[發明專利]基于光子計數的超多點低反射率光纖光柵傳感系統

有效

• 申請號: 201310039658.9
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103148793A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 胡遼林;謝德靜;步麗娜;華燈鑫
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明屬于光纖光柵傳感技術領域，涉及一種基于光子計數的超多點低反射率光纖光柵傳感系統。

背景技術

現代經濟社會突飛猛進的發展為建筑業和大型工程帶來了良好的發展契機，但隨之而來的健康和安全的監測問題（如大壩、橋梁、航天器、高速鐵路、船舶、核電站等大型結構）卻日益明顯。并且我國是一個災害頻發的國家，如2010年的舟曲泥石流，寶成鐵路的橋梁垮塌等，如果能提前預警，就可以避免人民群眾的生命財產損失。所有這些都可以通過大量的傳感器進行監測。

光纖光柵傳感器可以檢測溫度、壓力、角位移、電壓、電流、聲音和磁場等多種物理量，相比傳統傳感器有一系列獨特的優點，如靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、光路可彎曲，體積小等。光纖光柵傳感器最大技術經濟優勢在于分布式(多點)傳感，可以組網。這樣不僅可以減少傳感器安裝和信號傳輸線對施工及原結構性能的影響，而且可以增加傳感點的密度，與同樣傳感數量的常規傳感器及測量系統相比整體價格低。實際上，大型和復雜結構的監控經常需要大量傳感器，例如，飛機結構監控需要近5000個傳感器才能有足夠的覆蓋。因此，在經濟、實用的前提條件下，FBG傳感網絡所能復用的傳感器數量就成了研究者追求的目標。

FBG傳感網絡的復用方式主要有波分復用(WDM)、時分復用(TDM)、空分復用(SDM)或它們之間的組合。

現有基于光時域反射方式(OTDR)和低反射率(1%~0.01%)光纖光柵的傳感系統中，采用半導體激光器作光源，實現超多點應變測量。該方法的最大特點是可在一根光纖上串聯幾百個甚至上千個FBG（光纖光柵），完成超多點測量，但是，傳感信號會變得非常微弱，使得檢測變得非常困難。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于光子計數的超多點低反射率光纖光柵傳感系統，解決現有技術存在的對微弱的傳感信號難以檢測的問題。

本發明的目的是這樣實現的，基于光子計數的超多點低反射率光纖光柵傳感系統，包括半導體光源及其驅動電路、光耦合器及光環行器、FBG傳感陣列、APD光探測器、PIN光探測器、光子計數器和計算機；以APD光探測器作為傳感信號的檢出器件，以PIN光探測器作為觸發信號的檢出器件，計算機控制光源的驅動電路打開光源，光源輸出脈沖光，經光耦合器分成兩路，一路到FBG傳感器陣列，另一路到PIN光探測器；觸發光經光電變換后控制門控電路和光子計數器，當FBG傳感陣列反射回信號時打開門控電路和光子計數器，使APD光探測器在蓋革模式下工作，用計數器計數并傳至計算機進行數據處理，計算出FBG的應變大小。

本發明的特點還在于：

上述光耦合器的分光比為10:90，90%的一路到FBG傳感器陣列，10%的一路到PIN光探測器。

進一步，上述APD光探測器為兩個且通過光開關與光環行器連接，一個APD光探測器通過光子計數器與計算機連接，另一個APD光探測器通過放大器、A/D轉換與計算機連接；當傳感信號較強時，用線性探測模式，當傳感信號較弱時，由計算機控制光開關轉向光子計數探測模式。

另一種方案為：上述APD光探測器為兩個且通過光分路器與光環行器連接；一個APD光探測器通過光子計數器與計算機連接，另一個APD光探測器通過放大器、A/D轉換與計算機連接；當傳感信號較強時，采用線性探測模式的結果；當傳感信號較弱時，采用光子計數探測模式的結果；傳感信號不強不弱時，將兩種模式探測的結果比對拼接。

上述FBG采用低反射率光纖光柵，反射率在1%~0.01%之間。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明采用單光子計數法，利用弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點，采用脈沖甄別技術和數字計數把極其微弱的信號識別并提取出來，測量結果受光電探測器的漂移、系統增益變化以及其它不穩定因素的影響較小，消除了探測器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測量結果的信噪比，克服了現有技術存在的對微弱的傳感信號難以檢測的問題。

2、本發明FBG采用低反射率光纖光柵，反射率越低，系統復用的光纖光柵個數就越多，測量的點越多。

3、本發明有比較寬的線性動態區，可輸出數字信號，適合與計算機連接進行數據處理，不必進行模數轉換。

4、本發明與傳統的探測相比，探測靈敏度更高，在一根光纖上能夠復用的FBG數大大增加，可達幾百甚至上千，實現對大型工程的密集超多點監測。

附圖說明

圖1為本發明基于光子計數的超多點低反射率光纖光柵傳感系統結構示意圖；

圖2為FBG應變測量原理圖；