粉尘浓度和温度同时测量的光纤光栅传感系统及测量方法与流程

本发明涉及传感检测技术领域，具体而言，涉及一种粉尘浓度和温度同时测量的光纤光栅传感系统及测量方法。

背景技术：

可燃性粉尘广泛存在于化工、冶金、纺织、医药、粮食加工、煤炭开采以及粉体制备存储和运输等各个行业和部门，对于这些地方，通常需要凭借粉尘浓度和温度检测装置对作业场所的空气中的浮游粉尘浓度进行监测，以便采取对应的措施，防止因粉尘浓度超标引起爆炸。

目前国内采用较多的粉尘监测方法是粉尘浓度采样法，方法大致有两种：一是使用采样器采样，通过称重和计算得出粉尘浓度值；二是用快速测尘仪，现场检测后，读取粉尘浓度。粉尘采样器由于测量的准确度高，在很多国家定为标准粉尘浓度测定仪器，但其需要称重、烘干、采样、再烘干、再称重及计算等一系列繁琐的过程，因此不能实时快速的反映作业场所粉尘的污染状况。快速测尘仪采用的测量方法大致有光学法、R射线衰减法及压电晶体频率变化法等三大类，该方法需要工作人员携带仪器在现场测量读取数据，同样无法开展实时在线检测，不利于粉尘浓度实时预警，而且快速测尘仪为带电型仪器，有电荷输出时，易引起环境粉尘燃爆，因此该仪器本质不安全。

光纤光栅传感元件是利用光纤的光敏性在细微的纤芯上建立的周期性折射率分布，其以光为传感信号，具备无电检测、抗电磁干扰、无温度零漂、精度高、可靠性高、单根光纤可串联多个光栅测点等优势，是一种本质安全的检测元件。具有粉尘爆炸危险性的工业生产环境复杂多变，爆炸性混合物长期连续出现，给粉尘防爆检测技术的实施提出了非常严苛的技术要求，导致传统条件下的探测手段及电类传感器难以满足，因此研究光纤光栅原理粉尘检测技术将有着重要实际意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种粉尘浓度和温度同时测量的光纤光栅传感系统及测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种光纤光栅传感装置，包括传输光纤、第一光纤准直器、第二光纤准直器、粉尘盒和光纤光栅；第一光纤准直器一端连接传输光纤，另一端和粉尘盒连接，第二光纤准直器的一端和粉尘盒连接，另一端连接光纤光栅；且第一光纤准直器和第二光纤准直器位于同一条直线上，实现光路对准；

所述粉尘盒内部中空，且所述粉尘盒上设有多个通孔。

本发明所述的光纤光栅传感装置中，粉尘盒的两个侧面设有与光纤准直器外径契合的固定孔，通过固定孔将第一光纤准直器和第二光纤准直器连接。

本发明所述的光纤光栅传感装置中，每个光纤准直器与粉尘盒的接触面与粉尘盒的内表面相平。

本发明还提供了一种粉尘浓度和温度同时测量的光纤光栅传感系统，包括计算机、光纤光栅解调器以及多个串接的光纤光栅传感装置，其中计算机与光纤光栅解调器连接，多个串接的光纤光栅传感装置均通过第一光纤光栅传感器装置与光纤光栅解调器连接，所述光纤光栅传感装置为上述光纤光栅传感装置，多个光纤光栅传感装置中光纤光栅的中心波长不同。

本发明还提供了了一种粉尘浓度和温度同时测量的方法，串接的光纤光栅传感装置的有n个，每个光纤光栅传感装置内的光纤光栅编号依次为1到n，该方法具体包括以下步骤：

根据光纤光栅解调器采集到的光纤光栅的中心波长信号和反射谱强度信号分别检测环境温度和粉尘浓度；

通过温度测试标定分别得到n个光纤光栅的中心波长的漂移量Δλi，其中i为整数，且1≤i≤n，并得到与环境温度之间的函数关系T(Δλi)，光纤光栅传感系统放置在实际被测环境中，根据光纤光栅解调器采集到漂移量Δλi，结合函数关系T(Δλi)，反演出n处被测环境的温度Ti；

通过粉尘浓度测试标定得到n个光纤光栅的反射谱强度的变化量ΔPi与环境粉尘浓度C之间的关系C(ΔPi)，对于第一光纤光栅传感装置，根据光纤光栅解调器采集到的ΔP₁，结合函数关系C(ΔP₁)，反演出第一光纤光栅传感装置处得到的粉尘浓度C₁，即为光纤光栅传感装置处的粉尘浓度C_1实，对于第二光纤光栅传感装置，根据光纤光栅解调器采集到的ΔP₂，结合函数关系C(ΔP₂)，反演出由第二光纤光栅传感装置得到的粉尘浓度C₂，但由于进入到第二光纤光栅传感装置的光信号首先通过了第一光纤光栅传感装置，并且其反射光信号再次通过第一光纤光栅传感装置后才进入光纤光栅解调器，因此第二光纤光栅传感装置处被测环境的粉尘浓度C_2实＝C₂–C₁；

以此类推，所有n个光纤光栅传感装置测量得到的粉尘浓度为：

C_1实＝C₁

C_2实＝C₂-C_1实＝C₂-C₁

C_3实＝C₃-C_2实-C_1实＝C₃-(C₂-C_1实)-C_1实＝C₃-C₂

……

C_n实＝C_n-C_n-1实-……C_2实-C_1实＝C_n-C_n-1，n≥3。

由于由温度变化引起的光纤光栅中心波长的漂移和由粉尘浓度引起的光纤光栅反射谱强度变化量，二者互不影响，因此可实现对温度和粉尘浓度的同时测量。(此处增加同时可测量的叙述，如有必要，请在权利要求中也做出调整)

本申请所提供的粉尘浓度和温度同时测量的光纤光栅传感装置，与现有的粉尘测量手段相比，检测装置采用光信号，本质安全，而且可进行多个测点分布式、实时监测，更利于涉粉企业安全生产的实时报警。本申请提供的测量方法仅使用一个光纤光栅即可同时测量粉尘浓度和环境温度，且两个被测参数互不影响，提高了测量效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例光纤光栅传感装置的结构示意图；

图2是本发明实施例多个传感装置组成的测量系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一个实施例中光纤光栅传感装置包括传输光纤1、第一光纤准直2、第二光纤准直器3、粉尘盒4、光纤光栅5。各个部件的连接方式为：第一光纤准直器2左侧连接传输光纤1，右侧和粉尘盒4连接，第二光纤准直器3左侧和粉尘盒4连接，右侧连接光纤光栅5。粉尘盒4左右两个侧面设有与光纤准直器外径契合的固定孔，通过固定孔将第一光纤准直器2和第二光纤准直器3连接，连接固定后，第一光纤准直器2和第二光纤准直器3在同一条直线上，实现光路对准。

结合图2，n个光纤光栅中心波长不同的传感装置串联复用后，第一光纤光栅传感装置中的第一光纤准直器通过传输光纤与光纤光栅解调器连接，光纤光栅解调器与计算机连接，实现数据采集，第一传感装置中光纤光栅与第二光纤光栅传感装置中的传输光纤连接，实现串联，后续的传感装置也按照此方式实现串联。

光学传输方式如下：

对于第一光纤光栅传感装置来说，光纤光栅解调器发出的宽带光信号导入第一光纤光栅传感装置中传输光纤，然后进入第一光纤准直器，从第一光纤准直器输出的平行光再通过粉尘盒之后进入第二光纤准直器，随后进入光纤光栅，被光纤光栅反射回的特定波长的反射光信号返回第二光纤准直器，输出后再次通过粉尘盒，随后进入第一光纤准直器，输出后进入传输光纤，最后反射光信号进入光纤光栅解调器进行处理，得到光纤光栅的中心波长信号和反射谱强度信号的实时数据；

对于第一光纤光栅传感装置来说，其光信号是光纤光栅解调器发出的宽带光通过第一光纤光栅传感装置中的光纤光栅后，导入第二光纤光栅传感装置中传输光纤，再按照上文所述方式依次通过第二光纤光栅传感装置中的第一光纤准直器、粉尘盒、第二光纤准直器、光纤光栅，被光纤光栅反射回的特定波长的反射光信号依次通过第二光纤光栅传感装置中的第二光纤准直器、粉尘盒、第一光纤准直器、传输光纤，再通过第一光纤光栅传感装置进入光纤光栅解调器进行处理，得到第二光纤光栅传感装置中的光纤光栅的中心波长信号和反射谱强度信号的实时数据。其余传感装置中的光信号同样按此原理进入光纤光栅解调器。

在使用该传感装置进行粉尘和温度测量前：

先通过温度测试标定分别得到n个光纤光栅的中心波长的漂移量Δλi，(其中i为整数，且1≤i≤n)与环境温度之间函数关系T(Δλi)，测量装置放在实际被测环境中，根据光纤光栅解调器实时采集到的Δλi，结合函数关系T(Δλi)，反演出n处被测环境的实时温度Ti；

通过粉尘浓度测试标定得到n个光纤光栅的反射谱强度的变化量ΔPi与环境粉尘浓度C之间的关系C(ΔPi)，对于第一光纤光栅传感装置，根据光纤光栅解调器实时采集到的ΔP₁，结合函数关系C(ΔP₁)，反演出第一光纤光栅传感装置处得到的实时粉尘浓度C₁，即为第一光纤光栅传感装置处的粉尘浓度C_1实，对于第二光纤光栅传感装置，根据光纤光栅解调器采集到的ΔP₂，结合函数关系C(ΔP₂)，反演出由第二光纤光栅传感装置得到的粉尘浓度C₂，但由于进入到光纤光栅2的光信号首先通过了第一光纤光栅传感装置，并且其反射光信号再次通过装置1后才进入光纤光栅解调器，因此第二光纤光栅传感装置处被测环境的粉尘浓度C_2实＝C₂–C₁，据此原理，所有n个传感装置测量得到的实时粉尘浓度为：

C_1实＝C₁

C_2实＝C₂-C_1实＝C₂-C₁

C_3实＝C₃-C_2实-C_1实＝C₃-(C₂-C_1实)-C_1实＝C₃-C₂

……

C_n实＝C_n-C_n-1实-……C_2实-C_1实＝C_n-C_n-1(n≥3)

即可实现温度和粉尘浓度分布式测点的实时监测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。