專利名稱：光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖光柵傳感領(lǐng)域，涉及一種光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)， 尤其適用于石油化工行業(yè)的溫度壓力監(jiān)測。
背景技術(shù)：
石化工業(yè)中經(jīng)常需要對易燃易爆原料的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量和監(jiān)視，傳統(tǒng)的測量方法是靠人工操作，不僅麻煩、誤差大，而且不易進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。迫切需要一種能對石油及其衍生產(chǎn)品的儲存罐內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行高精度、大量程、連續(xù)監(jiān)測，以滿足信息化管理的需求。由于存在安全性的問題，對易燃易爆物質(zhì)的測量不允許使用電器設(shè)備，使得電類傳感器的應(yīng)用受到限制，而光纖傳感器在該領(lǐng)域中使用就有著很大的優(yōu)勢。光纖傳感器具有質(zhì)量輕、不受電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。采用波長調(diào)制的光纖光柵傳感器除了具有光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外，還有一些明顯優(yōu)于其他光纖傳感器的特點(diǎn)，比如由于采用的是波長調(diào)制技術(shù)，其波長信息不受彎曲損耗、連接損耗、光源功率波動等因素的影響；另外光纖光柵作為一種光譜分離與光波長選擇的器件，可以在一根光纖上同時串接多個光纖光柵，實(shí)現(xiàn)分布式測量。但光纖光柵傳感器卻存在波長解調(diào)的困難，目前研究者提出了邊緣濾波法、可調(diào)諧琺-珀腔濾波器法、可調(diào)諧掃描激光法、參考光柵匹配法等各種解調(diào)方法。在這些解調(diào)方法中，邊緣濾波法為強(qiáng)度解調(diào)方法，失去了光纖光柵波長調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)；可調(diào)諧琺-珀腔濾波器法和可調(diào)諧掃描激光法掃描范圍寬，可同時解調(diào)多個傳感器，但是其價格較高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供的一種光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，它是以壓電陶瓷疊堆驅(qū)動參考光纖光柵作為調(diào)諧濾波器的解調(diào)裝置，具有解調(diào)速度快、性價比高、可方便擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。利用光纖光柵測量溫度和壓力的傳感系統(tǒng)由于其優(yōu)良的防爆特性，尤其適合應(yīng)用于石化行業(yè)，其作用是對存儲易燃易爆液體的容器進(jìn)行實(shí)時溫度和壓力的監(jiān)控，起到保證石化工業(yè)系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行，對保障生命和財產(chǎn)的安全起到重要的作用。本實(shí)用新型提供的光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)包括波長解調(diào)裝置、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳感器、計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺和傳輸光纖。所述波長解調(diào)裝置包括寬帶光源、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、1X4光開關(guān)、1X2光開關(guān)、波長掃描機(jī)構(gòu)、信號處理單元。寬帶光源與第一光纖耦合器的第①端口相連，第一光纖耦合器的第②端口與1 X 4 光開關(guān)相連，第一光纖耦合器的第③端口與第二光纖耦合器的第①端口相連，第二光纖耦合器的第②端口與1 X 2光開關(guān)相連，第二光纖耦合器的第③端口與信號處理單元相連； 1 X4光開關(guān)的控制線、1 X2光開關(guān)的控制線分別與信號處理單元相連。所述波長掃描機(jī)構(gòu)包括壓電陶瓷疊堆、參考光纖光柵、U型金屬帽、恒溫箱。兩個U 型金屬帽分別套在壓電陶瓷疊堆的兩端并粘牢，在U型金屬帽兩側(cè)中間位置放置兩根參考光柵，使光纖光柵正好位于兩個U型金屬帽的間隙當(dāng)中，對二光纖光柵施以相同的預(yù)應(yīng)力并保持，把光纖光柵兩端分別粘貼于U型金屬帽上。這種結(jié)構(gòu)使二參考光柵施加給壓電陶瓷疊堆的拉力左右平衡，不會導(dǎo)致PZT疊堆發(fā)生彎曲，保證了掃描線性度；同時整個PZT疊堆的伸長量都作用到了參考光柵上，擴(kuò)展了其波長掃描范圍。兩個參考光柵分別與1X2光開關(guān)的兩個端口相連；壓電陶瓷疊堆的正負(fù)極引出導(dǎo)線與信號處理單元相連。所述計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺是指安裝了監(jiān)測軟件的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)和信號處理單元之間通過232串口電纜相連。監(jiān)測軟件是基于windows的、能顯示和存儲檢測數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。所述光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器通過傳輸光纖與1X4光開關(guān)相連，1 X 4光開關(guān)連接4根傳輸光纖，每一傳輸光纖上分別連有兩組光纖光柵傳感器，每1組光纖光柵傳感器包括一個光纖光柵溫度傳感和一個光柵壓力傳感器，其光柵的初始中心波長分布相差約3nm，可以完成對一個點(diǎn)的溫度和壓力的測量。兩組光纖光柵傳感器的初始中心波長不能重疊，且相差至少在5nm以上。每根光纖上對應(yīng)位置的傳感器的中心波長相等。所述信號處理單元包括對接收到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、產(chǎn)生掃描電壓信號、產(chǎn)生光開關(guān)控制信號，以及對采集信號進(jìn)行甄別、處理，最后將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。所述計(jì)算機(jī)安裝的監(jiān)測軟件可以通過串口與信號處理單元進(jìn)行通信，接收來自信號處理單元發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、處理、顯示和存儲；監(jiān)測軟件還可以根據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果提供警告信息；可以發(fā)出指令控制信號處理單元的動作，比如改變數(shù)據(jù)采樣時間、 設(shè)定重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)等。本實(shí)用新型提供了一種光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，用壓電陶瓷驅(qū)動參考光柵作為光濾波器來解調(diào)光纖光柵傳感器的波長信息，解調(diào)信號不受光源功率波動和光纖連接損耗的影響；同時設(shè)計(jì)了平衡拉力應(yīng)變放大機(jī)構(gòu)，擴(kuò)展了光濾波器掃描范圍，增強(qiáng)了信號解調(diào)的線性度；并具有低成本、自動監(jiān)測、容易擴(kuò)展的特點(diǎn)。本實(shí)用新型適合應(yīng)用于石化行業(yè)，其作用是對存儲易燃易爆液體的容器進(jìn)行實(shí)時溫度和壓力的監(jiān)控，起到保證工業(yè)系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行，對保障生命和財產(chǎn)的安全起到重要的作用。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是波長掃描機(jī)構(gòu)示意圖。圖3是監(jiān)測軟件界面。圖4是本實(shí)用新型的運(yùn)行框圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案參照附圖詳細(xì)說明如下，但僅作說明而不是限制本實(shí)用新型。本實(shí)用新型使用器件為市售產(chǎn)品，滿足本實(shí)用新型的性能指標(biāo)要求的器件均可使用。如圖所示，1、寬帶光源；2、第一光纖耦合器；3、第二光纖耦合器；4、1X4光開關(guān); 5、波長掃描機(jī)構(gòu)；6、信號處理單元；7、計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺；8、1X2光開關(guān)；9、傳輸光纖；10、光纖光柵溫度傳感器；11、光纖光柵壓力傳感器；501、恒溫箱；502、U型金屬帽；503、第一參考光柵；504、第二參考光柵；505、粘接點(diǎn)；506、光纖；506、正極導(dǎo)線；508、負(fù)極導(dǎo)線；509、壓電陶瓷疊堆。本實(shí)用新型提供的光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)包括波長解調(diào)裝置、光纖光柵溫度傳感器10、光纖光柵壓力傳感器11、計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺7和傳輸光纖9。所述光纖光柵溫度傳感器10、光纖光柵壓力傳感器11分別是一組傳感器，比如本實(shí)用新型采用的是8個溫度傳感器和8個壓力傳感器；所述傳輸光纖9是指多根光纖，比如本實(shí)用新型采用的是4 根光纖，分別連接于1X4光開關(guān)4的端口上。所述光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器位于傳輸光纖的遠(yuǎn)端，每一傳輸光纖上分別連有2組光纖光柵傳感器，每1組光纖光柵傳感器包括一個光纖光柵溫度傳感和一個光柵壓力傳感器，其光柵的初始中心波長分布相差約3nm，可以完成對一個點(diǎn)的溫度和壓力的測量。一根傳輸光纖上的2組光纖光柵傳感器的初始中心波長不能重疊，且相差至少在5nm以上，分別與對應(yīng)于兩個參考光柵的中心波長，且比相應(yīng)參考光柵的中心波長略大約0. 5nm。所有4根光纖上對應(yīng)位置的傳感器的中心波長相等。所述的光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器為光學(xué)傳感器，傳感器所用光纖光柵是布拉格光纖光柵，波長位于C波段。光纖光柵溫度傳感器的測量范圍是-30°C-80°C，分辨率為0. 50C (例如選用型號為TE000122的光纖光柵位移傳感器)；光纖光柵壓力傳感器的量程是1.2MPa，分辨率為0.5% (滿量程)，工作溫度為_30°C _80°C (例如選用型號為FP001011光纖光柵壓力傳感器)。所述波長解調(diào)裝置包括寬帶光源1、第一光纖耦合器2、第二光纖耦合器3、1X4光開關(guān)4、1X2光開關(guān)8、波長掃描機(jī)構(gòu)5和信號處理單元6。寬帶光源1與第一光纖耦合器 2的第①端口相連，第一光纖耦合器2的第②端口與1 X 4光開關(guān)4相連，第一光纖耦合器2 的第③端口與第二光纖耦合器3的第①端口相連，第二光纖耦合器3的第②端口與1 X 2光開關(guān)8相連，第二光纖耦合器3的第③端口與信號處理單元6相連；1 X 4光開關(guān)4的控制線、1 X 2光開關(guān)8的控制線分別與信號處理單元6相連。所述波長掃描機(jī)構(gòu)5包括壓電陶瓷疊堆509、第一參考光柵503、第二參考光柵 504、U型金屬帽502、恒溫箱501。兩個U型金屬帽分別套在壓電陶瓷疊堆509的兩端并粘牢，在U型金屬帽兩側(cè)中間位置放置兩根光纖光柵作為參考光柵，使光纖上的刻有光柵的部分正好位于兩個U型金屬帽的間隙當(dāng)中，對二光纖光柵施以相同的預(yù)應(yīng)力并保持，把光纖光柵兩端分別粘貼于U型金屬帽上。當(dāng)PZT產(chǎn)生伸縮動作時，帶動兩金屬帽向相反的方向移動，則PZT產(chǎn)生的總伸縮量都反映在中間空隙部分，也就是說參考光柵的形變量就等于PZT的總伸縮量，這樣比直接將參考光柵粘貼于PZT表面的方式擴(kuò)大了參考光柵的掃描范圍，在本實(shí)用新型中，F(xiàn)BG的掃描范圍擴(kuò)大了約3倍。兩個參考光柵分別與1X2光開關(guān)的兩個端口相連；壓電陶瓷疊堆509的正負(fù)極引出導(dǎo)線與信號處理單元6相連。所述PZT疊堆為長方體，要有一定的承載力和電致伸縮量，本實(shí)用新型采用的PZT 疊堆的型號是MT0505036，其長度為36mm，截面僅為5X 5mm2，其承載力要求垂直于其橫截面。因此分別在金屬帽兩側(cè)對稱位置放置兩根光纖光柵，并對兩個光柵施加相同的預(yù)應(yīng)力， 這樣便對PZT施加了平衡拉力，PZT不論是在靜止?fàn)顟B(tài)，還是在掃描狀態(tài)，其受力均是對稱的，根本上消除了 PZT產(chǎn)生彎曲形變的可能，也就增強(qiáng)了它的掃描線性。所述寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)第一光纖耦合器2和1X4光開關(guān)4送至光纖光柵傳感器，傳感器反射的波長信號再經(jīng)過1 X 4光開關(guān)4、第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器3到達(dá)粘貼于PZT疊堆上的第一參考光柵503或第二參考光柵504，最后經(jīng)參考光柵反射后， 經(jīng)第二光纖耦合器3到達(dá)信號處理單元6。所述信號處理單元6的功能包括光電轉(zhuǎn)換、放大、產(chǎn)生掃描電壓信號和光開關(guān)控制信號。信號處理單元6對采集信號進(jìn)行甄別、處理，最后將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。信號處理單元控制1X4光開關(guān)、1X2光開關(guān)和PZT疊堆協(xié)同動作，保證順序地完成對每一個傳感器的解調(diào)。掃描電壓信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的是周期性鋸齒波電壓信號，此信號控制PZT疊堆產(chǎn)生周期性伸縮，帶動參考光柵，使其中心波長產(chǎn)生周期性掃描，從而過濾出相應(yīng)的傳感器的波長信號。所述計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺7包括安裝了特定監(jiān)測軟件的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)和信號處理單元之間通過232串口電纜相連。接收來自信號處理單元發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理、顯示和存儲；監(jiān)測軟件還可以根據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果提供警告信息；可以發(fā)出指令控制信號處理單元的動作，比如改變數(shù)據(jù)采樣時間、設(shè)定重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)等。本實(shí)用新型的運(yùn)行流程和監(jiān)測軟件的運(yùn)行步驟描述。1)安裝傳感器，并鋪設(shè)光纜到信號處理單元，連接信號處理單元與計(jì)算機(jī)。2)第一次運(yùn)行監(jiān)測軟件，首先在軟件界面設(shè)置各傳感器參數(shù)、設(shè)置通信串口參數(shù)， 并運(yùn)行傳感器校準(zhǔn)。3)開始運(yùn)行監(jiān)測，傳感器返回的光信號通過信號處理單元轉(zhuǎn)換為電信號，計(jì)算出每一個光纖光柵傳感器的中心波長值，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至計(jì)算機(jī)。4)在計(jì)算機(jī)軟件界面上實(shí)時顯示各個點(diǎn)的溫度、壓力值。5)可以將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息以曲線的形式直觀地顯示出來，查看實(shí)時曲線和歷史曲線。6)根據(jù)事先設(shè)定的閾值(比如溫度閾值設(shè)為70°C，壓強(qiáng)閾值設(shè)為IMPa)，當(dāng)監(jiān)測到的實(shí)時數(shù)據(jù)超過此閾值時，監(jiān)測系統(tǒng)會發(fā)出警告信息。
權(quán)利要求1.一種光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它包括波長解調(diào)裝置、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳感器、計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺和傳輸光纖；所述波長解調(diào)裝置包括寬帶光源、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、1X4光開關(guān)、 1X 2光開關(guān)、波長掃描機(jī)構(gòu)、信號處理單元；寬帶光源與第一光纖耦合器的第①端口相連，第一光纖耦合器的第②端口與1X4光開關(guān)相連，第一光纖耦合器的第③端口與第二光纖耦合器的第①端口相連，第二光纖耦合器的第②端口與1X2光開關(guān)相連，第二光纖耦合器的第③端口與信號處理單元相連；1X4 光開關(guān)的控制線、1X2光開關(guān)的控制線分別與信號處理單元相連；所述的光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器通過傳輸光纖與1X4光開關(guān)相連；所述的波長掃描機(jī)構(gòu)包括壓電陶瓷疊堆、參考光纖光柵、U型金屬帽、恒溫箱；兩個U型金屬帽分別套在壓電陶瓷疊堆的兩端并粘牢，在U型金屬帽兩側(cè)中間位置放置并粘貼兩根光纖，使光纖上光柵部分正好位于兩個U型金屬帽的間隙當(dāng)中；兩個光纖光柵分別與1X2 光開關(guān)的兩個端口相連；壓電陶瓷疊堆的正負(fù)極引出導(dǎo)線與信號處理單元相連；所述的計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺包括計(jì)算機(jī)和監(jiān)測軟件；計(jì)算機(jī)和信號處理單元之間通過232串口電纜相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器通過傳輸光纖與1 X4光開關(guān)相連，1 X4光開關(guān)連接四根傳輸光纖，每一傳輸光纖上分別連有兩組光纖光柵傳感器，每一組光纖光柵傳感器包括一個光纖光柵溫度傳感和一個光柵壓力傳感器，它們的初始中心波長分布相差3nm，可以完成對一個點(diǎn)的溫度和壓力的測量；兩組光纖光柵傳感器的初始中心波長不能重疊，且相差至少在5nm以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖光柵位移傳感器和光纖光柵壓力傳感器為光學(xué)傳感器，該光纖光柵采用的是布拉格光纖光柵，波長位于C波段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于在U型金屬帽兩側(cè)中間位置放置兩根光纖光柵，使光纖上刻有光柵部分正好位于兩個U型金屬帽的間隙當(dāng)中，對二光纖光柵施以相同的預(yù)應(yīng)力，把光纖光柵兩端分別粘貼于U型金屬帽上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵溫度壓力多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括波長解調(diào)裝置、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳感器、計(jì)算機(jī)監(jiān)測臺。所述波長解調(diào)裝置包括寬帶光源、光纖耦合器、光開關(guān)、波長掃描機(jī)構(gòu)、信號處理單元；所述波長掃描機(jī)構(gòu)包括壓電陶瓷疊堆、參考光纖光柵、U型金屬帽、恒溫箱。本實(shí)用新型提供了一種平衡結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷疊堆應(yīng)變放大機(jī)構(gòu)，用它驅(qū)動參考光柵作為光濾波器來解調(diào)光纖光柵傳感器的波長信息，解調(diào)信號不受光源功率波動和光纖連接損耗的影響，具有性價比高、自動監(jiān)測、容易擴(kuò)展的特點(diǎn)。
文檔編號G01K11/32GK202329869SQ201120471478
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者吳凡, 李維祥, 楊長銳, 潘興, 葛付偉, 郭振武 申請人:南開大學(xué)濱海學(xué)院