[實(shí)用新型]一種光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220598473.2
• 申請(qǐng)日: 2012-11-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203084221U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓冰;譚東杰;馬云賓;李亮亮;荊宏遠(yuǎn);郝建斌;鄭軍;劉建平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)石油天然氣股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01W1/14
• 分類(lèi)號(hào): G01W1/14
• 代理公司: 北京市中實(shí)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11013
• 代理人: 金杰;任清漢

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型是一種基于光纖光柵技術(shù)的降雨量監(jiān)測(cè)裝置，涉及液位的測(cè)量和氣象學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

大氣降水測(cè)量是氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境評(píng)估等多方面的重要環(huán)節(jié)。目前較為常用的降雨量監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有翻斗式雨量計(jì)和虹吸式雨量計(jì)。其中翻斗式雨量計(jì)原理簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但翻斗的動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差隨雨強(qiáng)變化劇烈變化，這種缺陷是翻斗式雨量計(jì)固有的原理和結(jié)構(gòu)上的缺陷，在使用中易受隨機(jī)因素的影響（如：翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙、風(fēng)沙影響、翻斗軸承游隙變化及灰塵阻滯使摩擦力變化的影響等），使得翻斗式雨量計(jì)測(cè)量誤差可能超過(guò)±10％。虹吸雨量計(jì)可以連續(xù)記錄降水量和降水時(shí)間，測(cè)量精度高，受雨強(qiáng)變化影響的誤差小，但當(dāng)前普遍使用的虹吸式雨量計(jì)為日記型，每天必須更換記錄紙，人工測(cè)量?jī)?chǔ)水瓶中的虹吸水量進(jìn)行虹吸訂正、人工摘錄時(shí)段雨量和人工錄入計(jì)算機(jī)，因此，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，這與當(dāng)前電子信息時(shí)代及不相稱(chēng)。

光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)外，光纖光柵還具有其獨(dú)特的特性：易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復(fù)用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域有著廣闊的前景。作為光子研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術(shù)近年來(lái)受到普遍關(guān)注，各國(guó)研究者積極開(kāi)展有關(guān)研究工作。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測(cè)的物理量有：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等，其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。

光纖布拉格光柵（Fiber?Bragg?Grating）是最簡(jiǎn)單、最普遍的一種光纖光柵。它是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測(cè)量溫度和應(yīng)變的基本原理。

光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入各種大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；（2）與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、光損耗低、光譜特性好、可靠性高；（3）具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；（4）輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫(xiě)入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；（5）測(cè)量信息以波長(zhǎng)編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強(qiáng)的抗干擾能力；（6）高靈敏度、高分辯力。

與廣泛使用的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)有：（1）對(duì)測(cè)量點(diǎn)能精確定位，分辨率高；（2）成本低；（3）能對(duì)傳感部分進(jìn)行加工、封裝，使其更適合現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。

由于這些優(yōu)點(diǎn)，基于光纖光柵傳感技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套集自動(dòng)化、測(cè)量精度和穩(wěn)定可靠性等多方面要求的降雨量監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行高分辨率和實(shí)時(shí)在線測(cè)量，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯。文獻(xiàn)調(diào)研和專(zhuān)利查新顯示，目前還未有用基于光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行大氣降水監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種對(duì)大氣降水能高傳感精度、高測(cè)量精度、低成本及自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基于光纖光柵傳感技術(shù)的光纖光柵降雨量監(jiān)測(cè)裝置。

基于光纖光柵傳感技術(shù)的大氣降雨自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置如圖2所示，該裝置主要包括光纖光柵雨量筒及設(shè)置在監(jiān)測(cè)站里的控制單元模塊11、解調(diào)儀12、下位機(jī)13、無(wú)線通信模塊Ⅰ14、無(wú)線通訊模塊Ⅱ15和上位機(jī)16。從光纖光柵雨量筒里的電動(dòng)溢水閥5引出電纜9以及溫度補(bǔ)償型光纖光柵應(yīng)變傳感器8引出光纜10，電纜9與控制單元模塊11連接，光纜10與光纖光柵解調(diào)儀12連接；控制單元模塊11和解調(diào)儀12的輸出接下位機(jī)13的輸入，下位機(jī)13輸出接無(wú)線通信模塊Ⅰ14，無(wú)線通訊模塊Ⅱ15輸出接上位機(jī)16的輸入。