一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感器的制作方法

1.本发明涉及传感技术领域，特别涉及低成本、高空间分辨率的准分布式压力传感系统。


背景技术：

2.目前，针对货运车辆超重行驶的动态称重技术被广泛应用，这种称重技术相对传统的地磅法，不需要车辆进入专门的称重站，也不需要车辆停止后才称重，不干扰车辆的正常行驶，具有高效性、实时性，逐渐成为治理超重的有效检测手段。动态称重技术中，为了提高检测的准确度，需要传感器对车辆轮胎的胎宽、单双胎及车辆跨道或并行等异常行驶进行测量和识别，从而对称重的结果进行修正。而针对车辆轮胎的胎宽、单双胎及车辆跨道或并行等异常行驶状态的检测和识别的传感器目前主要以阵列式石英传感器为主，这种传感器是一种由按一定间隔排列的石英压力传感器和数据采集器组成，主要用来检测行驶车辆的轮胎宽度，不仅价格昂贵而且结构复杂，精度也有限，达不到厘米级。
3.分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。对于许多工业应用有许多吸引力。分布式应力或压力传感器目前主要应用在大型结构的应力应变监测，如桥梁、隧道、堤坝等，米级的空间分辨率和百公里级的测量范围让光纤分布式传感器在这些应用场景中拥有无可比拟的优势。弱反射点阵列光纤作为一种新型的准分布式传感光纤，在光纤上周期性写入弱反射点，弱反射点之间的间隔就是准分布式传感器的空间分辨率，从而提高了瑞利反射信号的信噪比，使用低成本的光时域反射仪（otdr）进行解调时拥有更高的定位精度和可靠性，然而受光时域反射仪（otdr）时间分辨率的限制，弱反射点光纤的空间分辨率只能达到1m。目前针对厘米级的分布式传感方案，大多采用成本高昂结构复杂光频域反射仪（ofdr）进行解调。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种低成本、高空间分辨率（厘米级）的准分布式光纤压力传感系统。


技术实现要素：

5.为了克服现有分布式压力传感器的不足，本发明的目的是提供一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感系统，应用于动态称重中轮胎压力以及胎宽、单双胎及跨道等测量，以及其他小范围高分辨率的分布式压力测量场景。
6.一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感器，包括一个或多个准分布式光纤压力传感器、传输光纤、光时域反射仪（otdr）和数据处理模块；准分布式光纤压力传感器，通过传输光纤将信号传递到光时域反射仪（otdr）进行解调并将信息传递至所述数据处理模块进行进一步的处理，分析计算出传感区域上的压力分布情况；准分布式光纤压力传感器由一根弱反射点阵列光纤构成，包括压力传感区和非压力传感区，压力传感区作为压力感知有效区域，感知压力的变化与分布情况。
7.弱反射点阵列光纤为单模光纤，光纤纤芯上加工有多个弱反射点组成的阵列，相邻弱反射点之间的间距固定且相等，可采用飞秒激光直写技术在单模光纤的纤芯上写入弱反射点，也可以采用准分子激光等方法将弱反射点写入到单模光纤的纤芯上，加工采用自动化加工设备，制备过程中通过控制弱反射点之间的间隔控制弱反射点阵列光纤的本征空间分辨率（如米级）。
8.光时域反射仪（otdr）可以探测到光纤的光时域反射曲线，otdr发出的脉冲光信号在光纤中传输时会发生瑞利散射，散射光会沿相反方向传输到otdr中被接收，光在光纤中不同位置产生的散射光回到otdr的时间不同，otdr通过这种时延来计算该产生该信号的位置，具体计算公式如下：其中为产生散射信号的点距离otdr的距离，为接收到散射光相对发出脉冲信号光的时延，为真空中光速，为光纤等效折射率。根据不同位置的散射光信号的强度，otdr会输出一条光纤中每个位置散射信号光光强的曲线，即光时域反射曲线。弱反射点光纤因为在纤芯中做特殊加工，弱反射点位置的散射信号光会增强，在光时域反射曲线上表现为一系列周期性的反射峰信号，每个反射峰都对应相应位置的弱反射点，受到压力影响时，弱反射点的折射率会变化，其瑞利散射信号随之增强，光时域反射曲线上对应反射峰峰值升高，因此弱反射点光纤上的每一个弱反射点都具有独立压力感知能力。
9.构成准分布式光纤压力传感器时，弱反射点采用平行折返均匀错位的铺设方式，即单根弱反射点阵列光纤多次折返平行穿越所述压力传感区，且每次折返相邻两根光纤的弱反射点在平行光纤方向上错位一小段距离，设弱反射点光纤中弱反射点的间隔为l，则平行折返铺设n次，保证每一段光纤中的弱反射点位置都是均匀错位的，则在传感器的光纤平行方向上，相邻两个弱反射点之间的间隔为l/n，即传感器的空间分辨率为l/n (如图2所示)。如此，一个压力传感区的宽度也可调大，适合测量轮胎接触地面的胎长及胎印等。
10.这种铺设方式的分辨率不受otdr时间分辨率的限制，折返次数n只受传感器的宽度限制，可以通过控制每次折返弱反射点错位的距离控制传感器的分辨率。
11.在监测超载车辆的公路上，一般都会铺设间隔一定距离的多条压力感应条，以便检测车辆的变速、变道等，因此我们的传输光纤可以将监测多个压力传感区的多个准分布式光纤压力传感器串联后接入光时域反射仪（otdr）， 如图1所示。
12.测量前，需要对每个准分布式光纤压力传感器中的每个弱反射点进行编号，构建弱反射点在传感器中位置与光时域反射曲线上反射峰的映射关系并导入数据处理模块。测量时，光时域反射仪（otdr）将得到的光时域反射曲线实时发送到数据处理模块，数据处理模块通过每个反射峰的峰值高度计算该弱反射点处受到的压力大小，结合每个反射峰对应的弱反射点的位置，可以构建每个传感器压力传感区上的空间压力分布图。
13.本发明的有益效果：本发明提供一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感器，使用低成本的otdr解调方案实现高空间分辨率的准分布式压力传感系统，因为光纤直径较细（<1mm）多根平铺时的横向宽度也可以很小，可以将传感器的局部空间分辨率提升两个数量级，达到厘米级甚至更小。
14.附图说明
15.图1为本发明低成本、高空间分辨率的光纤准分布式压力传感系统示意图。
16.图中，准分布式压力传感器1、传输光纤2、光时域反射仪3、数据处理模块4。
17.图2为本发明准分布式压力传感器的内部结构图。
18.图中，弱反射点光纤5,、压力传感区6、非压力传感区7、弱反射点8。
具体实施方式
19.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案作进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，当元件被称与另一个元件“连接”或元件被称为“连接至”另一个元件时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
实施例
22.请参阅图1，图1为本发明一实施方式的一种低成本、高空间分辨率的准分布式压力传感系统示意图。
23.如图1所示，该系统包括监测若干个压力传感区的若干个准分布式光纤压力传感器1，传输光纤2，光时域反射仪3，数据处理模块4。准分布式光纤压力传感器1，通过传输光纤2将信号传递到光时域反射仪（otdr）3进行解调并将信息传递至数据处理模块4进行进一步的处理，分析计算出压力分布情况。
24.请参阅图2 ，图2 为本发明一实施方式的低成本、高空间分辨率的准分布式压力传感系统中弱反射点光纤的铺设示意图。
25.准分布式光纤压力传感器由一根弱反射点阵列光纤5构成，包括压力传感区6和非压力传感区7；压力传感区6作为压力感知有效区域，感知压力的变化与分布情况；弱反射点阵列光纤5上均匀分布着许多个弱反射点8。
26.需要说明的是，在图2所示的光纤弱反射点阵列光纤5中，单模光纤中的弱反射点8阵列是加工后形成的。
27.具体地，可采用飞秒激光直写技术在单模光纤的纤芯上写入弱反射点8，也可以采用准分子激光等方法将弱反射点写入到单模光纤的纤芯上。
28.多个具有相同间距的阵列式弱反射点8提高了在单模光纤中对应位置处瑞利散射的信噪比。具体地，可以通过设计激光直写每个弱反射点的所采用的激光功率来控制其反射率，还可以通过设计弱反射点阵列的周期大小来控制弱反射点阵列光纤的本征空间分辨率。需要注意的是，弱反射点对不同波长的瑞利散射的反射率是不一样的，在本实施例中，选用的光源为1550 nm的单波长光源。
29.特别地，本实施例中选用全自动化飞秒激光微纳加工系统加工制备弱反射点阵列光纤5，该系统能周期性的进行弱反射点的加工，通过设置飞秒激光加工功率和绕线机绕线速度来实现不同反射率的弱反射点和不同本征空间分辨率的弱反射点阵列光纤。
30.具体地，本实施例中制备的弱反射点阵列光纤5的弱反射点8之间的间距设置为1 m。
31.弱反射点光纤5的光时域反射曲线是由一系列反射峰组成的周期性信号，每个反射峰对应一个弱反射点8，压力会导致该处弱反射点8折射率变化，瑞利散射增强，即曲线中相应的反射峰升高，由此判断压力变化程度以及对应弱反射点8的位置。
32.准分布式光纤压力传感器1中光纤铺设方式如图2，弱反射点阵列光纤5采用平行折返均匀错位的铺设方式，单根弱反射点阵列光纤5多次折返平行穿越压力传感区6，且每次折返相邻两根光纤的弱反射点在平行光纤方向上错位一小段距离。
33.具体地，本实施例中相邻弱反射点阵列光纤5之间弱反射点8错位的距离为5 cm，设第一段弱反射点阵列光纤5上的弱反射点8的位置坐标依次为（按从左到右）0 cm, 100 cm, 200 cm，
…
, 则折返后相邻第一段光纤的弱反射点8位置坐标为（始终按从左到右）5cm, 105cm, 205 cm,
ꢀ…
, 相邻第三段光纤的弱反射点8位置坐标为10 cm, 110 cm, 210 cm,
ꢀ…
, 依次类推，光纤一共平行铺设20段，最后一段光纤的弱反射点8位置坐标为95cm, 195 cm, 295 cm,
ꢀ…
。
34.进一步的，设置准分布式压力传感器1的压力传感区域长度为3 m，两端的非压力传感区域宽度设置为10 cm，目的是为了有足够空间盘绕折返所需要的过渡光纤，不至于造成较大的弯曲损耗。在垂直光纤方向上，光纤之间间隔设置为5 mm，20段光纤平铺后的传感器宽度为10 cm左右。本实施例最终可以实现10 cm*300cm的窄条光纤准分布式压力传感器，水平方向空间分辨率为5 cm。
35.通过传输光纤串联，一台光时域反射仪（otdr）3可以解调多个光纤准分布式压力传感器1，每个光纤准分布式压力传感器1在光时域反射曲线上对应一组周期性反射峰信号，其中每个反射峰对应传感器中的每个弱反射点。实际测量前，需要对每个光纤准分布式压力传感器1中的每个弱反射点8进行编号，构建弱反射点8在传感器中位置与光时域反射曲线上反射峰的映射关系并导入数据处理模块4.测量时，光时域反射仪（otdr）3将得到的光时域反射曲线实时发送到数据处理模块4，数据处理模块4通过每个反射峰的峰值高度计算该弱反射点8处受到的压力大小，结合每个反射峰对应的弱反射点8的位置，构建每个传感器压力传感区6上的空间压力分布图。
36.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。