[发明专利]一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感器

说明书

本发明公开了一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感器，其特征在于，包括一个或多个准分布式光纤压力传感器、传输光纤、光时域反射仪（OTDR）和数据处理模块；所述的分布式光纤压力传感器，通过所述传输光纤将信号传递到光时域反射仪（OTDR）进行解调并将信息传递至所述数据处理模块进行进一步的处理，分析计算出传感区域内的压力分布情况；所述分布式光纤压力传感器由一根弱反射点阵列光纤采用平行折返均匀错位的铺设方式构成，这种方式可以在不增加成本的情况下在局部提高传感器的分辨率（达到厘米级），可以应用于动态称重中轮胎压力、胎宽、单双胎及车辆跨道或并行等异常行驶状态的测量和识别，以及其他小范围高分辨率的分布式压力测量场景。

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及低成本、高空间分辨率的准分布式压力传感系统。

背景技术

目前，针对货运车辆超重行驶的动态称重技术被广泛应用，这种称重技术相对传统的地磅法，不需要车辆进入专门的称重站，也不需要车辆停止后才称重，不干扰车辆的正常行驶，具有高效性、实时性，逐渐成为治理超重的有效检测手段。动态称重技术中，为了提高检测的准确度，需要传感器对车辆轮胎的胎宽、单双胎及车辆跨道或并行等异常行驶进行测量和识别，从而对称重的结果进行修正。而针对车辆轮胎的胎宽、单双胎及车辆跨道或并行等异常行驶状态的检测和识别的传感器目前主要以阵列式石英传感器为主，这种传感器是一种由按一定间隔排列的石英压力传感器和数据采集器组成，主要用来检测行驶车辆的轮胎宽度，不仅价格昂贵而且结构复杂，精度也有限，达不到厘米级。

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。对于许多工业应用有许多吸引力。分布式应力或压力传感器目前主要应用在大型结构的应力应变监测，如桥梁、隧道、堤坝等，米级的空间分辨率和百公里级的测量范围让光纤分布式传感器在这些应用场景中拥有无可比拟的优势。弱反射点阵列光纤作为一种新型的准分布式传感光纤，在光纤上周期性写入弱反射点，弱反射点之间的间隔就是准分布式传感器的空间分辨率，从而提高了瑞利反射信号的信噪比，使用低成本的光时域反射仪（OTDR）进行解调时拥有更高的定位精度和可靠性，然而受光时域反射仪（OTDR）时间分辨率的限制，弱反射点光纤的空间分辨率只能达到1m。目前针对厘米级的分布式传感方案，大多采用成本高昂结构复杂光频域反射仪（OFDR）进行解调。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种低成本、高空间分辨率（厘米级）的准分布式光纤压力传感系统。

发明内容

为了克服现有分布式压力传感器的不足，本发明的目的是提供一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感系统，应用于动态称重中轮胎压力以及胎宽、单双胎及跨道等测量，以及其他小范围高分辨率的分布式压力测量场景。

一种低成本、高空间分辨率的准分布式光纤压力传感器，包括一个或多个准分布式光纤压力传感器、传输光纤、光时域反射仪（OTDR）和数据处理模块；准分布式光纤压力传感器，通过传输光纤将信号传递到光时域反射仪（OTDR）进行解调并将信息传递至所述数据处理模块进行进一步的处理，分析计算出传感区域上的压力分布情况；准分布式光纤压力传感器由一根弱反射点阵列光纤构成，包括压力传感区和非压力传感区，压力传感区作为压力感知有效区域，感知压力的变化与分布情况。

弱反射点阵列光纤为单模光纤，光纤纤芯上加工有多个弱反射点组成的阵列，相邻弱反射点之间的间距固定且相等，可采用飞秒激光直写技术在单模光纤的纤芯上写入弱反射点，也可以采用准分子激光等方法将弱反射点写入到单模光纤的纤芯上，加工采用自动化加工设备，制备过程中通过控制弱反射点之间的间隔控制弱反射点阵列光纤的本征空间分辨率（如米级）。

光时域反射仪（OTDR）可以探测到光纤的光时域反射曲线，OTDR发出的脉冲光信号在光纤中传输时会发生瑞利散射，散射光会沿相反方向传输到OTDR中被接收，光在光纤中不同位置产生的散射光回到OTDR的时间不同，OTDR通过这种时延来计算该产生该信号的位置，具体计算公式如下：