一种基于光开关的FBG传感器网络监测系统

摘要

本发明提供一种基于光开关的FBG传感器网络监测系统，属于光纤光栅传感器网络。包括光纤光栅解调仪(1)、光开关(2)、第一耦合器(3)、第二耦合器(5)、分布式FBG传感器网络(4)；FBG传感器网络(4)包括N根并行的FGB传感器支路。当分布式FBG传感器网络(4)中部分FBG传感器或传输光纤发生故障并导致网络中部分完好FBG传感器的信号得不到解调时，可以通过切换光开关改变光传输路径，为受影响的完好FBG传感器提供新的信号传输路径，使这些FBG传感器的信号全部或部分重新得到解调，从而尽可能减少故障对整个分布式FBG传感器网络的影响，最终提高分布式FBG传感器网络的可靠性。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种FBG传感器网络监测系统，应用于智能材料、航空航天器、机械结构、土木建筑等领域。

背景技术：

各种航空航天飞行器中，结构在服役中将受到各种载荷和突发性外在因素的影响而出现局部损伤，且损伤的模式复杂多样，使得损伤预报与判别的难度加大。光纤FBG传感器(Fiber Bragg Grating，FBG)因具有质量轻、体积小、耐腐蚀、易于实现分布式等独特优点，在智能材料中得到了广泛的应用。若在结构的关键点安置FBG传感器网络，且配备恰当的数据分析和记录设备，即可知道结构部件的负载历史，从而对结构的实际承载能力做出较真实的评估，以提高航空航天结构的生存能力。美国诺斯罗普-格鲁门公司将FBG传感器安装在F-18战斗机机翼蒙皮上，实时在线检测机翼上受力分布及结构损伤。波音公司在新型飞机7E7上采用FBG传感器网络对其结构健康状况进行监测；日本横滨长跨径悬索大桥采用由20个FBG传感器构成的网络对其状态进行实时监测；洛克希德-马丁公司采用FBG传感器网络监测X-33箱体结构的应力和温度场的变化。

工程应用中，FBG监测系统的传感网络通常连接成分布式或准分布式网络并埋置或粘贴在监测结构中。这种网络拓扑结构的缺点是当传感器网络某处发生损伤或断裂时，位于其后的所有传感器均会受到影响，且一旦出现故障很难对其进行修复。随着FBG传感器网络系统应用的不断扩展，其可靠性已成为迫切需要解决的问题。目前人们普遍通过增强FBG传感器的保护来提高其网络的可靠性，这种方法一方面会增加FBG传感器的成本，另一方面会增加FBG传感器的直径，进而影响被监测结构的性能。

发明内容

发明目的：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中提出的FBG传感器网络监测系统存在的缺点，提出了基于光开关的FBG传感器网络监测系统。

技术方案：

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种基于光开关的FBG传感器网络监测系统，包括光纤光栅解调仪、光开关、第一耦合器、第二耦合器、分布式FBG传感器网络；其中光纤光栅解调仪的输出端与光开关的输入端相连接，光开关的输出端分别与第一耦合器的输入端、第二耦合器的输入端相连接，第一耦合器的输出端、第二耦合器的输出端分别与分布式FBG传感器网络的两端连接。

进一步的，本发明的基于光开关的FBG传感器网络监测系统中分布式FBG传感器网络包括N根并行的FGB传感器支路，其中每根FGB传感器支路由M个FGB传感器及和传输光纤串联组成，其中每个传感器的中心波长不同，N、M分别为≥2的正整数。

进一步的，本发明的基于光开关的FBG传感器网络监测系统中光纤光栅解调仪采用Si425解调仪。

有益效果：

本发明通过在传统FBG传感器网络监测系统中引入光开关，当FBG传感器网络监测系统中的某个FBG传感器或某段传输光纤受损或断裂时，通过对光开关进行切换，为受影响的全部或部分完好FBG传感器重新提供传输路径，使网络中尽可能多的完好传感器信号得到解调，从而在不需要改变单个FBG传感器可靠性的情况下提高整个FBG传感器网络的可靠性。

附图说明：

图1是本发明的FBG传感器网络监测系统。

图2是分布式FBG传感器网络。

图3是传统FBG传感器网络监测系统。

图中各标号名称：1、光纤光栅解调仪，2、光开关，3、第一耦合器，4、FBG传感器网络，5、第二耦合器，6、7、8、9、均为FBG传感器，10、传输光纤。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图1所示，是本发明的FBG传感器网络监测系统，包括光纤光栅解调仪1、光开关2、第一耦合器3、第二耦合器5、分布式FBG传感器网络4；其中光纤光栅解调仪1的输出端与光开关2的输入端相连接，光开关2的输出端分别与第一耦合器3的输入端、第二耦合器5的输入端相连接，第一耦合器3的输出端、第二耦合器5的输出端分别与分布式FBG传感器网络4的两端连接。系统中所需的元器件均可以直接购买，其中光纤光栅解调仪1可采用Si425解调仪。

图2是分布式FBG传感器网络。图中的网络包含两条支路，每一条支路由不同中心波长的多个FBG传感器串联而成，每个FBG传感器放置于被测对象上需要监测的部位，当被测量如应变或温度发生变化时，对应的FBG传感器的中心波长发生变化，通过分析中心波长的变化量，即可获得待测量的变化情况，从而实现对监测对象的实时、在线监测。

光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口。其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。光开关和光放大、光信号储存等都是光学装置材料，光开关可以在皮秒(10-12秒)内进行操作。目前它以铌酸锂和镓铝砷化合物为基础，从电子工业中脱胎形成。有一些新的材料，如液晶、聚乙炔等都比铌酸锂有更好的光学效用。

图3是传统FBG传感器网络监测系统，当传感器网络某处发生损伤或断裂时，位于其后的所有传感器均会受到影响，且一旦出现故障很难对其进行修复。而本发明的FBG传感器网络，当FBG传感器网络中所有传感器均正常工作时，无论光开关处于任何状态，所有传感器的信号均能得到解调；如果网络中某个FBG传感器或某段传输光纤发生故障，由于本发明设置的传感器网络中每个传感器的中心波长不同，所以通过采集到的网络中FBG传感器中心波长的变化可判断发生故障的FBG传感器或传输光纤，在确定了网络中的损伤点之后，进一步判断是否对光开关进行切换，如果切换后能使网络中较多的FBG传感器信号得到解调，则使光开关切换至传感器网络的另外一端，使尽可能多的传感器信号得到采集，从而在分布式FBG传感器网络发生中部分传感器不能正常工作的情况下，尽可能提高监测精度，实现对结构的健康监测。