基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法与装置.pdf

基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法，在两根光纤上串接多个FBGs传感器，FBGs的反射光先经过各自对应的1*2耦合器，再经触发器触发、存储FBGs信息，接着触发选择与2*2光开关某一通路连接，使多个FBG汇集在一个受限平面内，再通过聚焦透镜汇聚光斑，使INGAAS图像传感器获取从特制光开关传来的阵列光斑，根据公式计算出FBG光栅波长的各个位移量Δλ，进而识别各个FBG传感器的信号，本发明能检测并识别出多FBG微信号，实现快速精确测量温度压力图像解调，并以测罐装天然气内部温度和压力为例，提供了实现该方法的一种装置。

权利要求书
1.  基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法，其特征在于，在两根 光纤上分别串接多个FBGs传感器，每个FBGs传感器的反射光先经过各自对 应的1*2耦合器，再经触发器触发、存储FBGs传感器信息，接着触发选择与 2*2光开关某一通路连接，汇集在一个受限平面内，再通过聚焦透镜汇聚成 阵列光斑并被INGAAS图像传感器获取，根据公式计算出FBG 光栅波长的各个位移量Δλ，进而识别各个FBGs传感器的信号，其中p为像 素尺寸，Δp为像素偏移个数，f为摄像头焦距，D为镜头到景物的距离。

2.  根据权利要求1所述基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法， 其特征在于，对于n个节点，每个节点需要测量温度和压力两个参数，具体 实现方法如下：传感单元每个节点的FBGn1传感器反射信号与第一个1*2耦合 器输入端相连，FBGn2传感器反射信号与第二个1*2耦合器输入端相连，其中： n为节点个数；FBGn1传感器是测量温度的传感器；FBGn2传感器是测量温度和 压力的传感器。

3.  一种基于FBG传感器的温度压力测量图像解调装置，其特征在于，包 括相互平行且靠近的两根光纤，在两根光纤相同距离位置处刻制FBGs传感 器，第一根光纤与第一个1*2耦合器输入端相连，第二根光纤与第二个1*2 耦合器输入端相连，各个1*2耦合器的输出信号经触发器触发选择的2*2光 开关相应通道后，再通过聚焦透镜，送入至INGAAS图像传感器，INGAAS图 像传感器连接有图像处理模块。

4.  根据权利要求3所述基于FBG传感器的温度压力测量图像解调装置， 其特征在于，所述触发器中内置一个存储器，由触发器优先选择某一路FBGs 信号，在存储器记录存储该FBGs信号的位置信息以及改变时间信息。

说明书基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法与装置
技术领域
本发明属于FBG传感器应用领域，涉及对FBG传感器的多信号分析识别， 尤其是涉及到一种基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法与装置。
背景技术
信号识别技术的本质是对传感光栅(FBG)反射谱进行实时监测，分析出 中心波长的位置。也就是需要把信号从光信号变成电信号，再从电信号转为 数字信号的过程。对于FBG传感系统，通常要求解调系统具有很高的解调速 度和精度，实现动态和静态都能检测，并且能够检测微弱光信号，检测微弱 光信号的能力越强，光纤光栅传感系统能够复用的传感光栅就越多，测量点 相应也越多，但目前都受到限制，到目前为止，还没有一种识别技术能同时 满足高分辨率、多物理量、多点复用检测且成本不高的实用化要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于FBG传 感器的温度压力测量传感信号识别方法与装置，能分离和识别出温度压力微 信号，并智能感知信息识别方法，实现同时、精确和测量温度和压力；本发 明还提供了实现该方法的一种装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法，在两根光纤上分别串接 多个FBGs传感器，每个FBGs传感器的反射光先经过各自对应的1*2耦合器， 再经触发器触发、存储FBGs传感器信息，接着触发选择与2*2光开关某一通 路连接，汇集在一个受限平面内，再通过聚焦透镜汇聚成阵列光斑并被 INGAAS图像传感器获取，根据公式计算出FBG光栅波长的各 个位移量Δλ，进而识别各个FBGs传感器的信号，其中p为像素尺寸，Δp为 像素偏移个数，f为摄像头焦距，D为镜头到景物的距离。
对于n个节点，每个节点需要测量温度和压力两个参数，具体实现方法 如下：传感单元每个节点的FBGn1传感器反射信号与第一个1*2耦合器输入端 相连，FBGn2传感器反射信号与第二个1*2耦合器输入端相连，其中：n为节 点个数；FBGn1传感器是测量温度的传感器；FBGn2传感器是测量温度和压力的 传感器。
本发明还提供了一种基于FBG传感器的温度压力测量图像解调装置，包 括相互平行且靠近的两根光纤，在两根光纤相同距离位置处刻制FBGs传感 器，第一根光纤与第一个1*2耦合器输入端相连，第二根光纤与第二个1*2 耦合器输入端相连，各个1*2耦合器的输出信号经触发器触发选择的2*2光 开关相应通道后，再通过聚焦透镜，送入至INGAAS图像传感器，INGAAS图 像传感器连接有图像处理模块。
所述触发器中内置一个存储器，由触发器优先选择某一路FBGs信号，在 存储器记录存储该FBGs信号的位置信息以及改变时间信息。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)能实现温度压力同时测量，并能解决温度压力相互干扰现象。
2)以图像显示，较直观。
3)用现有波长调制技术往往要识别出一个传感信号，需至少对应三组参 数才能得出，且算法较复杂，不适合、多点测量。
4)与现有FBG光斑图像解调相比，硬件上少了几个镜片，能大大节约空 间，便于集成。
5)提出一种图像识别技术，通过触发器、存储器和光开关，选择和记录 FBGs位置和时序信息，进行FBGs优先级选择，使FBG光斑图像上光斑大大 减少，便于标定。
6)提出新的FBG光斑识别标定技术，结合FBGs位置信息和光强确定相 应阈值并设置不同颜色，根据颜色进行FBG标定识别；还有FBG前后发生位 置漂移，与实际物理量变化幅度一样存在连续性；采用时序结合FBG中心坐 标变化曲线连续性比对，通过对光斑图像除噪，边界检测，寻找中心点来进 行FBG光斑一一标定。
7)此方法不需要用多少光开关来控制FBGs信号传递，具有较强的波分 复用能力和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明的测量原理示意图，黑色箭头表示入射光，虚线箭头表示 反射光。
图2是本发明带存储器的2*2触发器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于FBG传感器的温度压力测量图像解调方法，在两 根光纤上分别串接多个FBGs传感器，每个FBGs传感器的反射光先经过各自 对应的1*2耦合器，再经触发器触发、存储FBGs信息，接着触发选择与2*2 光开关某一通路连接，汇集在一个受限平面内，再通过聚焦透镜汇聚成阵列 光斑并被INGAAS图像传感器获取，根据公式计算出FBG光栅 波长的各个位移量Δλ，进而识别各个FBGs传感器的信号，其中p为像素尺 寸，Δp为像素偏移个数，f为摄像头焦距，D为镜头到景物的距离。
假设有n个节点，每个节点需要测量温度和压力两个参数，则布置本发 明的识别装置，用光纤将节点串起来，每个节点布置一个FBG传感器，FBGn1 传感器反射信号与第一个1*2耦合器输入端相连，FBGn2传感器反射信号与第 二个1*2耦合器输入端相连n为节点个数；FBGn1传感器是测量温度的传感器； FBGn2传感器是测量压力的传感器。
根据ΔλT＝λB×(α+ξ)ΔT和得出待测的温度和 压力变化量ΔT和ΔP，其中，α为热膨胀系数，ξ为热光系数，p12 和p11为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，E为弹性模量，λB为FBG初 始波长neff为为有效折射系数。
如图2所示，本发明的触发器中内置一个存储器，通过触发器优先选择 FBG信号，在存储器记录存储该FBGs信号的位置和改变时间等信息。由于外 界参量值发生变化时，相对应的FBGs也会发生波长漂移，既而也会产生微小 电压变化，由电压变化设计触发器，并触发相应光开关通道，在存储器记录 下当前FBGs发生变化的时间、位置信息等。根据电压变化选择相应FBG并触 发光开关。
若有m个传感信号，则在INGaAS上形成具有m个光斑的图像，经2*2 光开关进行FBG优先级选择和记录对应FBG时序和位置信息等其中，m等于 FBG传感器的数量。
本发明的一个应用例，用于测量天然气管道的温度和压力变化，可以在 天然气管壁粘贴第一传感器FBGs系列，距离第一光栅FBG系列距离很近放置 第二传感器FBGs系列，能自由运动，第一传感器的反射信号与第一个1*2 耦合器输入端相连，第二传感器的反射信号与第二个1*2耦合器输入端相连， 将两根半径均为0.3mm的金属套管附着在天然气管壁上，把两根光纤分别插 入一根金属套管里，第一根金属套管固定，另一根在一定范围运动自由，两 根光纤在相同距离位置处刻制FBG传感器，两根套管相距很近且平行。
第一根传感器FBGs系列测量因温度变化引起FBGs的波长变化值Δλ1，第 二根传感器FBGs系列测量因温度和压力共同变化引起波长变化值的两倍记 为Δλ2，则Δλ2-Δλ1为压力变化引起波长漂移值。
因此，本发明解决了FBG传感器对温度和压力变化引起的应力变化交叉 感染现象，能同时分离和识别两个不同参数；FBG图像识别采集法就是把波 长漂移变化变为检测光斑图像位移变化，这种方法不仅能识别多点、温度压 力信息，能大大减少空间，缩短识别时间，而且对推广应用大型FBG传感网 络有实际意义。