基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感检测技术领域，具体设及一种基于光纤传感的气缸气体压力 和温度在线检测方法和系统。
【背景技术】
[0002] 检测压缩机气缸内气体的动态变化过程，对研究压缩机性能，分析判断故障产生 原因十分重要。压力和温度是反映压缩气体状态最重要的物理参量，且两者关系密切，一般 需要同时检测。
[0003] 对于压缩汽缸内的气体，其状态随着活塞的运动而发生改变，因此气体的压力和 温度参数是动态变化的，需要进行在线动态检测。
[0004] 目前检测压缩机气缸内气体状态变化的方法主要有两种。一种是间接测量法，由 于该方法中间环节多，测量精度低，在实际中很少使用。另外一种是直接测量法，即采用一 定的方法将检测装置与气缸连通，直接获取压力的状态信号。目前使用的检测装置主要是 机械式和电子式两种。
[0005] 由于直接法中气体是直接作用在检测装置上，对于易燃易爆性压缩气体，采用需 要通电的电磁式装置进行检测无疑是不安全的。
[0006] 专利CN2010896Y提供了一种压缩汽缸气体压力的机械式检测装置，优点是安全 性好、读数稳定、工作可靠。缺点是针对维修场合下汽缸压力检测设计的，不能用于在线监 巧U;专利CN2429654Y提供了一种能用于压缩机气缸压力检测的方便气阀，优点是直接检测 方式，而且适合在线检测，安装不会破坏气缸镜面。其缺点是信号传输需要通电，安全性不 高。专利CN103234693A公开了一种数字式汽车气缸压力检测装置和方法。该发明的缺点 是使用传感器较多，且采用电类传感器，缺乏安全性。
[0007] 总之，上述发明都是针对一个参数（压力）的检测，不能同时满足安全性、远程在 线和双参数检测的需求。一种既安全，又能实现气体压力和温度同时在线检测的方法和装 置目前尚未见报道。
【发明内容】
[000引本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线 检测方法和系统，既安全，又能实现气体压力和温度同时在线检测。
[0009] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤传感的气缸气体 压力和温度在线检测系统，其特征在于：它包括光纤光栅传感器、波分复用器、光纤光栅动 态解调仪和采集处理装置；其中光纤光栅传感器为若干个，分别安装在气缸需要检测压力 和温度的地方，所有光纤光栅传感器采集的信号通过波分复用器复用到同一根光纤上经过 光纤光栅动态解调仪解调为电信号由采集处理装置进行处理；
[0010] 所述的光纤光栅传感器包括壳体，壳体内部通过弹性膜片分割为2个内腔，分别 为真空仓和压力仓，毛细封装管穿过弹性膜片，光纤穿在毛细封装管内且一端引出壳体，设 置在光纤上的2个光栅分别位于真空仓和压力仓中，壳体通过安装座安装，安装座上设有 与压力仓连通的进气孔，壳体上设有与真空仓连通的真空抽气孔。
[0011] 按上述系统，光纤光栅传感器分别安装在气缸各气阀和气缸活塞两边的缸头端。
[0012] 按上述系统，每个光纤光栅传感器中的2个光栅的初始波长差大于1. 5nm，其中波 长小的光栅封装在真空仓中，波长大的光栅封装在压力仓中，两光栅压力和温度灵敏度系 数对应相等；各光纤光栅传感器光栅的中屯、波长及其间隔，满足波分复用和信号检测要求。
[0013] 按上述系统，所述的光纤光栅动态解调仪为波长调制型解调仪，所含光源为宽带 光源，波长范围涵盖所有接入的光纤光栅传感器的光栅反射谱范围，最高解调频率大于汽 缸活塞工作频率的5倍。
[0014] 根据上述基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统实现的在线检测方 法，其特征在于：
[0015] 对其中一个光纤光栅传感器，假设2个光栅为第一光栅、第二光栅，它们的波长变 化量分别表示为：
[0016]A入 1=Kpi?P+Kti?AT(1)，
[0017] A入2=-Kp2 . P+Kt2 . at (2)，
[001引式中：AA1、AA2分别为第一光栅、第二光栅的波长变化量，Kpi、Kp2分别为第一光 栅、第二光栅的压力灵敏度系数，Kti、Kt2分别为第一光栅、第二光栅的温度灵敏度系数，P、 AT分别为该光纤光栅传感器所受的压力和温度变化量；
[0019] 令Kpi=Kp2,Kti=Kt2,通过解公式（1)和似得到：
[0020]
【主权项】
1. 一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征在于：它包括光纤 光栅传感器、波分复用器、光纤光栅动态解调仪和采集处理装置；其中光纤光栅传感器为若 干个，分别安装在气缸需要检测压力和温度的地方，所有光纤光栅传感器采集的信号通过 波分复用器复用到同一根光纤上经过光纤光栅动态解调仪解调为电信号由采集处理装置 进行处理； 所述的光纤光栅传感器包括壳体，壳体内部通过弹性膜片分割为2个内腔，分别为真 空仓和压力仓，毛细封装管穿过弹性膜片，光纤穿在毛细封装管内且一端引出壳体，设置在 光纤上的2个光栅分别位于真空仓和压力仓中，壳体通过安装座安装，安装座上设有与压 力仓连通的进气孔，壳体上设有与真空仓连通的真空抽气孔。
2. 根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征 在于：光纤光栅传感器分别安装在气缸各气阀和气缸活塞两边的缸头端。
3. 根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征 在于：每个光纤光栅传感器中的2个光栅的初始波长差大于I. 5nm，其中波长小的光栅封装 在真空仓中，波长大的光栅封装在压力仓中，两光栅压力和温度灵敏度系数对应相等；各光 纤光栅传感器光栅的中心波长及其间隔，满足波分复用和信号检测要求。
4. 根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征 在于：所述的光纤光栅动态解调仪为波长调制型解调仪，所含光源为宽带光源，波长范围涵 盖所有接入的光纤光栅传感器的光栅反射谱范围，最高解调频率大于汽缸活塞工作频率的 5倍。
5. 根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统实现的 在线检测方法，其特征在于： 对其中一个光纤光栅传感器，假设2个光栅为第一光栅、第二光栅，它们的波长变化量 分别表不为： Δ A1= Kpi · Ρ+ΚΤ1 · ΔΤ (1)， Δ λ 2= -Kp2 · Ρ+ΚΤ2 · Δ T (2)， 式中：Δ λ1Ν Δ λ 2分别为第一光栅、第二光栅的波长变化量，K Ρ1、ΚΡ2分别为第一光栅、 第二光栅的压力灵敏度系数，KT1、Kt2分别为第一光栅、第二光栅的温度灵敏度系数，Ρ、Λ T 分别为该光纤光栅传感器所受的压力和温度变化量； 令Kpi= K P2, Kn= Kt2，通过解公式⑴和⑵得到：
以Λ A1-A λ 2和Λ λ 1+Λ λ 2作为传感参量，实现压力、温度参数同时测量。
【专利摘要】本发明提供一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，包括光纤光栅传感器、波分复用器、光纤光栅动态解调仪和采集处理装置；其中光纤光栅传感器为若干个，分别安装在气缸需要检测压力和温度的地方，所有光纤光栅传感器采集的信号通过波分复用器复用到同一根光纤上经过光纤光栅动态解调仪解调为电信号由采集处理装置进行处理。本发明采用了无电检测、本征安全的光纤传感检测技术，确保系统安全，采用差动式的信号处理方法，不仅消除了温度对压力测量的影响，同时实现了气体压力和温度两个参数的动态在线监测。
【IPC分类】G01D21-02
【公开号】CN104864914
【申请号】CN201510304520
【发明人】南秋明, 李盛, 岳丽娜, 杨燕, 张翠
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月4日