一种膜片式压力传感器的分布式传感系统及其分布式复用方法与流程

1.本发明涉及光纤复用技术领域，特别涉及一种膜片式压力传感器的分布式传感系统及其分布式复用方法。


背景技术：

2.随着人类对光学的认知不断加深，光纤传感技术也得到了迅速的发展，包括对温度、振动、压力、应变等。光纤传感技术利用光纤作为传感单元，具有传输速度快、传输容量大、抗电磁干扰、成本低等优点，近几年在周界安防、管道泄漏监测、建筑物健康监测等多个领域得到了广泛的应用。
3.当前点式传感器难以实现同时对多个点的传感信号进行测量，现有的技术往往需要每一个传感器搭配一套解调系统，系统复杂度高，浪费资源。分布式光纤传感利用光纤作为感知外界变化的工具，其原理是当外界温度、压力等待测量发生变化以及光纤受力产生应变时，会导致光纤的折射率发生改变，从而使光纤中传输光的光学特性发生变化(例如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)。通过检测并分析输出光的光学特性的变化与对应待测变量的关系，即可测得待测变量。
4.光纤传感系统中的复用技术主要包括波分复用(wdm)、频分复用(fdm)、时分复用(tdm)等。频分复用技术的原理是对调制信号的频率进行差异化加载，使每路干涉仪的调制频率都不同，进而通过传感光纤将不同调制频率的输出信号传输到光电探测器，最后解调各自频率调制的信号从而过得信息。但是频分复用技术受到光功率及带通滤波器带宽的限制。波分复用技术的原理是不同波长的光信号混合后经过传感光纤传输，之后由波分复用器分成单一波长多路光信号输出给各路干涉仪，各路干涉仪的输出信号经过合束再由单根光纤传输到光电探测器，最后由不同波长光电探测器探输出多路信号。波分复用技术用到较多光学器件并且对器件有较高的性能要求，而且由于光纤的非线性效应，在实际应用中要考虑信道间隔、中心频率等问题。时分复用技术相较于频分复用和波分复用技术，减少了系统中光源、传输光纤及探测器的数量，提高了器件利用率和复用效率，具有结构简单、低成本等优点。但时分复用技术受限于光功率、信号采样率以及系统串扰等因素。
5.现在光纤传感技术的发展方向越来越向多用途靠近，即一种光纤传感器可以同时用来测量多个物理量的变化，现在现有的mems传感器已经可以同时实现温度、压力亦或是其他两种物理参量的测量，所以光纤传感与其他微技术相结合的微型光学技术也是未来发展的一个方向。所以目前十分需要一种可以同时检测多个点的情况并且系统复杂度低的传感系统，解决现有的声压膜片传感器等传感器阵列同时解调需要的设备复杂的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本发明的一个目的在于提出一种膜片式压力传感器的分布式传感系统。
8.本发明的另一个目的在于提出一种膜片式压力传感器的分布式传感系统的分布式复用方法，该方法可以实现多个点的精确测量，同时降低解调设备的复杂度。
9.为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种膜片式压力传感器的分布式传感系统，包括：窄线宽激光器、声光调制器、隔离器、掺铒光纤放大器、环形器、单模传感光纤、多个声压膜片传感器、光电探测器、数据采集卡、上位机和信号发生器，其中，所述窄线宽激光器连接所述声光调制器，所述隔离器连接所述声光调制器；所述掺铒光纤放大器连接所述隔离器，所述环形器的第一端口连接所述掺铒光纤放大器，第二端口连接所述单模传感光纤，第三端口连接所述光电探测器，所述单模传感光纤贴合安装在所述多个声压膜片传感器之上，所述光电探测器连接所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述上位机，所述信号发生器的输出端口连接所述声光调制器。
10.本发明实施例膜片式压力传感器的分布式传感系统，利用光纤作为信息传输的介质，将单模传感光纤贴合安装在若干个声压膜片传感器上，利用声压膜片传感器来感受外界的压力变化，若干个声压膜片传感器受到压力变化进而使得所在位置处的光纤产生应变，导致光纤折射率发生改变，使单模传感光纤中传输光的光学特性发生改变，即返回的后向散射光携带了外界压力变化的信息，都通过一根传感光纤传回，经过一套解调装置就可以得到这若干个声压膜片传感器采集到的信息变化，根据反射光到达解调装置的时间可以计算出传感距离也就可以得知是具体位置传感器采集到的信息，实现了光纤的时分复用；又因分布有若干个声压膜片传感器，所以可以实现多点的精确测量；另外只需一套解调设备，系统结构简单，节省资源。
11.另外，根据本发明上述实施例的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统还可以具有以下附加的技术特征：
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述窄线宽激光器用于发射波长为1550nm的连续光。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述声光调制器用于利用所述信号发生器发出的脉冲信号，将连续光调制为脉冲光。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个声压膜片传感器根据预设需求排布在所述单模传感光纤上。
15.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个声压膜片传感器用于获取多个压力变化信息，并将所述多个压力变化信息耦合到所述单模传感光纤。
16.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述单模传感光纤用于产生携带声压变化信息的后向瑞利散射光，并通过所述环形器的第三端口将携带声压变化信息的后向瑞利散射光发送给所述光电探测器。
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光电探测器用于接收携带声压变化信息的后向瑞利散射光，并将其转换为电信号。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据采集卡用于采集电信号，并对所述电信号进行模数转换，得到数字信号。
19.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上位机用于对所述数字信号进行解调得到相位信息，并通过所述相位信息得到压力变化信息。
20.为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种膜片式压力传感器的分布式
传感系统的分布式复用方法，包括以下步骤：步骤s1，利用所述窄线宽激光器向所述声光调制器发出波长为1550nm的连续光；步骤s2，利用所述信号发生器发出脉冲信号驱动所述声光调制器，以将所述连续光调制为脉冲光；步骤s3，通过所述掺铒光纤放大器将所述脉冲光进行放大，经过所述环形器的第一端口和第二端口使放大后的脉冲光进入所述单模传感光纤；步骤s4，当外界压力变化时，所述多个声压膜片传感器获取多个压力变化信息，并将所述多个压力变化信息耦合到所述单模传感光纤上，使所述单模传感光纤中产生的后向瑞利散射光携带声压变化信息；步骤s5，通过所述环形器的第二端口和第三端口将携带声压变化信息的后向瑞利散射光传输到所述光电探测器，将其转换为电信号；步骤s6，利用所述数据采集卡采集所述电信号，并进行模数转换得到数字信号；步骤s7，利用所述上位机对所述数字信号进行解调得到相位信息，并通过所述相位信息得到所述压力变化信息。
21.本发明实施例的膜片式压力传感器的分布式传感系统的分布式复用方法，利用光纤作为信息传输的介质，将单模传感光纤贴合安装在若干个声压膜片传感器上，利用声压膜片传感器来感受外界的压力变化，若干个声压膜片传感器受到压力变化进而使得所在位置处的光纤产生应变，导致光纤折射率发生改变，使单模传感光纤中传输光的光学特性发生改变，即返回的后向散射光携带了外界压力变化的信息，都通过一根传感光纤传回，经过一套解调装置就可以得到这若干个声压膜片传感器采集到的信息变化，根据反射光到达解调装置的时间可以计算出传感距离也就可以得知是具体位置传感器采集到的信息，实现了光纤的时分复用；又因分布有若干个声压膜片传感器，所以可以实现多点的精确测量；另外只需一套解调设备，系统结构简单，节省资源。
22.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1是本发明一个实施例的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统的结构示意图；
25.图2是本发明一个实施例的单模传感光纤与声压膜片传感器的具体连接示意图。
26.附图标记说明：
27.100-膜片式压力传感器的分布式传感系统、1-窄线宽激光器、2-声光调制器、3-隔离器、4-掺铒光纤放大器、5-环形器、6-单模传感光纤、7-多个声压膜片传感器、8-光电探测器、9-数据采集卡、10-上位机和11-信号发生器。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统及其分布式复用方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种膜片式压
力传感器的分布式传感系统。
30.图1是本发明一个实施例的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统的结构示意图。
31.如图1所示，该膜片式压力传感器的分布式传感系统100包括：窄线宽激光器1、声光调制器2、隔离器3、掺铒光纤放大器4、环形器5、单模传感光纤6、多个声压膜片传感器7、光电探测器8、数据采集卡9、上位机10和信号发生器11。
32.其中，窄线宽激光器1连接声光调制器2，隔离器3连接声光调制器，掺铒光纤放大器4连接隔离器3，环形器5的第一端口连接掺铒光纤放大器4，第二端口连接单模传感光纤6，第三端口连接光电探测器8，单模传感光纤6贴合安装在多个声压膜片传感器7之上，光电探测器8连接数据采集卡9，数据采集卡9连接上位机10，信号发生器11的输出端口连接声光调制器2。
33.进一步地，在本发明的一个实施例中，窄线宽激光器用于发射波长为1550nm的连续光，进入声光调制器2。
34.进一步地，在本发明的一个实施例中，声光调制器2由信号发生器11发出的脉冲信号驱动，将窄线宽激光器1发出的连续光调制为脉冲光，并由隔离器3稳定脉冲光的光功率。
35.进一步地，在本发明的一个实施例中，掺铒光纤放大器4将脉冲光的光功率进行放大，放大后的脉冲光经环形器5的第一端口和第二端口进入单模传感光纤6中。
36.进一步地，在本发明的一个实施例中，多个声压膜片传感器7根据预设需求排布单模传感光纤6上，单模传感光纤6贴合安装在若干个声压膜片传感器7之上，其中，若干个声压膜片传感器7感受外界压力变化的信息，并将压力变化的信息耦合到单模传感光纤6中，通过单模传感光纤6产生的后向瑞利散射光携带传回，实现光纤的时分复用。其中，外界压力会使传感光纤中传输光的光学特性发生变化，从而得到携带外界声压变化信息的后向瑞利散射光。
37.需要说明的是，如图2所示，多个膜片声压传感器7-1、7-2、7-3
……
7-n是具有高灵敏度的声压膜片传感器，根据预设需求通过最优分布进行排布；单模传感光纤6贴合安装在最后排布后的多个声压膜片传感器7-1、7-2、7-3
……
7-n之上；多个声压膜片传感器7-1、7-2、7-3
……
7-n用以采集外界的压力变化，此时多个声压膜片传感器7-1、7-2、7-3
……
7-n受到压力的变化从而使所在位置处的光纤产生应变，导致光纤的折射率发生改变，使得传输的后向瑞利散射光的相位发生变化，即声压膜片传感器7将外界的压力信息耦合到单模传感光纤6中，后向瑞利散射光通过单模传感光纤6传输到环形器5。
38.进一步地，在本发明的一个实施例中，单模传感光纤6产生的携带外界声压变化信息的后向瑞利散射光经光电探测器8后，将光信号转换为电信号。
39.进一步地，在本发明的一个实施例中，数据采集卡9将光电探测器8转换之后的电信号进行采集，并进行高精度的模数转换，之后将转换完成的数据信号传输给上位机10。
40.进一步地，在本发明的一个实施例中，上位机10可根据信号到达的时间可以计算出传感距离也就是传感器的具体位置，同时接收数据采集卡9传输的数字信号，对数字信号进行解调得到相位信息，并通过相位信息得到外界的压力变化的信息。
41.因此，本发明实施例提出的膜片式压力传感器的分布式传感系统的工作原理为：利用窄线宽激光器1向声光调制器2发出波长为1550nm的连续光，由信号发生器11发出的脉
冲信号驱动声光调制器2，将连续光调制为脉冲光，通过掺铒光纤放大器4将脉冲光进行放大，再经过环形器5将放大后的脉冲光传给单模传感光纤6，声压膜片传感器7感受外界的压力变化情况，将压力的变化情况耦合到单模传感光纤6中，使单模传感光纤6中产生的后向瑞利散射光携带声压变化信息，再通过环形器5将携带声压变化信息的后向瑞利散射光发送给光电探测器8，将其转换为电信号，数据采集卡9采集该电信号，并进行模数转换后传输上位机10进行后续的相位解调等，得到外界的压力变化情况，同时，可以根据采集到返回的后向瑞利散射光的时间来计算得出任一声压膜片传感器7所在单模传感光纤6的位置。
42.综上，根据本发明实施例提出的膜片式压力传感器的分布式传感系统，仅通过一根单模光纤就可以精确的检测经过最优排布的声压膜片传感器所在位置，并且通过解调信号的相位可以得知所在位置的压力变化，即可以实现多个点的精确测量，保证了空间分辨率的条件下，还扩大了检测范围，保证了灵敏度；同时，因为利用光纤的时分复用，所有声压膜片传感器采集的压力信号都传回同一解调设备进行解调处理，大大降低解调设备的复杂度。
43.其次参照附图描述根据本发明实施例提出的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统的分布式复用方法。
44.该方法具体包括以下步骤：
45.在步骤s1中，利用窄线宽激光器向声光调制器发出波长为1550nm的连续光。
46.在步骤s2中，利用信号发生器发出脉冲信号驱动声光调制器，以将连续光调制为脉冲光。
47.在步骤s3中，通过掺铒光纤放大器将脉冲光进行放大，经过环形器的第一端口和第二端口使放大后的脉冲光进入单模传感光纤。
48.在步骤s4中，当外界压力变化时，多个声压膜片传感器获取多个压力变化信息，并将多个压力变化信息耦合到单模传感光纤上，使单模传感光纤中产生的后向瑞利散射光携带声压变化信息。
49.在步骤s5中，通过环形器的第二端口和第三端口将携带声压变化信息的后向瑞利散射光传输到光电探测器，将其转换为电信号。
50.在步骤s6中，利用数据采集卡采集电信号，并进行模数转换得到数字信号。
51.在步骤s7中，利用上位机对数字信号进行解调得到相位信息，并通过相位信息得到压力变化信息。
52.需要说明的是，前述对膜片式压力传感器的分布式传感系统实施例的解释说明也适用于该实施例的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统的分布式复用方法，此处不再赘述。
53.根据本发明实施例提出的一种膜片式压力传感器的分布式传感系统的分布式复用方法，仅通过一根单模光纤就可以精确的检测经过最优排布的声压膜片传感器所在位置，并且通过解调信号的相位可以得知所在位置的压力变化，即可以实现多个点的精确测量，保证了空间分辨率的条件下，还扩大了检测范围，保证了灵敏度；同时，因为利用光纤的时分复用，所有声压膜片传感器采集的压力信号都传回同一解调设备进行解调处理，大大降低解调设备的复杂度。
54.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。