专利名称：一种具有大动态范围的光纤传感装置及其操作方法
技术领域：
本发明属光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光信号强度变化的、大动态范围光纤传感装置及其操作方法。
背景技术：
光纤传感装器由于相对传统传感其具有诸多优点而成为当前国内外研究的热点之一，其中基于光信号强度变化的弯曲、微弯原理的传感装置相对于其他光纤传感器具有结构简单、光路封闭、成本低、易于构建分布式传感装置等优点。微弯光纤传感器虽已具有较大的测试动态范围，但在对滑坡、泥石流、地震、以及大型人工建筑物等大变形、长期的监测时，仍会遇到测试动态范围不足的问题，若能解决该问题，则一方面可以延长已敷设的微弯光纤传感装置使用寿命，又能大幅度降低成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种具有大动态范围的光纤传感装置及操作方法，利用不同波长的光信号在微弯光纤中传输时的损耗大小不同，从而可以扩展微弯光纤传感装置的动态范围，即保持了微弯光纤传感装置高精度的特点，又不影响其低成本的优点，为该类光纤传感装置的推广使用提供了良好的基础。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种具有大动态范围的光纤传感装置，包括上齿板、下齿板和夹持在两个齿板间的信号光纤，和信号光纤连接的光源�？楹凸馓讲馄鳎龅墓庠茨？橹辽侔礁龉庠矗宜龅拿扛龉庠此⒊龅�、入射到信号光纤内的光信号的波长是不同的。所述的光源�？槟诎仓糜泄夥致菲鳎龉夥致菲鞯氖淙攵撕凸庠戳樱涑龆撕托藕殴庀肆�。所述的光源�？槟诎仓糜泄饪兀龅墓饪氐氖淙攵擞敫鞲龉庠戳樱饪氐墓彩涑龆擞胄藕殴庀肆�。所述的信号光纤的一端安置有光反射装置。所述的光探测器和信号光纤间设置有光滤波器，所述的光滤波器的光波滤波范围至少覆盖了光源�？橹幸桓龉庠此⒊龅墓庑藕诺牟ǔ�。所述的光源�？槟诎仓玫氖瞧寮す夤庠�、固体激光光源、染料激光光源、半导体激光光源或它们的组合。上述光纤传感装置的操作方法，步骤如下I)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近时，首先启动光源模块中发出的光信号波长最长的光源，并通过光探测�？榻屑嗖猓�2)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近到一定程度时，信号光纤的弯曲损耗使进入信号光纤的光信号大幅度减少，在达到光探测模块下限时，启动光源�？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔご纬さ墓庠矗⑼ü馓讲饽？榻屑嗖猓佣锏皆黾庸庀舜凶爸玫牟馐远段У哪康�。还包括步骤3)，所述步骤3)光源�？橹邪ㄈ隹梢苑⒊霾煌ǔす庑藕诺墓庠矗鄙铣莅�、下齿板随着待测参量变化相互靠近到一定程度时，信号光纤的弯曲损耗使进入信号光纤的、光源�？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔご纬さ墓庠吹墓庑藕糯蠓燃跎伲诖锏焦馓讲饽？橄孪奘保舳庠茨？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔさ谌さ墓庠矗⑼ü馓讲饽？榻屑嗖�。上述光纤传感装置的操作方法，步骤如下I)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近时，光源�？橹械墓庠淳舳⑼ü馓讲饽？榻屑嗖猓捎谒龅墓饴瞬ㄆ鞯墓獠瞬ǚ段Ц哺橇斯庠茨？樗⒊龅墓庑藕诺牟ǔそ隙痰墓庠矗怨馓讲饽？橹荒芴讲獾焦庠茨？樗⒊龅墓庑藕诺牟ǔそ铣さ墓庠吹墓庑藕牛�2)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近到一定程度时，信号光纤的弯曲损耗使进入信号光纤的光信号大幅度减少，在达到光探测�？橄孪奘保迫ニ龅墓饴瞬ㄆ鳎⑼ü馓讲饽？榻屑嗖猓馐保馓讲饽？橹荒芴讲獾焦庠茨？樗⒊龅墓庑藕诺牟ǔそ隙痰墓庠吹墓庑藕�。所述光源�？橹杏锌梢苑⒊霾ǔな堑谌さ墓庑藕诺墓庠矗夜馓讲饽？橹杏杏胫杂Φ墓饴瞬ㄆ�。不仅是微弯类型的光纤传感装置，只要是基于光信号强度的、与光信号波长相关的光纤传感装置，均可采用上述装置和方法来达到增加测试动态范围的目的。本发明与现有技术相比具有以下优点1、具有大动态范围的光纤传感装置，通过安置两个或两个以上的、发出光信号波长不同的光纤，就可以大幅度的增加光纤传感装置的测试动态范围，提高了精度、延长了光纤传感装置的使用寿命；2、具有大动态范围的光纤传感装置，结构简单、精度高、使用寿命长，更利于推广使用；综上所述，本发明结构简单、设计合理、灵敏度高、使用效果好，具有大动态范围的光纤传感装置，可以具有更大的潜力适应复杂的实际应用环境，使本发明的装置具有更好的精度、更长的使用寿命。下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明第一具体实施方式
的示意图。图2为本发明第二具体实施方式
的示意图。图3为本发明第三具体实施方式
的示意图。图4为本发明第四具体实施方式
的示意图。图5为本发明第一具体操作步骤实施方式的示意图。图6为本发明第三具体操作步骤实施方式的示意图。图7为本发明第四具体操作步骤实施方式的示意图。附图标记说明
1-延长光纤；2_光探测�？椋�3_光源�？椋�4-下齿板；5_上齿板；6_信号光纤；7-第一光源；8_第二光源；9_第一光分路器；10-光滤波器；11-光反射器；12-控制处理单元；15-第二光分路器；20-光开关；101-步骤一 ；102_步骤二 ；103_步骤三；104_步骤四；105-步骤五；106-步骤六；107-步骤七；108-步骤八；109-步骤九；201-步骤一 ；202_步骤二 ；203_步骤三；204_步骤四；205-步骤五；206_步骤六；207_步骤七；208_步骤八；209-步骤九；210-步骤十；211_步骤^^一 ；301-步骤一 ；302_步骤二 ；303_步骤三；304_步骤四；305-步骤五；306_步骤六；307_步骤七；308_步骤八；309-步骤九。
具体实施例方式实施例1如图1所示，本发明包括上齿板5、下齿板4和夹持在两个齿板间的信号光纤6，和信号光纤6连接的光源�？�3和光探测器2，特别是:所述的光源模块3至少包括两个光源，且所述的每个光源所发出的、入射到信号光纤内6的光信号的波长是不同的，其中第一光源7输出的光信号波长大于第二光源8所发出的光信号的波长,第一光源7和第二光源8通过第一光分路器9、延长光纤I与信号光纤6连接,控制处理单兀12与光源�？�3和光探测器2电连接。不同波长的光信号在同一个有弯曲的信号光纤6中传输时,光信号的波长越长，其弯曲损耗越大，利用这一特点，在微弯光纤传感装置中，可先将第一光源7输出的光信号耦合进入信号光纤6中，随着待测物理量的变化，光信号的损耗也在变化，当第一光源7输出的、耦合进入信号光纤6中的光信号由于弯曲损耗增大到一定程度而无法由光探测器2监测时，将第二光源8输出的光信号耦合进入信号光纤6中继续由光探测器2监测，这样就扩大了该微弯光纤传感装置的动态范围，延长了该光纤传感装置的使用寿命。如第一光源采用波长1550nm的半导体激光光源，第二光源采用的是1310nm的半导体激光光源，光探测器模块采用的是可检测750-1700nm波长光信号的光电耦合器，就可以实现上述的扩大微弯光纤传感装置监测动态范围的目的。一种具有大动态范围的光纤传感装置的操作方法，如图4，其步骤如下:步骤一 101:开始测试；步骤二 102:启动光源�？�3中的第一光源7 ；步骤三103:用光探测器2检测；步骤四104:判断，光探测�？�2所检测的光信号的功率是否减小到光探测器2所能检测的下限值，若否，则返回步骤三103 ;若是，则跳转到步骤五105 ；步骤五105:关闭光源�？�3中的第一光源7 ；
步骤六106 :启动光源�？�3中的第二光源8 ；步骤七107 :进行测试；步骤八108 :判断，光探测�？�2所检测的光信号的功率是否减小到光探测器2所能检测的下限值，若否，则返回步骤七107 ;若是，则跳转到步骤九109 ；步骤九109 :关闭电源，结束测试。优选的，在光源�？�3中包括三个可以发出不同波长光信号的光源，当光源�？�3中第二光源8的光信号大幅度减少，在达到光探测器2下限时，启动光源模块3中具有更短波长光信号的第三光源，并通过光探测器2进行监测。优选的，光源�？�3内安置的是气体激光光源、固体激光光源、染料激光光源、半导体激光光源或它们的组合。实施例2如图2所示，本实施例中，与实施例1不同的是光源�？�3与光探测器2通过第二光分路器15、延长光纤I与信号光纤6连接，在信号光纤6的另一端安置有光反射器11。则光源�？�3中发出的光信号经过第二光分路器15进入信号光纤6的光信号在光反射器11又返回，并通过第二光分路器15进入光探测器2中，由于光信号2次经过信号光纤6，所以进一步增加了该微弯传感器的精度和灵敏度。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例3如图3所示，本实施例中，包括上齿板5、下齿板4和夹持在两个齿板间的信号光纤6，所述的信号光纤6与光源�？�3和光探测器2连接，特别是所述的光源�？�3至少包括两个光源，且所述的每个光源所发出的、入射到信号光纤内6的光信号的波长是不同的，其中第一光源7输出的光信号波长大于第二光源8所发出的光信号的波长，第一光源7和第二光源8通过第一光分路器9、延长光纤I与信号光纤6连接，控制处理单元12与光滤波器10和光探测器2电连接。在光探测�？�2前安置有光滤波器10，光滤波器10将光源�？�3中的第二光源8所发出的光信号滤除，而允许第一光源7所发出的光信号通过。将第一光源7输出的光信号耦合进入信号光纤6中，随着待测物理量的变化，光信号的损耗也在变化，当第一光源7输出的、耦合进入信号光纤6中的光信号由于弯曲损耗增大到一定程度而无法由光探测器2监测时，控制处理单元12控制光滤波器10允许第二光源8输出的光信号通过，并进入光探测器2中，这样就扩大了该微弯光纤传感装置的动态范围，延长了该光纤传感装置的使用寿命。如第一光源采用波长1550nm的半导体激光光源，第二光源采用的是1310nm的半导体激光光源，光探测器�？椴捎玫氖强杉觳�750_1700nm波长光信号的光电耦合器，就可以实现上述的扩大微弯光纤传感装置监测动态范围的目的。一种具有大动态范围的光纤传感装置的操作方法，如图5，其步骤如下步骤一 201:开始测试；步骤二 202 :启动光源�？�3中的第一光源7和第二光源8 ；步骤三203 :用光滤波器10滤除第二光源8的光信号；步骤四204 :用光探测器2检测；
步骤五205 :判断，光探测�？�2所检测的光信号的功率是否减小到光探测器2所能检测的下限值，若否，则返回步骤四204 ;若是，则跳转到步骤六206 ；步骤六206 ;控制处理单元12控制光滤波器10允许第二光源8的光信号通过；步骤八208 :进行测试；步骤九209 :判断，光探测器2所检测的光信号的功率是否减小到光探测器所能检测的下限值，若否，则返回步骤八208 ;若是，则跳转到步骤十210 ；步骤十210 :关闭电源，结束测试。在上述步骤中，在步骤六206 ;和步骤八208之间有步骤七207 :关闭光源�？�3中的第一光源7 ;虽说由于信号光纤6对第一光源7的光信号已耗散殆尽,是否关闭第一光源7对测试结果几乎无影响，但从节约能源的角度和提高测试仪器的可靠性来说，优选的是关闭第一光源7。实施例4如图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是光源�？�3内安置有光开关20，所述光开关20的输入端分别与光源7和光源8连接,光开关20公共输出端与信号光纤6连接。一种具有大动态范围的光纤传感装置的操作方法，如图7，其步骤如下步骤一 301:开始测试；步骤二 302 :启动光源�？�3中的第一光源7，同时光开关20选择使第一光源I发出的光信号进入信号光纤6;步骤三303 :用光探测器2检测；步骤四304 :判断，光探测模块2所检测的光信号的功率是否减小到光探测器2所能检测的下限值，若否，则返回步骤三303 ;若是，则跳转到步骤五305 ；步骤五305 :关闭光源�？�3中的第一光源7 ；步骤六306 :启动光源模块3中的第二光源8，同时光开关20选择使第二光源8发出的光信号进入信号光纤6;步骤七307 :进行测试；步骤八308 :判断，光探测�？�2所检测的光信号的功率是否减小到光探测器2所能检测的下限值，若否，则返回步骤七307 ;若是，则跳转到步骤九309 ；步骤九109 :关闭电源，结束测试。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。强度型光纤传感装置其检测过程中均与微弯光纤传感装置类似，其光信号强度的变化也均与光信号波长的长短有关，也可以采用本发明的方法来扩大其光纤传感装置的动态范围。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种具有大动态范围的光纤传感装置，包括上齿板、下齿板和夹持在两个齿板间的信号光纤，和信号光纤连接的光源�？楹凸馓讲馄鳎涮卣髟谟�:所述的光源模块至少包括两个光源，且所述的每个光源所发出的、入射到信号光纤内的光信号的波长是不同的。
2.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于:所述的光源模块内安置有光分路器，所述光分路器的输入端和光源连接，输出端和信号光纤连接。
3.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于:所述的光源�？槟诎仓糜泄饪兀龅墓饪氐氖淙攵擞敫鞲龉庠戳樱饪氐墓彩涑龆擞胄藕殴庀肆�。
4.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于:所述的信号光纤的一端安置有光反射装置。
5.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于:所述的光探测器和信号光纤间设置有光滤波器，所述的光滤波器的光波滤波范围至少覆盖了光源模块中一个光源所发出的光信号的波长。
6.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于:所述的光源模块内安置的是气体激光光源、固体激光光源、染料激光光源、半导体激光光源或它们的组合。
7.权利要求1-4任一项所述的光纤传感装置的操作方法，其特征在于:步骤如下: 1)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近时，首先启动光源�？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔぷ畛さ墓庠矗⑼ü� 光探测�？榻屑嗖猓� 2)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近到一定程度时，信号光纤的弯曲损耗使进入信号光纤的光信号大幅度减少，在达到光探测�？橄孪奘保舳庠茨？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔご纬さ墓庠矗⑼ü馓讲饽？榻屑嗖猓佣锏皆黾庸庀舜凶爸玫牟馐远段У哪康�。
8.根据权利要求7所述的操作方法，其特征在于:还包括步骤3)，所述步骤3)光源模块中包括三个可以发出不同波长光信号的光源，当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近到一定程度时，信号光纤的弯曲损耗使进入信号光纤的、光源�？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔご纬さ墓庠吹墓庑藕糯蠓燃跎伲诖锏焦馓讲饽？橄孪奘保舳庠茨？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔさ谌さ墓庠矗⑼ü馓讲饽？榻屑嗖�。
9.权利要求5所述的光纤传感装置的操作方法，其特征在于:步骤如下: 1)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近时，光源�？橹械墓庠淳舳⑼ü馓讲饽？榻屑嗖猓捎谒龅墓饴瞬ㄆ鞯墓獠瞬ǚ段Ц哺橇斯庠茨？樗⒊龅墓庑藕诺牟ǔそ隙痰墓庠矗怨馓讲饽？橹荒芴讲獾焦庠茨？樗⒊龅墓庑藕诺牟ǔそ铣さ墓庠吹墓庑藕牛� 2)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近到一定程度时，信号光纤的弯曲损耗使进入信号光纤的光信号大幅度减少，在达到光探测�？橄孪奘保迫ニ龅墓饴瞬ㄆ鳎⑼ü馓讲饽？榻屑嗖猓馐保馓讲饽？橹荒芴讲獾焦庠茨？樗⒊龅墓庑藕诺牟ǔそ隙痰墓庠吹墓庑藕拧�
10.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于:所述光源�？橹杏锌梢苑⒊霾ǔな堑谌さ墓庑藕诺墓庠�,且光探测模块中有与之对应的光滤波器。
全文摘要
一种具有大动态范围的光纤传感装置及操作方法，该装置包括上齿板、下齿板和夹持在两个齿板间的信号光纤，和信号光纤连接的光源�？楹凸馓讲馄鳎庠茨？橹辽侔礁龉庠矗颐扛龉庠此⒊龅�、入射到信号光纤内的光信号的波长是不同的；该方法步骤为1)当上齿板、下齿板随着待测参量变化相互靠近时，首先启动光源�？橹蟹⒊龅墓庑藕挪ǔぷ畛さ墓庠矗⑼ü馓讲馄鹘屑嗖猓�2)随着上齿板、下齿板的相互靠近，进入信号光纤的光信号大幅度减少，在达到光探测器下限时，启动光源模块中发出的光信号波长次长的光源，并通过光探测器监测；利用不同波长的光信号在微弯光纤中传输时的损耗大小不同，从而可以扩展微弯光纤传感装置的动态范围。
文档编号G01D5/353GK103076032SQ20111032987
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
