光纤光栅声发射和温度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种光纤光栅声发射和温度传感器，其包括用光纤（２）连接的激光器（１）、光纤光栅（４）、接收单元（５）及与所述激光器（１）和所述接收单元（５）电连接的控制单元（６）；所述激光器（１）的出射光入射所述光纤光栅（４），经所述光纤光栅（４）后进入所述接收单元（５）；所述接收单元（５）包含光探测元件，将光信号转换为电信号，并向所述控制单元（６）提供反馈；所述激光器（１）有一操纵参量，所述激光器（１）的工作波长随所述操纵参量变化，所述的控制单元（６）控制所述操纵参量的大小，使所述激光器（１）的工作波长保持在所述光纤光栅（４）的共振峰斜坡的指定位置上。本发明专利技术不怕电磁干扰，信号传输距离远，并且能够同时监测温度和声发射信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器，更具体地说，本专利技术涉及监测声波和温度的传感器。
技术介绍
声发射技术是一种先进的无损检测技术，它通过探测和分析被测物自身发出的声波获知被测物内部损伤、断裂、变形等信息，该技术在石油、化工、电力、航空航天、金属加工、水利水电等领域有着广泛应用。声发射技术的关键元件是对声波进行采集和探测的声发射传感器。现有的声发射传感器如中国专利CN101673B、CN87214610U和ZL96200752.8公开的声发射传感器，均是基于压电陶瓷或压电晶体材料制造的，其不足之处是(1)怕电磁干扰，(2)信号传输距离短，(3)只能监测声发射信号，不能同时监测温度。现有声发射传感器的上述不足限制了声发射技术在某些领域的推广应用，例如，对于电力变压器局部放电监测来说，声发射技术是一种非常理想的监测技术，它不但能够测定局部放电的大小，还能够对局部放电源进行定位，但由于现有声发射传感器无法在强电磁场环境下工作，限制了该技术的实际应用。还有些场合需要同时监测声发射信号和环境温度，若采用现有的声发射传感器，需要另行安装温度传感器，这样无疑大大增加了经济成本。此外，现有声发射传感器信号传输距离短，远程监测能力差，亦给其实际应用带来不便。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有声发射传感器存在的怕电磁干扰、不能远程监测、不能同时监测温度的技术问题，提供一种基于光纤材料的、不怕电磁干扰、信号传输距离远、能够同时监测声波与温度的光纤光栅声发射和温度传感器。为了解决上述问题，本专利技术提出的光纤光栅声发射和温度传感器包括用光纤连接的激光器、光纤光栅、接收单元及与所述激光器和所述的接收单元电连接的控制单元；所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经光纤光栅后进入所述的接收单元；所述接收单元包含光探测元件，将光信号转换为电信号，并向所述控制单元提供反馈；所述激光器有一操纵参量，所述激光器的工作波长随所述操纵参量变化；所述控制单元控制所述操纵参量的大小，使所述激光器的工作波长保持在所述光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。本专利技术所述的光纤光栅和接收单元之间可以是透射式连接，其中，所述的激光器、光纤光栅和接收单元顺序连接，所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经所述光纤光栅透射后进入所述接收单元。在所述激光器和所述光纤光栅之间还可以接一个光分路器，所述激光器的出射光经该光分路器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅，经光纤光栅透射后进入所述接收单元，另一路直接进入所述接收单元。本专利技术所述的光纤光栅和接收单元之间也可以是反射式连接，此时，在所述激光器和所述光纤光栅之间接一个光耦合元件，所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经光纤光栅反射后通过该光耦合元件进入所述接收单元。在所述激光器和所述光耦合元件之间还可以接一个光分路器，所述激光器的出射光经该光分路器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅，经光纤光栅反射后通过所述的光耦合元件进入所述接收单元，另一路直接进入所述接收单元。本专利技术所述的光耦合元件可以为2×2光耦合器，所述激光器的出射光经该2×2光耦合器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅，经光纤光栅反射后通过该2×2光耦合器进入所述接收单元，另一路直接进入所述接收单元。本专利技术所述的激光器可以采用分布反馈半导体激光器，所述的操纵参量为激光器管芯温度。在本专利技术的一个实施例中，所述的光纤光栅可以采用相移光纤光栅，所述的激光器采用光纤光栅分布反馈激光器或光纤光栅分布布拉格反射器激光器，所述激光器的工作波长位于所述相移光纤光栅的透射共振峰的斜坡上，所述的操纵参量可以是温度或应变。在本专利技术的另一个实施例中，包括多组激光器以及相应的光纤光栅和接收单元，所述的控制单元同时接收来自多个接收单元的电反馈信号并控制多个激光器的操纵参量的大小，使每一个激光器的工作波长保持在各自对应的光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。此时，所述的激光器可以采用光纤光栅激光器，所述光纤光栅激光器可以共用一个泵浦源。本专利技术的工作原理如下所述激光器的工作波长位于所述光纤光栅的共振峰的斜坡上，如图1a和1b所示。图1a为光纤光栅的透射谱，横坐标为波长，纵坐标为透射率；图1b为光纤光栅的反射谱，横坐标为波长，纵坐标为反射率；图中虚线表示激光器的工作波长位置。所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经光纤光栅透射或反射后进入所述接收单元。光纤光栅的共振波长是温度的线性函数，当温度变化时，光纤光栅的共振峰的波长位置发生移动，导致光纤光栅透射或反射回来的光信号的强度发生变化。所述接收单元检测光信号的强度变化并提供一个反馈信号给所述控制单元，控制单元接收来自接收单元的反馈信息，调节激光器的操纵参量的大小，使激光器的工作波长保持在光纤光栅共振峰斜坡的指定位置上。这样一来，激光器的工作波长对光纤光栅的共振峰位置进行实时跟踪，由激光器工作波长可以知道光纤光栅的共振波长。由于激光器的工作波长是由所述的操纵参量控制的，由操纵参量可以知道激光器的工作波长，进而知道光纤光栅共振波长和温度大小。因此，本专利技术能够监测温度。当有声发射波作用于光纤光栅时，声压导致光纤光栅共振峰位置移动，进而导致经光纤光栅透射或反射回来的光信号的强度发生变化。声发射波的频率通常在数Hz至数MHz之间，其所引起的光纤光栅共振峰移动呈现为高频振荡式的往返移动，相应的经光纤光栅透射或反射回来的光信号的强度变化也呈现为高频变化。检测该高频变化，能够获知声发射波的相关信息。假设光纤光栅的光强透射函数为T(λ)，入射光纤光栅的光信号的强度为Iin，则从光纤光栅透射出来的光信号的强度为It＝IinT(λin) (1)若作用于光纤光栅的声信号为p＝pasinωat，其中，pa为声压幅度，ωa为角频率，则声发射信号作用下的透射光强度为It=Im···(2)]]>上式可改写为It=Iin···(3)]]>由于光纤光栅对压力的响应灵敏度比较低，声压引起的光纤光栅共振峰位置的移动非常小，声发射波的作用不会导致激光器的工作波长“移出”光纤光栅共振峰斜坡的线性区域，因此，式(3)可简化为It＝Iin(4)其中，η＝dT(λin)/dλ为光纤光栅透射谱斜坡的斜率，ξ＝dλ/dp为单位声压引起的光纤光栅共振波长移动。同样地，可以得到声压作用下经光纤光栅反射回来的光信号强度表达式Ir＝Iin[R(λin)|p＝0+ρξpasinωat (5)其中，R(λ)＝1-T(λ)为光纤光栅的光强反射函数，ρ＝dR(λin)/dλ为光纤光栅反射谱斜坡的斜率。由(4)、(5)两式可知，经光纤光栅透射或反射回来的光信号强度的交流分量包含了声压幅度和角频率信息，接收单元检测光强度的交流分量可以获知声发射波的相关信息。因此，本专利技术能够监测声发射信号。由于温度变化比较缓慢，其所引起的光纤光栅共振峰的移动亦比较缓慢，而声发射信号是一种高频信号，其所引起的光纤光栅共振峰的移动呈现为高频振荡式的往返移动，激光器的工作波长只跟踪温度变化导致的光纤光栅共振峰的缓慢移动，声发射信号不会影响温度测量结果。因此，本专利技术能够同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅声发射和温度传感器，其特征在于，包括用光纤（２）连接的激光器（１）、光纤光栅（４）、接收单元（５）及与所述激光器（１）和所述接收单元（５）电连接的控制单元（６）；所述激光器（１）的出射光入射所述光纤光栅（４），经所述光纤光栅（４）后进入所述接收单元（５）；所述接收单元（５）包含光探测元件，将光信号转换为电信号，并向所述控制单元（６）提供反馈；所述激光器（１）有一操纵参量，所述激光器（１）的工作波长随所述操纵参量变化；所述控制单元（６）控制所述操纵参量的大小，使所述激光器（１）的工作波长保持在所述光纤光栅（４）的共振峰斜坡的指定位置上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：关柏鸥，
申请(专利权)人：关柏鸥，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]