一種氣壓測量系統及方法與流程
2023-05-03 09:06:02 1
本發明涉及氣壓測量技術領域，更具體地，涉及一種氣壓測量系統及方法。
背景技術：
傳感器技術是現代測量和自動化系統的重要技術之一。在航空航天中，氣壓是一個重要的參數，氣壓表可以對很多其他導航儀器進行校準。傳統的氣壓表已經不能完全滿足航空航天中對於儀表的防燃防爆防電磁幹擾的需要，研製一種體積小巧且抗幹擾能力強的氣壓表成為迫切需要。
光纖傳感技術最早出現於20世紀70年代，自從問世以來，就受到廣泛的關注和重視，在眾多領域得到應用，並起到了良好的效果。近年來，隨著光纖傳感技術的不斷發展，光纖傳感器在電力系統、石油化工、航空航天、環保、國防等領域得到廣泛的應用，並表現出廣闊的發展前景。其中，分布式待測光纖是光纖傳感技術的重要的一種器件。
現有技術中，中國專利CN102680162「一種基於光纖光柵的大氣壓力計」利用匹配光柵解調發法，解調波長漂移的信息，從而求得光纖光柵的應變大小，即真空膜盒的形變程度，最終得到大氣壓力值。檢測的是光波長而非光功率，光波長信息不受光傳輸過程中光功率損耗的影響，因而檢測精度更高、分辨力更大，噪聲更小。相比傳統氣壓測量系統，靈敏度高，應變分辨力強，而且光纖傳感器抗電磁幹擾、抗震動、抗潮溼、抗腐蝕等能力很強，使得此套系統在惡劣環境中也能長期正常地使用，並且本發明質量輕、體積小。
對於大氣壓強的測量，由於影響大氣壓強的因素較多且複雜，往往在較小的範圍內氣壓都會有差異，尤其是在垂直方向上，氣壓會隨著海拔高度的增大而減小。而現有技術中氣壓測量裝置一般只能測試一個位置的氣壓值，並且通常的氣壓檢測探頭的檢測面又很小，這就有可能造成較大的測量誤差。因此，將分布式光纖傳感技術運用到氣壓測量能彌補傳統氣壓測量裝置不足，結合分布式傳感器的特點，能同時獲得多個不同空間位置的氣壓值，通過計算得到更準確的大氣壓強值，在測量精度上有顯著的提升。
技術實現要素：
本發明為克服上述問題或者至少部分地解決上述問題，提供一種氣壓測量系統及方法。
根據本發明的一個方面，提供一種氣壓測量系統，包括氣壓傳感裝置和氣壓計算裝置；所述氣壓傳感裝置，至少包括兩個真空膜盒和待測光纖，所述真空膜盒分布式放置並通過待測光纖串聯連接，與氣壓計算裝置相連，所述真空膜盒表面固定有所述待測光纖，用於將待測氣壓所引起的所述真空膜盒形變信息轉換成為待測光纖的應變信號光並發送給氣壓計算裝置；所述氣壓計算裝置，用於接收所述待測光纖的應變信號光，基於所述應變信息，計算獲得待測氣壓值。
根據本發明的一個方面，提供一種氣壓測量方法，包括：步驟1，各真空膜盒將因氣壓產生的形變傳遞到待測光纖，待測光纖將所述各真空膜盒傳遞來的形變轉化為應變信號；步驟2，基於所述應變信號計算得到待測點氣壓值。
本申請提出一種氣壓測量系統及方法，通過分布式待測光纖可以同時監測一段待測光纖上的任何位置的應力變化，因此可以在分布式待測光纖上設置多個測試點。對於每個測試點，使用真空膜盒裝置感受大氣壓強的變化，將氣壓的變化轉換為真空膜盒的形變，再作用到分布式待測光纖上。就可以對多個點的氣壓值進行同時監測，再結合各個點的海空間位置實現氣壓的精確計算。本申請同時獲得多個不同空間位置的氣壓值，通過計算得到更準確的大氣壓強值，避免單獨測量某幾個點氣壓易受溫度、溼度、氣流等各方面環境因素的影響，在氣壓測量精度上有顯著的提升。
附圖說明
圖1為根據本發明實施例的一種氣壓測量系統的整體框架示意圖；
圖2為根據本發明實施例的一種氣壓測量系統的真空膜盒結構示意圖；
圖3為根據本發明實施例的一種氣壓測量方法的整體流程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
圖1中，本發明一個具體實施例中，示出一種氣壓測量系統整體框架示意圖。整體來說，包括：氣壓傳感裝置A1，至少包括兩個真空膜盒A11和待測光纖A12，所述真空膜盒分布式放置並通過待測光纖A12串聯連接，與氣壓計算裝置A2相連，所述真空膜盒表面固定有所述光纖上的待測光纖，用於將待測氣壓所引起的所述真空膜盒形變信息轉換成為待測光纖的應變信號光並發送給氣壓計算裝置；氣壓計算裝置A2，用於接收所述待測光纖的應變信號光，基於所述應變信息，計算獲得待測氣壓值。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量系統，所述各真空膜盒分布式放置的位置有海拔差。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量系統A2，所述氣壓計算裝置包括線性掃頻光源A21、固定反射鏡A22、光電探測器A23和信號處理單元A24；所述氣壓傳感裝置A1通過光纖耦合器A25分別與線性掃頻光源A21、固定反射鏡A22和光電探測器A23相連，信號處理單元A24與光電探測器A23相連；線性掃頻光源A21發出的光經光纖耦合器A25分成兩束，一束經固定反射鏡A22返回，另一束則進入氣壓傳感裝置A1中的待測光纖A12折射後返回；光纖耦合器A25接收固定反射鏡A22和光纖A12返回的光，將所述光經光電探測器A23發送給信號處理單元A24；信號處理單元A24用於利用接收到的信號光計算得到待測氣壓值。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量系統，所述真空膜盒A11與待測光纖A12通過用膠粘貼緊固的方法連接，真空膜盒A11的形變量直接傳遞給待測光纖A12。
如圖2所示，本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量系統，每個測量點，都有一個由多個真空膜盒A11串聯組成的氣壓感受裝置A1。真空膜盒A11是一種由彈性金屬焊接而成，內腔為真空或者微量空氣狀態的封閉膜盒，真空膜盒彈性金屬面的彎曲度會隨著外界氣壓的改變發生改變，因此可以作為一種大氣壓強的感受裝置。對於多個膜盒的串聯，可以使用金屬連接杆A111，將連接杆的兩端分別與相鄰的兩個真空膜盒的一個彈性表面焊接固定。
固定框架的作用是固定多個串聯膜盒，實現將膜盒的形變傳遞到分布式光纖傳感器的待測光纖上。固定框架A112為一個由A、B、C和D四個金屬面焊接而成的框架，其中A、B和C三個面為非彈性金屬面，D面為彈性金屬面。固定框架的內部放置串聯的真空膜盒，將膜盒的一端固定在面B的內側，膜盒的另一端固定在面D的內側，將待測光纖貼在固定結構的彈性金屬面D的外側。為了標定方便，裝置設計時，通過使固定框架的長度適當大於內部串聯膜盒整體的長度，保證固定框架的彈性金屬面在正常大氣壓強範圍內始終處於向內彎曲的狀態，即串聯真空膜盒一端連接杆對彈性金屬面D的作用力始終為向右的拉力。
圖3中，本發明另一個具體實施例中，示出一種氣壓測量方法總體流程示意圖。整體來說，包括步驟1，各真空膜盒將因氣壓產生的形變傳遞到待測光纖，待測光纖將所述各真空膜盒傳遞來的形變轉化為應變信號；步驟2，基於所述應變信號計算得到待測點氣壓值。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，所述分布式光纖傳感器是基於光頻域反射系統(OFDR)來測量待測光纖上各點的應力。它利用連續波頻率掃描技術，經耦合器進入麥可遜幹涉儀結構分成兩束,一束經反射鏡返回,其光程是固定的,稱為參考光,另一束則進入待測光纖,由於光纖存在折射率的微觀不均勻性,會產生瑞利散射,其中部分後向散射光滿足光纖數值孔徑而朝注入端返回,稱為信號光,如果傳播長度滿足光的相干條件,則信號光和參考光就會在光電探測器的光敏面上發生混頻。光纖中的瑞利散射是由光纖本身折射率隨機變化導致的，而散射的振幅又是測試距離的函數。由於光纖中存在這種比較穩定的隨機分布的性質，所以光纖可以看作是一種較長的具有隨機周期的弱待測光纖。當待測光纖上的應變發生變化時，光纖的背向瑞利散射信號的光譜就會發生漂移，其漂移量的大小與光纖所受的應變成正比。通過採用互相關運算對光譜漂移量進行解調，就可以直接獲得應變值，再利用移動窗對光纖的各個部位進行掃描，就可以同時獲得被測光纖各個位置的應變信息。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，所述對於每一個測量點，當大氣壓強增大時，外界對真空膜盒表面的壓力增大，使真空膜盒的彈性表面向內凹陷的彎曲度更大，由於串聯膜盒最右端連接在固定框架的非彈性金屬面B上，因此每個膜盒的垂直中軸線將會向右平移，而串聯真空膜盒的最左端連接杆與彈性金屬面相連接，連接杆對彈性金屬面D的拉力就會增大，導致D面的彎曲度增大，因此粘貼在D面上的待測光纖的應變也會增大。反之，當大氣壓強減小時，外界對膜盒表面的壓力減小，使真空膜盒的彈性表面向內凹陷的彎曲度減小，最終導致待測光纖的應變也會減小。使用多個真空膜盒串聯的目的是放大氣壓變化對光纖應變產生的影響。其次，對於分布式光纖傳感器，因為其靈敏度極高，可以同時檢測待測光纖距離小於1m的兩個點的應變，因此在信號解調端，可以測得每一個監測點的應變量。也就是能夠計算得到每個測量點的氣壓值和其對應位置。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，所述步驟1還包括：各真空膜盒在同一海拔高度分布式放置。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，所述步驟1還包括:各真空膜盒分布式放置的位置有海拔差。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，所述步驟2還包括：待測點氣壓值為各真空膜盒氣壓值的平均值。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，所述所述步驟2還包括：Pa＝((Pa1+Pa2+......+Pan)/n+(Pb1+Pb2+......+Pbm-m(h/8))/m)/2,其中Pa為待測點a氣壓值，an為待測點a同一海拔高度的各點，bm為與待測點a有海拔差差h的各點。
本發明另一個具體實施例中，一種氣壓測量方法，可以通過每一個測量點的氣壓值和其對應的空間位置計算某一海拔高度或者某區域的平均氣壓。例如，有n個位於同一海拔高度的測量點，這n個點的氣壓測量值分別為{P1，P2，…，Pn}，則能夠通過取平均值，可以計算這一海拔高度處的大氣壓強在海拔高度較低的情況下，對於兩個測量點A與B，它們的高度差為h，氣壓值分別為Pa、Pb，則可根據大氣壓強與海拔高度的關係：海拔每增高8m，對應大氣壓強減小1hPa，通過A點的氣壓計算B點氣壓的估計值Pb＝Pa+h/8，單位為hPa，再通過求Pb與P′b的均值計算B點最終的氣壓測量值，同樣，可以通過B點的氣壓值估算A點氣壓，作為參考值對A點測量氣壓進行校驗。
最後，本申請的方法僅為較佳的實施方案，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。