用線型傳感器探測物理量的方法
2023-10-07 05:36:49 1
專利名稱：用線型傳感器探測物理量的方法
技術領域：
本發明涉及一種用線型傳感器探測物理量的方法，特別是藉助光纖和光纖光柵進行 探測的傳感器，探測物理量變化的方法，這個物理量可以是溫度等等，該方法屬於傳感 技術領域。
背景技術：
我們知道，光纖是傳導光信號的通道，由於其結構特點，光纖對所處的環境十分敏 感，如溫度的變化，使光纖收縮，結果導致它發生容易探測到的變化，如光信號的衰減 增加。當光纖受到機械應力、壓力變化、電場或磁場變化時，也會發生上述的變化，因 此，許多已知的傳感器，用光纖探測物理量的變化。在一部分這種傳感器中使用了光纖 光柵，比較典型的是布拉格光柵。以下我們將光纖光柵稱為布拉格光柵，但並不是將本 發明的應用僅僅限於布拉格光柵。
布拉格光柵作為一種波長選擇反射器，反射光譜的波長(即反射波長帶)會受應力 變化的影響而產生移動，通過對反射波長帶移動的監測即可知道物理量的變化情況。現 有的布拉格光柵測試方法是利用波分復用技術在一根光纖上製作多個不同光柵常數的 布拉格光柵進行分布式多點測量，但是這種方法需要昂貴的儀器進行解調，包括寬帶光 源和可調諧濾波器，使得該方法難以在實際工程應用中得到推廣。
發明內容
本發明的目的是制定一種使用具有光纖光柵(如布拉格光柵)的傳感器的方法，以避 免上述缺陷。
為此，本發明提出了一種用線型傳感器探測一個物理量在所述傳感器的多個測量點 處的變化的方法，所述傳感器有一條光纖，有眾多沿著所述光纖分布並各自位於一個測 量點處的光纖光柵，所述光纖光柵在無應力作用的情況下具有基本相同的選擇性作用波 長帶，
其特徵在於，它包括下述步驟
一從光纖的稱為入射端的一端注入一個探測光信號，所述探測光信號的波長不在所述 的選擇性作用波長帶內，並與選擇性作用波長帶有預設波長差值，
一當某個測量點處的物理量變化達到一定量值時，該測量點處的光纖光柵的選擇性 作用波長帶至少漂移了上述的預設波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了所述 探測光信號波長帶的一部分，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產生了一定的 作用，探測光信號的一部分反射或耗散掉，在光纖的稱為入射端的另一端，即出射端則探 測到探測光信號強度的變化，從而探測到所述物理量的變化。
本發明的探測受監測物理量變化的方法，是利用了透射光信號的變化，確定所述測量 點的物理量的變化如果在一個光纖光柵附近的受監測的物理量發生了變化，且發生的變 化達到了我們關心的程度，這時光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了預設波長差值， 從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了探測光信號波長帶的一部分，這時，該測量點處的 光纖光柵就對探測光信號產生了一定的作用，即探測光信號的一部分反射到入射端或耗散 掉，從出射端探測到探測光信號強度的變化，從而探測到所述物理量的變化。
在實際工程中，我們常常只需要獲取一部分物理量變化的數據，就可以達到我們的目標，如火災溫度報警系統中，對在25'C以下時的溫度狀態我們不是迫切需要了解，我 們只需設定一個監測報警溫度，如65'C，然後在作為傳感器的光纖上分布設置基本相同 的光纖光柵，測量出該光纖光柵在65'C時的選擇性作用波長帶並選取一個波長作為探測 光信號的波長，所述光纖光柵在常溫(如20'C)時，其選擇性作用波長帶與選定的探測 光信號的波長有波長差，將該傳感器安裝在監測的地方，如倉庫等，在通常情況下，環 境溫度一般不會達到65°C,所以注入傳感器光纖中的探測光信號通過光纖和光纖光柵 後，進入出射端的探測器得到光強，並以該光強作為基準。這時只有正常的光路損耗， 只有當某個測量點處的溫度接近或達到65'C時，該測量點的光纖光柵選擇性作用波長帶 就會漂移並與探測光信號的波長帶交叉重疊，並對探測光信號產生相當的反射或耗散， 這時，出射端的探測器就探測到光強的變化，從而觸發了火災溫度報警條件，達到了監 測的目的。
上述事例，也可以用寬光源和可調諧濾波器組成的系統來實現，該系統會獲得從常溫 到報警溫度間基本連續的溫度下所有光纖光柵的數據，然後某測量點的溫度在接近或達到 報警溫度時報警，可以看出該系統測試獲得了大量意義不大的數據，昂貴的儀器對維護要 求也是較高的。所以在類似事例中，用寬光源和可調諧濾波器組成的監測系統，相對於採 用本發明方法的監測系統顯然是不經濟的。
在實際工程條件下，僅監測物理量的一個量值常常是不夠的，所以可以設置波長不同 的多個探測光信號，每個探測光信號的波長均與光纖光柵的選擇性作用波長帶有一定的波 長差，這樣就可以監測物理量的多個量值，同時就可以看出某個測量點物理量變化的趨勢， 以便更好的監測。
為了提高監測靈敏度，每個注入的探測光信號由兩個相繼的脈衝構成兩個光脈衝的 波長差不小於所述選擇性作用波長帶寬的一半，且不大於所述光纖光柵選擇性作用波長帶 寬，物理量變化的是通過兩個不同波長的反射光信號的強度的比值來確定，這兩個波長均 在漂移後的反射波長帶內，這樣實現的探測靈敏度會提高一倍。
只要事先正確地標定傳感器，就可以將出射光強度的幅度的變化與光纖光柵的光纖光 柵選擇性作用波長帶的相應變化(也就是所監測物理量的變化)聯繫起來。
通過下面對本發明的一個探測裝置和一種方法的描述，可以了解本發明的其他特徵和 優點，這些方法和裝置只是示意性的，絕不是限制性的。
圖1為一個布拉格光柵的反射光譜、 一個探測光信號的光譜及兩者的關係； 圖2為一個長周期光纖光柵的透射光譜、 一個探測光信號的光譜及兩者的關係； 圖3為一個光纖光柵式傳感器的示意圖，它包括用於按照本發明進行所希望的探測的 有關必要設備；
在所有的圖中，相同的部分具有相同的標號。
圖1中的曲線1示意性地表示了一個布拉格光柵的反射光譜，入！和入2分別是該布拉 格光柵反射波長的下限和上限波長，在這兩個波長內所有的波長都是布拉格光柵可以反射 的波長，這裡稱為反射波長帶。曲線2示意性地表示了一個探測光信號的光譜，入3和入4
分別是該探測光信號的下沿和上沿波長，A 2和入3之間的距離就是所述的預設波長差。
圖2中的曲線14示意性地表示了一個長周期光纖光柵的透射光譜，X,和、分別是 該長周期光纖光柵的耦合衰減波長的下限和上限波長，長周期光纖光柵對在這兩個波fe內 所有的波長都是有衰減的，這裡稱為耗散波長帶。曲線2示意性地表示了一個探測光信號的光譜，^3和^4分別是該探測光信號的下沿和上沿波長，入2和^3之間的距離就是所述 的預設波長差。
圖3示意性地顯示了一個用於探測物理量變化的傳感器10,它有一條作為探測器的 單模光纖3，在光纖3上設有布拉格光柵4，它們相互之間是相同的，也就是說，具有基 本相同的反射波長帶。
光纖3上每個布拉格光柵4構成一個測量點，即一個對受監測的物理量的變化敏感的 點，使得傳感器10可以行使它的功能。
如監測溫度，在用傳感器10作為溫度探測器時，只要將光纖光柵安置在受監測物體 附近就可以，為防止外部機械幹擾，可將光纖光柵裝在一個保護管內。
另外，傳感器10具有一個雷射光源5，它與光纖3的一端11耦合。為了探測受監測 物理量的變化，光源5向光纖3發射光脈衝7的探測信號。
傳感器10中還包括一個探測器8，它與光纖3的另一端12耦合，以便接受通過光纖 的入射脈衝7的響應信號。探測器8與顯示器9 (如顯示屏)連接，以便顯示透過信號的 光強。
我們現在來介紹根據本發明，用傳感器10探測一個物理量(如溫度)的變化方法。 例如，傳感器10平行地緊靠在要測量局部發熱的動力電纜旁，電纜的局部發熱將影 響它的正常工作。在傳感器l O中，光纖3承受到了溫度的變化，這樣，在對應的位於 溫度變化處的布拉格光柵的反射波長帶就漂移。通過光源5，我們有規律地發射光脈衝7 的探測光信號，當龜纜的局部發熱的溫度上升到我們關心的溫度時，對應的位於溫度變 化處的布拉格光柵的反射波長帶就漂移到了能夠至少覆蓋探測光脈衝7的波長帶的一部 分，從而布拉格光柵就對探測光脈衝7產生了反射，這時，探測器探測到透射光強的減 少，而對應沒有發生溫度變化或溫度變化沒有達到我們關心的程度處的布拉格光柵不對 光脈衝7的探測光信號反射。
這樣，通過簡單的觀察顯示器9上光強變化，就可以探測到溫度的變化。 在實際工程條件下，我們常常需要監測物理量的多個量值，所以可以設置波長不同的 多個探測光信號，.類似光脈衝7的探測光信號，就是波長不同，重複上述過程，就可以監 測物理量的多個量值，同時就可以看出物理量變化的趨勢，以便更好的監測。
為了提高監測靈敏度，每個注入的探測光信號由兩個相繼的脈衝構成兩個光脈衝 入5和入6的波長差不小於所述反射波長帶寬的一半，且不大於所述反射波長帶寬，當物理 量(如溫度)變化到一定值時，入5和A6就位於受物理量變化(如溫度)影響而漂移後的 布拉格光柵反射波長帶內，這時可以得到兩個探測光信號的強度，我們計算兩個脈衝信號 的透射信號強度的比值的不同，則探測到了受監測物理量的變化，如果事先進行適當的標 定，還可以測量這個變化的大小。
如果希望測量探測到的關心的溫度附近變化的情況，只需事先對傳感器IO進行標定， 將關注溫度附近的每個變化同對應透射脈衝的最大幅值聯繫起來。
在傳感器10中，用長周期光纖光柵替換布拉格光柵並不影響傳感器10的功能，在實
際監測中可以獲得相同的效果。
可見，根據本發明的探測的方法比現有技術的方法簡單。
當然，本發明並不限於前面所介紹的實施例和方法，我們可以將整個裝置用另一種等 價裝置代替，而不超出本發明的範圍。 z
權利要求
1.用線型傳感器探測一個物理量在所述傳感器的多個測量點處的變化的方法，所述傳感器有一條光纖，有眾多沿著所述光纖分布並各自位於一個測量點處的光纖光柵，所述光纖光柵在無應力作用的情況下具有基本相同的選擇性作用波長帶，其特徵在於，它包括下述步驟一從光纖的稱為入射端的一端注入一個探測光信號，所述探測光信號的波長不在所述的選擇性作用波長帶內，並與選擇性作用波長帶有預設波長差值，一當某個測量點處的物理量變化達到一定量值時，該測量點處的光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了上述的預設波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了所述探測光信號波長帶的一部分，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產生了一定的反射或耗散掉，在光纖的稱為入射端的另一端，即出射端則探測到探測光信號強度的變化，從而探測到所述物理量的變化。
2. 根據權利要求1所述的用線型傳感器探測物理量的方法，其特徵在於從光纖的稱為入 射端的一端注入多個探測光信號，其波長均不在所述選擇性作用波長帶內，並與選擇性作用 波長帶有不同的預設波長差，從而可以探測出測量點處物理量變化的多個量值。
3. 根據權利要求1或2中任意一項所述的方法，其特徵在於每個探測光信號由兩個相繼 的光脈衝組成，兩個光脈衝的波長差不小於所述選擇性作用波長帶寬的一半，且不大於所述 選擇性作用波長帶寬，物理量變化的是通過兩個不同波長的透射光信號的強度的比值來確 定。
4. 根據權利要求1至3中任意一項所述的方法，其特徵在於為了測量所述物理量的變化， 事先要進行標定，以便將所述透射光信號的強度的所有幅值與所述物理量的一個相應的幅值 聯繫起來。
全文摘要
本發明涉及一種用線型傳感器探測物理量在傳感器多個測量點處變化的方法。傳感器有一條光纖，有眾多沿著光纖分布並各自位於一個測量點處的光纖光柵，光纖光柵在無應力作用下具有基本相同的選擇性作用波長帶，它包括下述步驟從光纖的入射端注入一個探測光信號，其波長不在選擇性作用波長帶內；當某個測量點處的物理量變化達到一定量值時，該測量點處的光纖光柵的選擇性作用波長帶漂移到使該選擇性作用波長帶與探測光信號的波長帶交叉重疊，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產生了一定的反射或耗散，在出射端探測到光強變化，從而探測到所述物理量的變化。
文檔編號G01D5/353GK101598576SQ20081010006
公開日2009年12月9日 申請日期2008年6月3日 優先權日2008年6月3日
發明者兵 杜 申請人:西安金和光學科技有限公司