光器202和进一步安装即设置的光子纤维(PCF纤维)203组成，用于形成连续辐射，特别地，具有光谱加宽功能。光束分离器204位于所述微片激光器202后面，用于将光束分离成光束205和光束206。优选地，所述光源201为脉冲连续单频激光辐射源。另外，透镜207、208位于光束205内。通过称为缺口滤波器209 (例如，532nm士 15nm)的滤波器，所使用的激光器，例如，微片激光器(532nm)，的二次谐波的光谱范围被限制在士 15nm的间隔内，以进行连续发射。如图恥所示，将辐射强度作为波长的一个函数。图6显示了采用这种设置在1064nm以上波长的红外光谱范围内生成的连续辐射区域。特别地，图6显示利用激光器，例如1064nm波长的微片激光器和光子纤维在1064nm 以上的波长下，生成连续发射的白光。所述微片激光器发射(1064nm)的一部分基础在于，利用非线性晶体210 (例如， KDP晶体)在分支型钢206内将波长倍频到532nm，并与PCF纤维的输出重新叠加。出于这个目的，设置两个仪器211、212。目的在于使光束源输出时以如图恥所示的方式进行发射 获得具有532nm间隙的宽频带发射，并与532nm高强度激光线叠加。该设置的优点在于，仅设置一个单光束源201，不仅适用于对连续辐射的光纤布拉格光栅传感器213进行激励，而且对532nm激光线进行拉曼测量214是在一个单光纤中。具有定义波长、作为光纤布拉格光栅传感器的光纤布拉格光栅(FBG)结构213优选地通过飞秒激光照射写入光纤。只要光纤布拉格光栅213的光栅波长与532nm波长不对应，所述532nm光脉冲就不会受到光纤布拉格光栅213的影响。这样，可进行拉曼反向散射测量214，以确定同样包含光纤布拉格光栅213的相同光纤215内的空间分辨温度或挤压情况。光纤布拉格光栅传感器213上所述反馈信号216的反射波长和拉曼信号217通过光纤耦合器218互相分离，并独立进行评估。因此，根据本发明的原理可实现电力电缆的温度、挤压情况和/或机械载荷，例如弯曲和扭转的同时检测，所述电力电缆，例如，优选设有单光纤电缆，并且光纤布拉格光栅已采用飞秒激光法写入其中。上述方法并不限于532nm波长，如果所查找的光谱范围内存在高强度激光脉冲波长，该方法还可用于任何其他光波长。在该测量原理中，优选地，使用称为缺口滤波器的滤波器，例如，陷波滤波器或带阻滤波器，能够对连续发射的光束路径中选定激光波长(例如，532nm)在一个波长范围(例如，选定激光波长的士 15nm)内抑制>103。由于，有利地，与连续发射器的对应波长几乎没有叠加或没有叠加，可在测定温度时灵敏地测量斯托克斯和反斯托克斯发射。附图标记列表
1测量仪
2激光器
3传感器
4传感器
5传感器
6光束分离器
7光纤
8光纤
9仪器
10光纤布拉格光栅
11光纤布拉格光栅
12光纤布拉格光栅
13玻璃纤维
14显微分光计
15光子纤维
16通信光纤
17透镜
18光束分离器
19透镜
101仪器
102激光器
103倍频
104灰色滤光片
105光波导
106斯托克斯分量
107反斯托克斯分量
108电力电缆
109光束分离器
110触发二极管
111非球面透镜
112陷波滤波器
113灰色滤光片
114可变光阑
115光束分离器
200测量仪
201光源
202微片激光器
203光子纤维
204光束分离器
205光束
206型钢
207透镜
208透镜
209缺口滤波器
210晶体
211仪器
212仪器
213光纤布拉格光栅
214拉曼反向散射
215光纤
216信号
217拉曼信号
218光纤耦合器
权利要求
1.一种光纤测量仪(1)，包括组合在电缆00)内、用于检测机械载荷、温度和/或腐蚀性气体的多个传感器(3，4，5)，其特征在于，所述传感器(3，4，幻被供应有来自光源O)的光，并由传感器(3,4,5)形成光纤传感器网络(3,4,5,21).
2.根据权利要求1所述的光纤测量仪，其特征在于，所述传感器(3，4，幻互相耦合，以通过中央评估单元0 对所述传感器(3，4，幻的结果进行评估，和/或所述传感器元件各自仅通过单光束源( 进行操作。
3.根据权利要求1或2所述的光纤测量仪，其特征在于，从光源(2)开始，设有至少一条光纤(7，8)，所述传感器(3，4，幻设于光纤上或光纤内。
4.根据权利要求1或2所述的光纤测量仪，其特征在于，从光源(2)开始，设有光束分离器(6)，且设有至少两条光纤(7，8)，所述传感器(3，4，5)设于光纤上或光纤内。
5.根据权利要求3或4所述的光纤测量仪，其特征在于，用于检测机械变形的传感器 (3)和用于检测温度的传感器(4)设于光纤(7)上。
6.根据权利要求3、4或5所述的光纤测量仪，其特征在于，用于检测弯曲度的传感器 (5)设于相同或另一个光纤(7,8)上。
7.根据权利要求3、4、5或6所述的光纤测量仪，其特征在于，通过将周期性折射率结构引入光纤(7，8)或光波导在光纤(7，8)的核心通过超短光脉冲的局部聚焦，使白色光源或宽频带发射器的单频率根据周期间隔而反射。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，所述电缆OO)或光纤 (7,8)的机械载荷，例如，由于弯曲或扭转而产生的机械载荷，能够从背面反射频率分量的偏移推导出。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，将高强度短脉冲激光束耦合在未处理的光纤电缆OO)内之后，对光反向散射信号进行时间分辨测量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，对两个不同散射光分量的时间分辨光反向散射测量提供了对电力电缆OO)进行局部温度测量和/或进行局部机械载荷检测的可能性。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，所述两个不同散射光分量为斯托克斯分量和反斯托克斯分量。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，所述光束源( 为连续生成白光的被动调Q微片激光器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，所述白光由下游连接的一个非线性光学组件生成，优选地，由光子纤维生成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，通过滤光器从白光光谱中过滤出频率范围，从而触发单个传感器元件。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，其特征在于，通过多路复用完成所述单个传感器(3，4，幻或传感器元件的组网(21)，从而按顺序完成所述测量信号的询问。
16.一种光束源，特别地，用于光纤测量仪，特别是用于根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪，该光束源用于在定义激光波长下形成连续辐射和短脉冲发射，其中，滤波器，例如，干扰滤波器抑制定义光谱范围内定义激光波长周围的连续发射。
17.根据权利要求16所述的光束源，其特征在于，所述干扰滤波器为缺口滤波器或带阻滤波器(209)或陷波滤波器。
18.根据权利要求16所述的光束源，其特征在于，所述光束源用于将生成的电磁辐射耦合在光纤电缆内，以同时测量空间分辨温度和机械载荷，其中，所述光纤电缆是测量仪的一部分，设有光纤布拉格光栅(10，11，12，213)。
19.一种根据前述权利要求1至15中任一项所述的测量仪，其中，光束源(2，102，202) 生成的电磁辐射被耦合到光纤电缆00)内，特别地，用于同时测量空间分辨温度和机械载荷，其中，所述光纤电缆设有光纤布拉格光栅(10，11，12，213)。
20.根据权利要求19所述的测量仪，其特征在于，选择所述光纤布拉格光栅(10，11， 12，213)的周期，使光纤布拉格光栅(10，11，12，21 与选定激光波长不对应，从而使具有选定激光波长的辐射在光波导中无干扰地传播，有利地用于对温度或挤压情况进行空间分辨测量。
21.根据权利要求19或20所述的测量仪，其特征在于，所述光纤布拉格光栅(10，11， 12，213)用超短光脉冲，例如，飞秒光脉冲写入光纤电缆。
22.根据权利要求19、20或21所述的测量仪，其特征在于，所述传感器(3，4，5)的反射信号分量通过光纤耦合器(218)互相分离。
23.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的光纤测量仪的方法。
全文摘要
本发明涉及一种光纤测量仪(1)及相关方法，包括组合在电缆(20)内、用于检测机械载荷、温度和/或腐蚀性气体的多个传感器(3，4，5)，其特征在于，所述传感器(3，4，5)被供应有来自光源(2)的光，并由传感器(3，4，5)形成光纤传感器网络(3，4，5，21)。
文档编号H01S5/02GK102301206SQ201080006380
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年2月2日
发明者N·埃姆德, R·奥森伯格, 彼得·冯肯 申请人:特雷卡电缆伍珀塔尔有限公司