准分布式FBG光纤光栅路面结冰传感监测系统

准分布式fbg光纤光栅路面结冰传感监测系统
技术领域
1.本发明属于结冰传感器、光纤光栅技术领域，尤其涉及一种准分布式fbg光纤光栅路面结冰传感监测系统。


背景技术：

2.光纤光栅(fiber bragg gratin,fbg)具有灵敏度高、抗电磁干扰、防水性能好、可靠性高等优点，近年来发展迅速，在桥梁隧道、电力、航空、城市地下管廊等领域有着广泛的应用。
3.目前，现有的结冰传感器有电容式结冰传感器、电阻式结冰传感器、机械式结冰传感器、红外结冰监测传感器等。其中电阻式传感器多用于输电线路的结冰监测，电容式传感器多用于湖泊冰层厚度监测，机械式的磁致伸缩振筒式传感器主要应用于航空领域，主动式红外结冰监测技术已应用于道路工程，但其造价高、抗干扰能力较差。大多数探头式传感器不适用于路面的监测，因为如果要监测路面的真实情况，一般要把探头安置在与路面齐平的位置，但是探头本身属于比较脆弱的仪器，而道路上有各种车辆行驶，环境相对恶劣，探头很容易被过往车辆或一些不确定因素损坏。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足和空白，本发明提出一种准分布式fbg光纤光栅路面结冰传感监测系统，，利用光纤光栅的柔韧性和无源性，解决现有结构存在的探头脆弱、分布性不强、恶劣环境下的供电困难等问题。
5.利用反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，特别是结冰状态下的监测。该方案结构简单，状态监测实时有效，具有柔韧性强、多点测试、结构简单、抗干扰能力强的特点，克服了传统结冰传感器存在的探头脆弱、供电困难、不易分布等问题。
6.本发明具体采用以下技术方案：
7.一种准分布式fbg光纤光栅路面结冰传感监测系统，其特征在于：以布拉格啁啾光纤光栅fbga作为参考端，以相同型号的多个布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbgn作为传感头；
8.所述布拉格啁啾光纤光栅fbga连接宽带光源ase和三端环形器，所述三端环形器经耦合器1-耦合器n分别与布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbgn连接，用于使宽带光源ase出射的光通过三端环形器反射至布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbgn，当不受外界影响时，布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbgn将光全部反射回布拉格啁啾光纤光栅fbga，当布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbgn感测到温度或应力后，中心波长发生偏移，偏移的光透过布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbgn出射；
9.光信号解码由光电接收子模块rosa和多位adc完成，并输出至mcu。
10.进一步地，n＝5。
11.进一步地，所述三端环形器用于布拉格啁啾光纤光栅fbga透射光和入射光的分流，其1端口接宽带光源ase，2端口接布拉格啁啾光纤光栅fbga，3端口接耦合器1的1口；
12.耦合器1用于将三端环形器3端口的反射光按给定比例的比例分光，其2口接布拉格啁啾光纤光栅fbg1的长波输入端，3口接耦合器2的1口；
13.耦合器2用于将耦合器1的3口的反射光按给定比例分光，其2口接布拉格啁啾光纤光栅fbg2的长波输入端，3口接耦合器3的1口；
14.耦合器3用于将耦合器2的3口的反射光按给定比例分光，其2口接布拉格啁啾光纤光栅fbg3的长波输入端，3口接耦合器4的1口；
15.耦合器4用于将耦合器3的3口的反射光按给定比例分光，2口接布拉格啁啾光纤光栅fbg4的长波输入端，3口接耦合器5的1口；
16.耦合器5用于将耦合4的3口的反射光按给定比例分光，2口接布拉格啁啾光纤光栅fbg5的长波输入端，3口用帽套住，悬空不接；
17.所述布拉格啁啾光纤光栅fbga作为参考光纤光栅，一端接三端环形器的2端口，另一端用帽套住，悬空不接。
18.进一步地，所述宽带光源ase为中心波长为1525nm-1565nm、功率20mw的光源。
19.进一步地，所述布拉格啁啾光纤光栅fbg1-fbg5分别连接光电接收子模块rosa1-rosa5；
20.所述布拉格啁啾光纤光栅fbg1作为传感头，短波输出端接光电接收子模块rosa1；所述光电接收子模块rosa1的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r1，串接点为vr1，vr1经adc1输入mcu的通道0；
21.所述布拉格啁啾光纤光栅fbg2作为传感头，短波输出端接光电接收子模块rosa2；所述光电接收子模块rosa2的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r2，串接点为vr2，vr2经adc2输入mcu的通道1；
22.所述布拉格啁啾光纤光栅fbg3作为传感头，短波输出端接光电接收子模块rosa3；所述光电接收子模块rosa3的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r3，串接点为vr3，vr3经adc3输入mcu的通道2；
23.所述布拉格啁啾光纤光栅fbg4作为传感头，短波输出端接光电接收子模块rosa4；所述光电接收子模块rosa4的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r4，串接点为vr4，vr4经adc4输入mcu的通道3；
24.所述布拉格啁啾光纤光栅fbg5作为传感头，短波输出端接光电接收子模块rosa5；所述光电接收子模块rosa5的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r5，串接点为vr5，vr5经adc5输入mcu的通道4。
25.进一步地，adc1-adc5集成设置在一个多位adc模块上；每一光电接收子模块rosa内部集成光电二极管pin管和跨阻放大器tia，其中，光电二极管pin管用于将光强转化为电流，跨阻放大器tia用于将电流转化为电压并提供相应的保护电路，电流ir来自pin管的1:1镜像，串接电阻r转化为电压vr。
26.进一步地，mcu将转化的电压值代入实验测试拟合所得的温度与电流的关系式反推出温度，接着根据温度与光功率的拟合关系式推出光功率值，并将相应的值显示在液晶屏上。
27.进一步地，通过测量fbgb的透射光功率随着温度的变化情况可拟合出基本的光功率-温度特性曲线，再根据光功率值推知温度值大小；在临界结冰情况下，考虑光纤光栅受
纵向应力的影响，通过光功率的变化量与应力呈线性关系获得是否结冰的判断。
28.本发明及其优选方案通过测量光纤光栅反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，该方法避免昂贵的光谱仪等的使用，系统成本较低、功耗较低；采用光接收子模块rosa将光功率进行光电转换、iv转换后由adc采集并实时显示温度值、光功率，系统实用性强。虽然使用光功率计或者光谱仪可以直接测量光功率或者光谱的温度特性，但是无法直接观测温度值，而本发明既实现信号解调又实现了信号的解码，实时显示温度，具有结构简单、直观、易携带、实用性强等优点。
附图说明
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
30.图1为本发明实施例准分布式多点光纤光栅传感结构及其结冰传感结构示意图；
31.图2为本发明实施例rosa电路原理示意图；
32.图3为本发明实施例中心波长-温度特性曲线示意图；
33.图4为本发明实施例光功率-温度特性曲线示意图。
具体实施方式
34.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
35.如图1所示，本实施例提供了实现准分布式fbg光纤光栅路面结冰传感监测系统的结构设计，包括：宽带光源ase、三端环形器3-circulator、啁啾光纤光栅fbga、耦合器1、啁啾光纤光栅fbg1、耦合器2、啁啾光纤光栅fbg2、耦合器3、啁啾光纤光栅fbg3、耦合器4、啁啾光纤光栅fbg4、耦合器5、啁啾光纤光栅fbg5和光信号解调部分，其中光信号解调部分包括光接收子模块rosa和多位adc模块以及含显示模块的处理器mcu。
36.在本实施例中，宽带光源ase采用产生中心波长为1525nm-1565nm、功率20mw的光源。fbga的中心波长取为1555nm，带宽为10nm；fbg1～5的中心波长为1550nm，带宽为5nm。
37.三端环形器3-circulator用于布拉格啁啾光纤光栅fbga透射光和入射光的分流，1端口接宽带光源ase，2端口接布拉格啁啾光纤光栅fbga，3端口接耦合器1的1口。
38.在本实施例中，耦合器1用于将三端环形器3-circulator3端口的反射光按一定比例分光，其1口接三端环形器3-circulator的3端口，2口接传感光纤光栅fbg1的长波输入端，3口接耦合器2的1口；
39.耦合器2用于将耦合器1的3口的反射光按一定比例分光，其1口接耦合器1的3口，2口接传感光纤光栅fbg2的长波输入端，3口接耦合器3的1口；
40.耦合器3用于将耦合器2的3口的反射光按一定比例分光，其1口接耦合器2的3口，2口接传感光纤光栅fbg3的长波输入端，3口接耦合器4的1口；
41.耦合器4用于将耦合器3的3口的反射光按一定比例分光，其1口接耦合器3的3口，2口接传感光纤光栅fbg4的长波输入端，3口接耦合器5的1口；
42.耦合器5用于将耦合4的3口的反射光按一定比例分光，其1口接耦合器4的3口，2口接传感光纤光栅fbg5的长波输入端，3口用帽套住，悬空不接。
43.在本实施例中，布拉格啁啾光纤光栅fbga作为参考光纤光栅，一端接三端环形器3-circulator的2端口，另一端用帽套住，悬空不接。
44.其中，光源从环形器的1口到达2口，2口接fbga，光信号经fbga反射后经过环形器的3口入射到fbg1，fbg1的另一端接光信号解码部分；当fbga和fbg1处于相同的温度环境时，fbga反射回来的光信号从环形器2口经过环形器到达连接3口的fbg1时会全部反射，即此时fbg1没有透射光；当fbga处于某一固定温度状态，而fbg1受到了温度影响，则fbg1的中心波长会发生偏移(长波或者短波方向)，部分光反射回来，部分光透射，而透射的部分是由温度变化造成的，因此透射光功率的大小表征了温度变化的大小；该透射谱即是fbg1的反射谱和fbga的反射谱的重叠谱。当传感头fbg1处于临界结冰状态下，传感头fbg1由于结冰应力的作用，中心波长会发生显著改变，同时透射光功率也相应发生显著改变，可根据此特征进行结冰监测预警。其他各路类推。
45.通过测量光纤光栅反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，一路啁啾光纤光栅fbga作为基准，其他五路啁啾光纤光栅fbg作为传感头；光纤光栅fbga将光源ase发出的光通过三端环形器反射给光纤光栅fbg1，不受外界影响时，fbg1会把fbga的反射光再全部反射回来，而当fbg1受到温度感应后，中心波长发生偏移，偏移的光会透过fbg1出射。当传感头fbg1处于临界结冰状态下，传感头fbg1由于结冰应力的作用，中心波长会发生显著改变，同时透射光功率也相应发生显著改变，可根据此特征进行结冰监测预警。其他各路类似，以此类推实现多路准分布式监测。
46.因此可以实现通过测量光纤光栅反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，一路布拉格啁啾光纤光栅fbga作为基准，另一路布拉格啁啾光纤光栅fbg1～5作为传感头；布拉格啁啾光纤光栅fbga将由光源ase出来的光通过三端环形器反射给布拉格啁啾光纤光栅fbg1～5，不受外界影响时，fbg1～5会把fbga的反射光再全部反射回来，而当fbg1～5受到温度感应后，中心波长发生偏移，偏移的光会透过fbg1～5出射。
47.在本实施例中，啁啾光纤光栅fbg1作为传感头，fbg1的长波输入端接耦合器1的2口，短波输出端接rosa1，rosa1的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r1，串接点为vr1，vr1接adc1输入通道0，处理器mcu的pa0口接显示器。
48.在本实施例中，啁啾光纤光栅fbg2作为传感头，fbg2的长波输入端接耦合器2的2口，短波输出端接rosa2，rosa2的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r2，串接点为vr2，vr2接adc1输入通道1，处理器mcu的pa1口接显示器。
49.在本实施例中，啁啾光纤光栅fbg3作为传感头，fbg3的长波输入端接耦合器3的2口，短波输出端接rosa3，rosa3的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r3，串接点为vr3，vr3接adc1输入通道2，处理器mcu的pa2口接显示器。
50.在本实施例中，啁啾光纤光栅fbg4作为传感头，fbg4的长波输入端接耦合器4的2口，短波输出端接rosa4，rosa4的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r4，串接点为vr4，vr4接adc1输入通道3，处理器mcu的pa3口接显示器。
51.在本实施例中，啁啾光纤光栅fbg5作为传感头，fbg5的长波输入端接耦合器5的2口，短波输出端接rosa5，rosa5的电源端接3.3v电源，地端接地，镜像电流端ir串接电阻r5，串接点为vr5，vr5接adc1输入通道4，处理器mcu的pa4口接显示器。
52.在本实施例中，光信号解码部分包括光接收子模块rosa和和集成adc模块和显示模块的处理器mcu；rosa内部集成光电二极管pin管和跨阻放大器tia，如图2所示，光电二极管pin管用于将光强转化为电流，跨阻放大器用于将电流转化为电压并提供相应的保护电
路，电流ir来自pin管的1:1镜像，串接电阻r转化为电压vr；adc电路采集电压vr后送给处理器mcu。
53.以此实现处理器mcu对能够表征光纤光栅采集结果的电压值进行采集。
54.在此基础上可以通过代入实验测试拟合所得的温度与电流的关系式反推出温度，接着根据温度与光功率的拟合关系式推出光功率值等方式实现结冰传感器的效果，并将相应的值显示在液晶屏上。方案具体如下：
55.当传感头处于临界结冰温度值以上时，可以忽略应力对光纤光栅的作用，功率的变化和外界温度有关。根据功率谱密度原理可推知该解调系统中光纤光栅的的光谱功率为：
[0056][0057]
其中p
t
是透射谱光功率，pi是光源ase的总功率，a1是三端环形口的损耗因子，b
t
是fbgb透射谱的半高宽，bi是ase的半高宽。一般地，fbga反射谱经fbgb后全部反射回去，b
t
几乎为0，透射功率几乎为0。当温度变化时，假设fbgb中心波长偏移量为δx，则该波长偏移量对应的光功率变化量为:
[0058][0059]
其中为常数。由此推知，光功率与波长偏移量呈线性关系，再结合光纤光栅中心波长对温度的敏感特性，则可通过测量fbgb的透射光功率随着温度的变化情况可拟合出基本的光功率-温度特性曲线，再根据光功率值即能推知温度值大小。
[0060]
在临界结冰情况下，外界温度不变，考虑光纤光栅在受到应力下的弹光效应和波导效应，光纤光栅纵向应力灵敏度比横向应力灵敏度大得多，在复杂应力情况下，光纤光栅纵向应力是引起光纤光栅反射光中心波长的主要原因。所以主要考虑光纤光栅受纵向应力的影响。在其他条件一定，光纤光栅受到应力引起光栅周期的关系如下：
[0061]
δλ＝ξλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0062]
另外，有效折射率在弹光效应下的改变量：
[0063][0064]
式中，v为光纤的泊松比，p11和p12为光纤光栅应变张量的分量，ε为施加在光纤光栅上的应变。将上式代入式(2)可知，应力导致光纤光栅的波长变化：
[0065][0066]
定义光纤光栅的有效弹光系数pe：
[0067][0068]
则变化波长：
[0069][0070]
σ为轴向应力，ξ为光纤光栅的弹性模量，k为常数。由此可见，对于光纤布拉格光栅，中心波长的变化量δλ与应力ε也呈线性关系。可知光功率的变化量与应力也呈线性关系。
[0071]
在本实施例中，布拉格啁啾光纤光栅fbga作为参考端，布拉格啁啾光纤光栅fbg1、fbg2、fbg3、fbg4、fbg5作为传感头，fbg1～5性能参数一致，包括中心波长、带宽和满足反射的啁啾条件。
[0072]
在本实施例中，各路光信号解码部分采用光接收子模块rosa将光功率进行光电转换、iv转换后由adc采集并显示温度值、光功率大小，该结构对比使用光功率计或者光谱仪作为解调信号，具有结构简单、直观、易携带等优点。
[0073]
在实测中，采用恒温水箱对传感头进行测试环境模拟。温度从16℃～-5℃，水箱降温测试，步长为1℃，每次等水箱显示温度达到设定温度并稳定后开始记录，每次采集10个数据取平均值，再由excel绘制曲线。图3为采用本发明设计的准分布式多点光纤光栅传感结的中心波长-温度特性曲线，图4为光功率-温度特性曲线，由曲线可知，fbg光纤光栅在室温16℃至1℃范围内中心波长-温度曲线和光功率-温度曲线呈现良好的线性关系。这是因为放置在水箱中的光纤光栅处于液态水包围的环境，水箱在降温时水的波动对光纤光栅造成的应力作用可以忽略不计，此时中心波长和光功率的变化仅与温度变化有关。在水箱的显示温度降至0.3℃以下时，中心波长-温度曲线和光功率-温度曲线开始呈现陡峭的接近垂直的直线，此时光栅的栅区周围已经开始结冰，此时，光栅周围的水温度保持不变，并处于由液态水不断转变成固态冰的过程，光纤光栅中心波长和光功率的变化仅和冰的应力对光栅的作用有关。当光栅的栅区周围全部结冰，冰对光纤光栅的应力影响减小，可忽略不计，当水箱的温度由0℃逐渐下降至-5℃的过程中，中心波长和光功率的变化仅与温度变化有关。由此可以证明本实施例的设计性能符合结冰传感器的要求。
[0074]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的准分布式fbg光纤光栅路面结冰传感监测系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。