一種光纖傳感器及糧倉溫度和庫存監測系統的製作方法
2023-09-17 09:57:15 1
專利名稱：一種光纖傳感器及糧倉溫度和庫存監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖傳感器和應用該傳感器的監測系統，尤其涉及一種光纖傳感 器及應用該傳感器的糧倉溫度和庫存監測系統。
背景技術：
光纖傳感系統就是利用光纖將待測量值對光纖內傳輸的光波參量進行調製，並對 被調製過的光波信號進行解調檢測，從而獲得待測量值的一種裝置。分布式光纖傳感器是 近年來發展起來的新型傳感技術。利用光纖工作頻帶寬、動態範圍大、適合於遙測遙控、長 距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蝕、抗電磁幹擾、抗輻 射性能好、對被測環境影響小等許多固有優點，可用於溫度、壓力，電場，磁場的實時檢測， 並能夠在有害環境中安全運行，在許多工程領域有重大應用價值。實時、準確地監測糧倉的溫度和庫存，是保證糧食儲存質量所必須的技術手段，同 時也是國家糧食宏觀決策所必需的糧情信息。通過糧庫的溫度和庫存情況的實時監測，及 時獲取糧倉的儲存量及糧食質量的信息，是糧食安全的重要保證。但是目前用於糧情監測 的主要是機械或電子式的傳感系統，通常只能完成對溫度的監測，不具備糧食庫存監測的 能力，而且存在物理節點多、故障率高、穩定性差和抗惡劣環境能力差等缺陷。因此就需要 設計一種同時能實現溫度和庫存同時監測的光纖傳感器和糧倉監測系統。在《光學學報》上2007年第6期「光纖光柵邊孔封裝技術」中公開了一種採用邊 孔封裝對光纖光柵進行壓力增敏的封裝技術，它通過改變封裝體的幾何結構實現了高倍數 的壓力增敏效果，較大程度減小了壓力增敏倍數對集合物材料參量的依賴性，如圖1所示， 這種增敏光纖的結構如下包括裸光纖1和封裝體2，裸光纖1封裝於封裝體2的中心處， 封裝體內以裸光纖為中心，沿直徑方向在裸光纖兩側設有兩個對稱的圓形邊孔3。但是這種 封裝方式是針對光纖光柵傳感器的，並且這種封裝結構是要對光纖光柵施加均勻的壓力作 用，進而達到光纖光柵的壓力增敏，且光纖光柵只在兩個方面上受應力，如果中心區寬度太 小，或所選材料不當，中心應力集中區域會發生扭曲，會使光纖光柵發生不可控的變形，傳 感的可靠性就會欠佳，而且中心區不能太小，能夠達到的應力增敏幅度也會因此而受到設 計上的限制。
發明內容
本發明的目的是提供一種糧倉溫度和庫存的監測系統，以解決現有糧倉監測系統 只能完成對溫度的監測，不具備糧食庫存監測能力等問題，並提供一種該監測系統所使用 的光纖傳感器。為實現上述目的，本發明提供的光纖傳感器的技術方案如下一種光纖傳感器，包 括裸光纖和封裝體，所述裸光纖沿封裝體的中心軸線封裝於封裝體內，裸光纖兩側的封裝 體上設有對稱的邊孔，裸光纖的中心與兩邊孔的中心在同一連線上，所述兩對稱邊孔間沿 軸線方向在中心連線方向上布設有橫向間隔設置的引導柵。
所述各引導柵在邊孔間均勻間隔設置，且邊孔間對應位置的引導柵間隔交錯設置。所述各引導柵之間形成的引導槽在靠近裸光纖一側的邊緣為弧線形。所述封裝體為橢圓形結構或正圓形結構；封裝體為橢圓型結構時兩邊孔均關於相 應的引導柵對稱。所述兩邊孔為橢圓形結構或正圓形結構；邊孔為橢圓形結構時，橢圓邊孔的長軸 與橢圓封裝體的長軸重合。本發明所提供的糧倉溫度和庫存監測系統的技術方案如下一種糧倉溫度和庫存 的監測系統，包括驅動器、雷射器、耦合器、檢測電路、控制器、監控中心和用於分布於糧倉 各檢測點的分布式光纖傳感器；所述分布式光纖傳感器包括裸光纖和封裝體，所述裸光纖 沿封裝體的中心軸線封裝於封裝體內，裸光纖兩側的封裝體上設有對稱的邊孔，裸光纖的 中心與兩邊孔的中心在同一連線上，所述兩對稱邊孔間沿軸線方向在中心連線方向上布設 有橫向間隔設置的引導柵；所述光纖傳感器與耦合器雙向連通，所述耦合器的控制輸入端 與雷射器的控制輸出端連接，所述雷射器的控制輸入端與驅動器的輸出端連接，驅動器的 控制輸入端與控制器的輸出端連接；耦合器的信號輸出端與檢測電路的信號輸入端連接， 檢測電路的信號輸出端與控制器的信號輸入端連接，控制器的監控輸出端與監控中心連 接。所述各引導柵在邊孔間均勻間隔設置，且兩邊孔間對應位置的引導柵間隔交錯設置。所述各引導柵之間形成的引導槽在靠近裸光纖一側的邊緣為弧線形。所述封裝體為橢圓形結構或正圓形結構；封裝體為橢圓型結構時兩邊孔均關於相 應的引導柵對稱。所述兩邊孔為橢圓形結構或正圓形結構；邊孔為橢圓形結構時，橢圓邊孔的長軸 與橢圓封裝體的長軸重合。本發明的光線傳感器針對光纖應變的增敏設計，其效果是要光纖受到不均勻的應 力作用，從而達到光纖的應變增敏，由於採用了中空的封裝結構，封裝體中的應力將會發生 巨大的應力集中，從而實現應力放大，放大倍數與封裝體的結構、尺寸及封裝體的材料物理 參數相關；封裝體中交錯設置的橫向引導槽將會進一步放大應變量，從而實現應變放大最 大化。另外，在靠近裸光纖一側引導槽的邊緣採用弧線過渡，避免應力過於集中，發生過 度扭曲損壞光纖的情況。本發明的非線性融合技術的糧倉溫度和庫存的監測系統利用光纖作為糧倉溫度 和應變信息的傳感和傳輸介質，光纖設在整個糧倉，可以測量光纖沿線的溫度及應變分布 情況，隨著光纖的增長，測量點數的增加，溫度和庫存的同時監測，單位採樣點的成本大大 降低，這也是本系統相對於其它溫度傳感器的顯著優點。本系統不僅具有良好的抗電磁幹 擾能力與抗惡劣環境能力，而且能夠對糧倉內部溫度進行分布式的掃描，給出更準確的糧 倉溫度分布，提供更全面的糧情信息監測數據，同時本專利技術還具備足夠的庫存靈敏度， 實現對糧倉庫存的準確測量。本系統具有測量精度高、無物理節點、可靠性高、使用壽命長 等特點，是提高糧情監測科技水平的可行的技術途徑。
圖1是現有光纖傳感器的徑向剖視圖； 圖2是本發明光纖傳感器的徑向剖視圖3是本發明光纖傳感器的沿A-A向軸向剖視圖； 圖4是本發明糧倉溫度和庫存監測系統的構成圖。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發明做進一步介紹。如圖2 圖3所示為本發明光纖傳感器的結構示意圖，由圖可知，該光纖傳感器包 括裸光纖1和封裝體2，裸光纖1沿封裝體的中心軸線封裝於封裝體2內，裸光纖兩側的封 裝體上設有對稱的邊孔3，裸光纖的中心與兩邊孔的中心在同一連線上，兩個對稱邊孔間沿 軸線方向在中心連線方向上布設有間隔設置的引導柵4。本實施例的引導柵在邊孔間均勻間隔設置，且兩邊孔間對應位置的引導柵間隔交 錯設置，且各引導柵之間形成的引導槽5在靠近裸光纖一側的邊緣為弧線形，避免應力過 於集中，使產生的應變產生過度扭曲的情況。另外，封裝體和邊孔均為橢圓形結構或正圓形 結構，兩個邊孔自身關於相應的引導柵對稱，且兩個邊孔之間關於整個封裝體對稱分布。當 封裝體和邊孔為橢圓形結構時，兩邊孔設於橢圓形的長軸上，橢圓邊孔的長軸與橢圓封裝 體的長軸重合。本發明的光纖傳感器由於採用了中空的封裝結構，封裝體中的應力將會發生巨大 的應力集中，從而實現應變放大，放大倍數與封裝體的結構、尺寸及封裝體的材料物理參數 相關；另外，封裝體中交錯設置的橫向引導槽將會進一步放大應變量，從而實現應變放大最 大化。本發明是針對光纖應變的增敏設計，其效果是要光纖受到不均勻的應力作用，從 而達到光纖的應變增敏，而圖1中的光纖光柵傳感器是針對光纖光柵的應力增敏設計的。 本發明的光纖傳感器除具有邊孔結構外，在孔中增加了橫向應力引導槽，且此引導槽有相 互錯開的應變引導柵結構，以增加應變靈敏度；另一方面，這種結構可使光纖不僅在水平兩 個方向上受應力，且在垂直的另外兩個方向上也會受到非均勻的應力作用，從而增加了應 變靈敏度。另外，該光纖傳感器使光纖在四個方向受力，使結構體中的光纖受力周期性確保 一致，而且光纖的形變在結構體交錯結構引導下光纖會發生確定的應變，因此而產生的應 變增敏更為穩定和可靠。如圖4所示為本發明糧倉溫度和庫存的監測系統，該系統包括一種糧倉溫度和庫 存的監測系統，包括驅動器、雷射器、耦合器、檢測電路、控制器、監控中心和用於分布於糧 倉各測點的分布式光纖傳感器；該光纖傳感器的結構如前所述，光纖傳感器與耦合器雙向 連通，耦合器的控制輸入端與雷射器的控制輸出端連接，雷射器的控制輸入端與驅動器的 輸出端連接，驅動器的控制輸入端與控制器的控制輸出端控制連接；耦合器的信號輸出端 檢測電路的信號輸入端連接，檢測電路的信號輸出端與控制器的信號輸入端連接，控制器 的監控輸出端與監控中心連接。本發明光纖傳感器及糧倉溫度和庫存監測系統的工作原理如下所示布裡淵散射是由介質中的聲學聲子引起的一種非線性光散射，其散射光相對於入射光的布裡淵頻移由 介質的聲學特性和彈性力學特性決定，此外還與入射光頻率和散射角有關。當光纖的溫度 和應變變化時會使光纖的物理及力學特性將發生變化，光纖的布裡淵光譜會受到調製並發 生頻移和強度變化。基於布裡淵散射的分布式光纖傳感技術是利用溫度、應變對布裡淵散 射譜的調製關係，通過檢測光纖的布裡淵散射光的頻移和強度變化確定環境的溫度和應變 分布。本發明是基於光纖的非線性光學特性，即布裡淵散射光譜與環境溫度和應變的敏感 特性而完成的技術當環境引起光纖的溫度及應變發生變化時，布裡淵光譜的頻移和強度 將發生變化。本發明結合糧食環境的應用實際，採用光纖傳感器的增敏技術，實現的糧倉溫 度及庫存智能監測系統。應變增敏技術，就是通過增敏技術提高傳感光纖的應變靈敏度。依 據糧食庫存量與糧食散粒體的壓力分布物理特徵，通過應力、應變關係確定分布式應變監 測量與糧食庫存的關係，並據此建立糧倉庫存的解調方案，從而實現對糧倉庫存的監測。本發明糧倉溫度和庫存的監測系統的工作過程如下半導體雷射器LD在控制器 的控制下通過驅動器的驅動發出脈衝光，經耦合器進入分布於糧倉中的分布式傳感光纖， 傳感光纖中的後向散射光又經該耦合器被檢測電路探測，並把光信號轉換為電信號，經信 號放大和高速A / D轉換後實現數據採集，再經過控制器的數位訊號處理，最終解調出溫度 與庫存信息；另外，監控中心可將解調出的溫度和庫存信息進行分析處理儲存和顯示，以供 監測人員觀測控制。本發明基於非線性融合技術的糧倉溫度和庫存的監測系統在實施過程中需要選 擇既符合測量精度要求又經濟的光纖、選擇合適的耦合器、雷射器，在糧倉應用時，可以實 時監測糧庫生芽、黴變、害蟲等各種因素所引起溫度變化。系統空間解析度不大於lm，溫度 解析度1°C。倉容檢測精度0. 0005MPa (相當於6cm糧倉高度)，具有很好的應用前景。
權利要求
1.一種光纖傳感器，包括裸光纖和封裝體，所述裸光纖沿封裝體的中心軸線封裝於封 裝體內，裸光纖兩側的封裝體上設有對稱的邊孔，裸光纖的中心與兩邊孔的中心在同一連 線上，其特徵在於所述兩對稱邊孔間沿軸線方向在中心連線方向上布設有橫向間隔設置 的引導柵。
2.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其特徵在於所述各引導柵在邊孔間均勻間隔 設置，且邊孔間對應位置的弓I導柵間隔交錯設置。
3.根據權利要求2所述的光纖傳感器，其特徵在於所述各引導柵之間形成的引導槽 在靠近裸光纖一側的邊緣為弧線形。
4.根據權利要求3所述的光纖傳感器，其特徵在於所述封裝體為橢圓形結構或正圓 形結構；封裝體為橢圓型結構時，兩邊孔均關於相應的引導柵對稱。
5.根據權利要求1 4任意一項所述的光纖傳感器，其特徵在於所述兩邊孔為橢圓 形結構或正圓形結構；其為橢圓形結構時，橢圓邊孔的長軸與橢圓封裝體的長軸重合。
6.一種糧倉溫度和庫存的監測系統，其特徵在於包括驅動器、雷射器、耦合器、檢測 電路、控制器、監控中心和用於分布於糧倉各檢測點的分布式光纖傳感器；所述分布式光纖 傳感器包括裸光纖和封裝體，所述裸光纖沿封裝體的中心軸線封裝於封裝體內，裸光纖兩 側的封裝體上設有對稱的邊孔，裸光纖的中心與兩邊孔的中心在同一連線上，所述兩對稱 邊孔間沿軸線方向在中心連線方向上布設有橫向間隔設置的引導柵；所述光纖傳感器與耦 合器雙向連通，所述耦合器的控制輸入端與雷射器的控制輸出端連接，所述雷射器的控制 輸入端與驅動器的輸出端連接，驅動器的控制輸入端與控制器的輸出端連接；耦合器的信 號輸出端與檢測電路的信號輸入端連接，檢測電路的信號輸出端與控制器的信號輸入端連 接，控制器的監控輸出端與監控中心連接。
7.根據權利要求5所述的糧倉溫度和庫存的監測系統，其特徵在於所述各引導柵在 邊孔間均勻間隔設置，且邊孔間對應位置的引導柵間隔交錯設置。
8.根據權利要求6所述的糧倉溫度和庫存的監測系統，其特徵在於所述各引導柵之 間形成的引導槽在靠近裸光纖一側的邊緣為弧線形。
9.根據權利要求7所述的糧倉溫度和庫存的監測系統，其特徵在於所述封裝體為橢 圓形結構或圓形結構，封裝體為橢圓型結構時兩邊孔均關於相應的引導柵對稱。
10.根據權利要求6 9任意一項所述的糧倉溫度和庫存的監測系統，其特徵在於 所述兩邊孔為橢圓形結構或正圓形結構；邊孔為橢圓形結構時，橢圓邊孔的長軸與橢圓封 裝體的長軸重合。
全文摘要
本發明涉及一種光纖傳感器及糧倉溫度和庫存監測系統，糧倉溫度及庫存的監測系統包括驅動器、雷射器、耦合器、檢測電路、控制器、監控中心和用於分布於糧倉各測點的分布式應變增敏光纖傳感器。本發明的非線性融合技術的糧倉溫度和庫存監測系統利用光纖作為糧倉溫度和庫存信息的傳感和傳輸介質，光纖設在整個糧倉，可以測量光纖沿線的溫度及應變分布情況，隨著光纖的增長，測量點數的增加，溫度和庫存的同時監測，單位採樣點的成本大大降低，這也是本系統相對於其它溫度傳感器的顯著優點。
文檔編號G01K11/32GK102095436SQ20111003281
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月30日 優先權日2011年1月30日
發明者孫崇峰, 徐曉光, 李智慧, 焦素敏, 王學梅, 王彩紅 申請人:河南工業大學