专利名称：光纤光栅温度压力多点监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤光栅传感领域，涉及一种光纤光栅温度压力多点监测系统， 尤其适用于石油化工行业的温度压力监测。
背景技术：
石化工业中经常需要对易燃易爆原料的各项参数进行测量和监视，传统的测量方法是靠人工操作，不仅麻烦、误差大，而且不易进行数据处理。迫切需要一种能对石油及其衍生产品的储存罐内的参数进行高精度、大量程、连续监测，以满足信息化管理的需求。由于存在安全性的问题，对易燃易爆物质的测量不允许使用电器设备，使得电类传感器的应用受到限制，而光纤传感器在该领域中使用就有着很大的优势。光纤传感器具有质量轻、不受电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优点。采用波长调制的光纤光栅传感器除了具有光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于其他光纤传感器的特点，比如由于采用的是波长调制技术，其波长信息不受弯曲损耗、连接损耗、光源功率波动等因素的影响；另外光纤光栅作为一种光谱分离与光波长选择的器件，可以在一根光纤上同时串接多个光纤光栅，实现分布式测量。但光纤光栅传感器却存在波长解调的困难，目前研究者提出了边缘滤波法、可调谐珐-珀腔滤波器法、可调谐扫描激光法、参考光栅匹配法等各种解调方法。在这些解调方法中，边缘滤波法为强度解调方法，失去了光纤光栅波长调制的优点；可调谐珐-珀腔滤波器法和可调谐扫描激光法扫描范围宽，可同时解调多个传感器，但是其价格较高。
发明内容本实用新型的目的在于提供的一种光纤光栅温度压力多点监测系统，它是以压电陶瓷叠堆驱动参考光纤光栅作为调谐滤波器的解调装置，具有解调速度快、性价比高、可方便扩展等优点。利用光纤光栅测量温度和压力的传感系统由于其优良的防爆特性，尤其适合应用于石化行业，其作用是对存储易燃易爆液体的容器进行实时温度和压力的监控，起到保证石化工业系统设备正常运行，对保障生命和财产的安全起到重要的作用。本实用新型提供的光纤光栅温度压力多点监测系统包括波长解调装置、光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、计算机监测台和传输光纤。所述波长解调装置包括宽带光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、1X4光开关、1X2光开关、波长扫描机构、信号处理单元。宽带光源与第一光纤耦合器的第①端口相连，第一光纤耦合器的第②端口与1 X 4 光开关相连，第一光纤耦合器的第③端口与第二光纤耦合器的第①端口相连，第二光纤耦合器的第②端口与1 X 2光开关相连，第二光纤耦合器的第③端口与信号处理单元相连； 1 X4光开关的控制线、1 X2光开关的控制线分别与信号处理单元相连。所述波长扫描机构包括压电陶瓷叠堆、参考光纤光栅、U型金属帽、恒温箱。两个U 型金属帽分别套在压电陶瓷叠堆的两端并粘牢，在U型金属帽两侧中间位置放置两根参考光栅，使光纤光栅正好位于两个U型金属帽的间隙当中，对二光纤光栅施以相同的预应力并保持，把光纤光栅两端分别粘贴于U型金属帽上。这种结构使二参考光栅施加给压电陶瓷叠堆的拉力左右平衡，不会导致PZT叠堆发生弯曲，保证了扫描线性度；同时整个PZT叠堆的伸长量都作用到了参考光栅上，扩展了其波长扫描范围。两个参考光栅分别与1X2光开关的两个端口相连；压电陶瓷叠堆的正负极引出导线与信号处理单元相连。所述计算机监测台是指安装了监测软件的计算机。计算机和信号处理单元之间通过232串口电缆相连。监测软件是基于windows的、能显示和存储检测数据的应用程序。所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器通过传输光纤与1X4光开关相连，1 X 4光开关连接4根传输光纤，每一传输光纤上分别连有两组光纤光栅传感器，每1组光纤光栅传感器包括一个光纤光栅温度传感和一个光栅压力传感器，其光栅的初始中心波长分布相差约3nm，可以完成对一个点的温度和压力的测量。两组光纤光栅传感器的初始中心波长不能重叠，且相差至少在5nm以上。每根光纤上对应位置的传感器的中心波长相等。所述信号处理单元包括对接收到的光信号进行光电转换、放大、产生扫描电压信号、产生光开关控制信号，以及对采集信号进行甄别、处理，最后将数据上传至计算机。所述计算机安装的监测软件可以通过串口与信号处理单元进行通信，接收来自信号处理单元发送过来的数据，并进行分析、处理、显示和存储；监测软件还可以根据数据的分析结果提供警告信息；可以发出指令控制信号处理单元的动作，比如改变数据采样时间、 设定重点监测点等。本实用新型提供了一种光纤光栅温度压力多点监测系统，用压电陶瓷驱动参考光栅作为光滤波器来解调光纤光栅传感器的波长信息，解调信号不受光源功率波动和光纤连接损耗的影响；同时设计了平衡拉力应变放大机构，扩展了光滤波器扫描范围，增强了信号解调的线性度；并具有低成本、自动监测、容易扩展的特点。本实用新型适合应用于石化行业，其作用是对存储易燃易爆液体的容器进行实时温度和压力的监控，起到保证工业系统设备正常运行，对保障生命和财产的安全起到重要的作用。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是波长扫描机构示意图。图3是监测软件界面。图4是本实用新型的运行框图。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方案参照附图详细说明如下，但仅作说明而不是限制本实用新型。本实用新型使用器件为市售产品，满足本实用新型的性能指标要求的器件均可使用。如图所示，1、宽带光源；2、第一光纤耦合器；3、第二光纤耦合器；4、1X4光开关; 5、波长扫描机构；6、信号处理单元；7、计算机监测台；8、1X2光开关；9、传输光纤；10、光纤光栅温度传感器；11、光纤光栅压力传感器；501、恒温箱；502、U型金属帽；503、第一参考光栅；504、第二参考光栅；505、粘接点；506、光纤；506、正极导线；508、负极导线；509、压电陶瓷叠堆。本实用新型提供的光纤光栅温度压力多点监测系统包括波长解调装置、光纤光栅温度传感器10、光纤光栅压力传感器11、计算机监测台7和传输光纤9。所述光纤光栅温度传感器10、光纤光栅压力传感器11分别是一组传感器，比如本实用新型采用的是8个温度传感器和8个压力传感器；所述传输光纤9是指多根光纤，比如本实用新型采用的是4 根光纤，分别连接于1X4光开关4的端口上。所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器位于传输光纤的远端，每一传输光纤上分别连有2组光纤光栅传感器，每1组光纤光栅传感器包括一个光纤光栅温度传感和一个光栅压力传感器，其光栅的初始中心波长分布相差约3nm，可以完成对一个点的温度和压力的测量。一根传输光纤上的2组光纤光栅传感器的初始中心波长不能重叠，且相差至少在5nm以上，分别与对应于两个参考光栅的中心波长，且比相应参考光栅的中心波长略大约0. 5nm。所有4根光纤上对应位置的传感器的中心波长相等。所述的光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器为光学传感器，传感器所用光纤光栅是布拉格光纤光栅，波长位于C波段。光纤光栅温度传感器的测量范围是-30°C-80°C，分辨率为0. 50C (例如选用型号为TE000122的光纤光栅位移传感器)；光纤光栅压力传感器的量程是1.2MPa，分辨率为0.5% (满量程)，工作温度为_30°C _80°C (例如选用型号为FP001011光纤光栅压力传感器)。所述波长解调装置包括宽带光源1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、1X4光开关4、1X2光开关8、波长扫描机构5和信号处理单元6。宽带光源1与第一光纤耦合器 2的第①端口相连，第一光纤耦合器2的第②端口与1 X 4光开关4相连，第一光纤耦合器2 的第③端口与第二光纤耦合器3的第①端口相连，第二光纤耦合器3的第②端口与1 X 2光开关8相连，第二光纤耦合器3的第③端口与信号处理单元6相连；1 X 4光开关4的控制线、1 X 2光开关8的控制线分别与信号处理单元6相连。所述波长扫描机构5包括压电陶瓷叠堆509、第一参考光栅503、第二参考光栅 504、U型金属帽502、恒温箱501。两个U型金属帽分别套在压电陶瓷叠堆509的两端并粘牢，在U型金属帽两侧中间位置放置两根光纤光栅作为参考光栅，使光纤上的刻有光栅的部分正好位于两个U型金属帽的间隙当中，对二光纤光栅施以相同的预应力并保持，把光纤光栅两端分别粘贴于U型金属帽上。当PZT产生伸缩动作时，带动两金属帽向相反的方向移动，则PZT产生的总伸缩量都反映在中间空隙部分，也就是说参考光栅的形变量就等于PZT的总伸缩量，这样比直接将参考光栅粘贴于PZT表面的方式扩大了参考光栅的扫描范围，在本实用新型中，FBG的扫描范围扩大了约3倍。两个参考光栅分别与1X2光开关的两个端口相连；压电陶瓷叠堆509的正负极引出导线与信号处理单元6相连。所述PZT叠堆为长方体，要有一定的承载力和电致伸缩量，本实用新型采用的PZT 叠堆的型号是MT0505036，其长度为36mm，截面仅为5X 5mm2，其承载力要求垂直于其横截面。因此分别在金属帽两侧对称位置放置两根光纤光栅，并对两个光栅施加相同的预应力， 这样便对PZT施加了平衡拉力，PZT不论是在静止状态，还是在扫描状态，其受力均是对称的，根本上消除了 PZT产生弯曲形变的可能，也就增强了它的扫描线性。所述宽带光源1发出的光经第一光纤耦合器2和1X4光开关4送至光纤光栅传感器，传感器反射的波长信号再经过1 X 4光开关4、第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器3到达粘贴于PZT叠堆上的第一参考光栅503或第二参考光栅504，最后经参考光栅反射后， 经第二光纤耦合器3到达信号处理单元6。所述信号处理单元6的功能包括光电转换、放大、产生扫描电压信号和光开关控制信号。信号处理单元6对采集信号进行甄别、处理，最后将数据上传至计算机。信号处理单元控制1X4光开关、1X2光开关和PZT叠堆协同动作，保证顺序地完成对每一个传感器的解调。扫描电压信号产生电路产生的是周期性锯齿波电压信号，此信号控制PZT叠堆产生周期性伸缩，带动参考光栅，使其中心波长产生周期性扫描，从而过滤出相应的传感器的波长信号。所述计算机监测台7包括安装了特定监测软件的计算机。计算机和信号处理单元之间通过232串口电缆相连。接收来自信号处理单元发送过来的数据，进行分析、处理、显示和存储；监测软件还可以根据数据的分析结果提供警告信息；可以发出指令控制信号处理单元的动作，比如改变数据采样时间、设定重点监测点等。本实用新型的运行流程和监测软件的运行步骤描述。1)安装传感器，并铺设光缆到信号处理单元，连接信号处理单元与计算机。2)第一次运行监测软件，首先在软件界面设置各传感器参数、设置通信串口参数， 并运行传感器校准。3)开始运行监测，传感器返回的光信号通过信号处理单元转换为电信号，计算出每一个光纤光栅传感器的中心波长值，并转换为数字信号传送至计算机。4)在计算机软件界面上实时显示各个点的温度、压力值。5)可以将监测到的数据信息以曲线的形式直观地显示出来，查看实时曲线和历史曲线。6)根据事先设定的阈值(比如温度阈值设为70°C，压强阈值设为IMPa)，当监测到的实时数据超过此阈值时，监测系统会发出警告信息。
权利要求1.一种光纤光栅温度压力多点监测系统，其特征在于它包括波长解调装置、光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、计算机监测台和传输光纤；所述波长解调装置包括宽带光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、1X4光开关、 1X 2光开关、波长扫描机构、信号处理单元；宽带光源与第一光纤耦合器的第①端口相连，第一光纤耦合器的第②端口与1X4光开关相连，第一光纤耦合器的第③端口与第二光纤耦合器的第①端口相连，第二光纤耦合器的第②端口与1X2光开关相连，第二光纤耦合器的第③端口与信号处理单元相连；1X4 光开关的控制线、1X2光开关的控制线分别与信号处理单元相连；所述的光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器通过传输光纤与1X4光开关相连；所述的波长扫描机构包括压电陶瓷叠堆、参考光纤光栅、U型金属帽、恒温箱；两个U型金属帽分别套在压电陶瓷叠堆的两端并粘牢，在U型金属帽两侧中间位置放置并粘贴两根光纤，使光纤上光栅部分正好位于两个U型金属帽的间隙当中；两个光纤光栅分别与1X2 光开关的两个端口相连；压电陶瓷叠堆的正负极引出导线与信号处理单元相连；所述的计算机监测台包括计算机和监测软件；计算机和信号处理单元之间通过232串口电缆相连。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅温度压力多点监测系统，其特征在于所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器通过传输光纤与1 X4光开关相连，1 X4光开关连接四根传输光纤，每一传输光纤上分别连有两组光纤光栅传感器，每一组光纤光栅传感器包括一个光纤光栅温度传感和一个光栅压力传感器，它们的初始中心波长分布相差3nm，可以完成对一个点的温度和压力的测量；两组光纤光栅传感器的初始中心波长不能重叠，且相差至少在5nm以上。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅温度压力多点监测系统，其特征在于所述的光纤光栅位移传感器和光纤光栅压力传感器为光学传感器，该光纤光栅采用的是布拉格光纤光栅，波长位于C波段。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅温度压力多点监测系统，其特征在于在U型金属帽两侧中间位置放置两根光纤光栅，使光纤上刻有光栅部分正好位于两个U型金属帽的间隙当中，对二光纤光栅施以相同的预应力，把光纤光栅两端分别粘贴于U型金属帽上。
专利摘要本实用新型涉及一种光纤光栅温度压力多点监测系统。该系统包括波长解调装置、光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、计算机监测台。所述波长解调装置包括宽带光源、光纤耦合器、光开关、波长扫描机构、信号处理单元；所述波长扫描机构包括压电陶瓷叠堆、参考光纤光栅、U型金属帽、恒温箱。本实用新型提供了一种平衡结构的压电陶瓷叠堆应变放大机构，用它驱动参考光栅作为光滤波器来解调光纤光栅传感器的波长信息，解调信号不受光源功率波动和光纤连接损耗的影响，具有性价比高、自动监测、容易扩展的特点。
文档编号G01K11/32GK202329869SQ201120471478
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者吴凡, 李维祥, 杨长锐, 潘兴, 葛付伟, 郭振武 申请人:南开大学滨海学院
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