一種基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統的製作方法

2023-05-15 22:34:56

專利名稱：一種基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖光柵傳感監測領域，尤其涉及一種用於光纖光柵工程監測的具有 自動採集、遠程傳輸的監測設備及其利用該設備實現監測的方法。
背景技術：
光纖光柵是利用光纖的光敏特性，用雷射幹涉條紋照射光纖，將一定工作波長的 光柵寫進纖芯，製作成光纖布拉格光柵。光纖光柵傳感是利用光纖光柵的平均折射率和柵 格周期對外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉化為其布拉格波長的移動。當光柵周 圍的溫度、應變、應力或其它待測物理量發生變化時，光柵柵格周期或纖芯折射率會隨之發 生變化，從而使光柵中心波長產生漂移。因此，光纖光柵中心波長的變化反映了外界被測物 理量的變化情況，通過監測光柵中心波長的變化情況，即可獲得待測物理量的變化情況。光纖光柵的傳感信息採用波長編碼的方式，將具有不同中心波長的光柵傳感器用 傳輸光纖串接在起，安裝在監測點，形成準分布式光柵監測網絡，通過專用的解調設備檢測 光柵陣列的中心波長，並對數據進行分析、處理，可獲得監測點的待測物理量，實現多點同 時監測。光纖光柵傳感技術中，信號檢測過程是一個解調過程。光信號檢測技術是研究從 被調製的信號中還原出原始信號的解調技術，還原得到的信號與被測物理量成一定的線性 關係。當被測物理量(如應力等)變化時，光纖布拉格光柵的中心波長將會移動，而且中心波 長的移動量與被物理量的變化成線性關係。光纖光柵傳感器的探測量是光柵反射的中心波 長的移動量，與光源的強度及波動無關，與光的偏振態無關，所以它抗幹擾能力很強，而且 可以很方便地利用波分復用技術、時分復用技術和空分復用技術構成光纖光柵傳感網絡， 實現準分布式傳感測量。信號檢測是光纖光柵傳感系統中的關鍵技術之一，傳感解調系統的實質是一個信 息轉換和傳遞的檢測系統，它能準確、迅速地測量出信號幅度的大小並無失真地再現被測 參數隨時間的變化過程，待測參數(動態的或靜態的)不僅要測量其幅值，而且需記錄和跟 蹤其整個變化過程。目前，許多大專院校和公司都相繼開發出光纖光柵監測解調儀，但大多只解調出 光纖光柵的中心波長，並未直接給出對應的待測物理量的信息，需要利用相關軟體或人為 計算待測物理量。同時在實際應用中沒有實現在無人職守情況下的自動採集與數據遠程傳 輸的功能，使光纖光柵解調儀在工程的應用存在局限性。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其可以克服 現有技術的缺陷，實現在無人職守情況下的實時自動採集數據與遠程傳輸，從而使得遠距 離的監測控制成為可能。為實現上述目的，本發明採取以下設計方案一種基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，包括有ASE寬帶光源、光環行器、光纖 光柵傳感陣列、波長解調模塊及為各單元提供所需電源的電源控制模塊；所述的ASE寬帶 光源產生的寬帶光入射光環行器的輸入埠，經其輸出埠輸出，接入光柵傳感器陣列，光 柵陣列反射的光信號通過光環行器反射埠送入波長解調模塊；該系統中設有中心控制單 元及數據傳輸模塊，所述的中心控制單元以嵌入式微處理器為核心器件，安裝有可實現數 據自動採集、遠程傳輸的光纖光柵數據處理應用軟體；該監測系統採用模塊化結構設計，所 述的ASE寬帶光源、光環行器、波長解調模塊、中心控制單元、數據傳輸模塊及電源控制模 塊集中在一系統機箱內，所述的光纖光柵傳感器陣列安裝在監測點，通過該監測系統機箱 面板上的光輸入接口，將光柵陣列反射的光信號輸入該監測系統，波長解調模塊將接收的 光信號解調為電信號；中心控制單元通過電腦程式對波長解調模塊解調的電信號進行實 時採集和處理，通過分析、處理最終解算出監測點的待測物理量，並自動保存原始信號及解 算的被測物理量信息；數據傳輸模塊通過無線公網將監測點的原始波長信號及解算出的物 理量信息傳輸至數控中心。所述的無線公網選用GPRS無線公網。所述中心控制單元的計算機編程模塊中的控制軟體採用Labview平臺編寫。 所述波長解調模塊選用美國Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解調模塊，採 用USB接口方式。所述光纖光柵數據處理應用程式中設定默認的工作模式為自動測量模式，點擊 「人工測量」可進入人工測量模式。監測系統還配置可將太陽能轉化成電能存儲在蓄電池中的太陽能板，為系統提供 電源。所述的電源控制模塊通過單片機控制繼電器的閉合，進而控制上述各個模塊電源 的通斷，降低系統功耗。所述光環行器至少具有寬帶光輸入、輸出及反射三個埠。本發明的優點是
1)本發明基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統通過安裝於中心控制單元的光纖 光柵數據處理軟體設置採集時間、採集間隔，進入自動監測模式，實現數據的自動採集、處 理、保存、傳輸，在無人值守的情況下實現工程實時監測，其運行可靠，採集的數據準確，適 合於推廣使用；
2)通過數據傳輸模塊將監測數據通過GPRS無線公網從監測點傳輸至數控中心，數據 傳輸模塊的實時在線功能利於數據的遠程傳輸，是一種適合工程應用的光纖光柵監測解調 設備；
3)根據光纖光柵中心波長漂移和被測物理量之間的關係，對監測現場採集的光柵波長 數據通過光纖光柵監測解調軟體直接解算出被測物理量，並可實時顯示、保存、傳輸，其結 果直觀，操作簡便；
4)通過電源控制模塊，控制監測系統各部分電源的通斷，降低功耗，適合於野外工程應用。


圖1為本發明基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統結構示意圖。圖2 為本發明FBGA USB接口連線圖。圖3為本發明軟體工作流程圖。圖4為本發明光纖光柵數據處理系統應用程式軟體流程圖。圖如為本發明電源穩壓濾波電路圖(12V/5V)。圖恥為本發明電源穩壓濾波電路圖(12V/12V)。圖6為本發明數據傳輸模塊電源電路圖(12V/9V)。圖7為本發明繼電器控制電路圖。圖8本發明控制信號電路圖。下面結合附圖及具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。
具體實施例方式參閱圖1所示的實施方案，本發明基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統包括 有寬帶光源1、光環行器2、光纖光柵傳感陣列3、波長解調模塊4、中心控制單元5、數 據傳輸模塊6、電源控制模塊7、太陽能板8和蓄電池9。寬帶光源1的輸出端接光環行器2 的輸入口，光環行器2輸出口輸出的光掃描入射光纖光柵傳感陣列3，光纖光柵陣列3的 反射光通過光環行器2的反射口進入波長解調模塊4，波長解調模塊4將光信號解調為波 長電信號，中心控制單元通過光纖光柵數據處理軟體時採集這些波長電信號，計算出光纖光 柵中心波長的漂移，根據波長漂偏移和被測物理量的關係計算出被測物理量的變化量，將中 心波長和被測物理量保存、顯示，通過GPRS無線公網將監測數據傳輸至數控中心。電源控制 模塊通過單片機控制繼電器的閉合，進而控制各個模塊電源的通斷，降低系統功耗。太陽能板 將太陽能轉化成電能存儲在蓄電池中，向基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統供電。所述寬帶光源1選用ASE (放大自發輻射)寬帶光源，具有輸出功率大、穩定度高等 優點。根據傳感器的中心波長，在寬帶光源輸出光譜範圍內，每個傳感器佔用一定的光譜範 圍，從該光譜範圍內根據傳感器的初始波長和測試波長，計算出傳感器的波長漂移。ASE光 源的供電電源+5V，電源紋波小於IOOmV,波長輸出範圍1525 1565nm，光輸出端接頭方式 為 FC/APC。所述光環行器2是一種多埠輸入輸出的非互易器件，具有正向順序導通而反向 傳輸阻止的特性，可以完成正傳輸光與反射光的分離。本發明選用三埠光環行器，光接頭 方式為FC/APC。所述光纖光柵傳感陣列3由一組不同中心波長的光纖光柵傳感器串聯組成，將傳 感器未受外界物理量影響的波長作為初始波長。傳感器安裝後，每次測量的波長作為測量 波長，測量波長和初始波長的差即為傳感器的波長漂移量。光柵傳感陣列中，不同的光柵傳 感器初始中心波長不同，波長漂移時佔用的光譜範圍也不同，由此，可實現對測量傳感器的 精確定位。所述波長解調模塊4可選用美國Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解調模 塊，該模塊的優點是響應速度快，熱穩定性能好，可實現對光柵傳感器波長的快速檢測。波 長解調模塊的供電電源+5V，電源紋波小於100mV，光輸入端接頭方式為FC/APC。波長解調
5模塊和中心控制單元可以通過並口、串口和USB方式進行通訊，考慮到USB方式具有接口靈 活、通訊快捷的特點，在基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統中採用USB方式。連線方 式見圖2。所述的中心控制單元5主要實現採集參數的設置、光纖光柵傳感器波長的採集、 被測物理量計算、實時顯示、輸出和保存以及對整個系統的控制。本發明的中心控制單元以 嵌入式微處理器為核心，採用WindowsXP為作業系統，其上安裝光纖光柵數據處理應用程 序，具有人性化的可視界面，方便地進行參數設置和測試結果的實時顯示。所述的光纖光柵數據處理系統應用程式啟動後，默認的工作模式為自動測量模 式，軟體的工作流程圖如圖3所示。點擊「人工測量」可進入人工測量模式。所述的自動模式工作流程為首先打開信息記錄文件，檢測解調模塊的工作狀態。 當解調模塊工作正常時，讀取採集時間和傳感器參數，根據當前時間判斷是否到達採集時 間。當到達採集時間，進行數據採集，計算被測物理量，將測量信息以文件方式保存，同時將 數據通過數據傳輸模塊傳輸至數控中心，然後根據採集間隔計算下次採集時間，將下次採 集時間、採集間隔寫入採集時間文件，並將下次採集時間、採集間隔和本次採集完成指令發 送到電源控制模塊，電源控制模塊接到指令，斷開各部分電源，系統進入休眠模式。當到達 採集時間，系統會自動喚醒，接通各模塊電源，進入工作狀態。在自動採集模式中，為方便查 看每次測量工作狀態，將工作狀態信息存入特定的信息文件中。當解調模塊工作狀態不正 常時，將當前時間、解調模塊錯誤信息寫入信息文件，並向電源控制模塊發送關機-重啟指 令，同時關閉中心控制單元。電源控制模塊接到該指令，斷開解調模塊電源，延時1分鐘後， 重新接通解調模塊和中心控制單元電源，啟動光纖光柵數據處理應用軟體，檢測解調模塊 狀態，狀態正常，則進行自動採集。如果不正常，則再次發送關機-重啟指令，反覆3次，解 調模塊狀態均不正常，則向數控中心發送出錯信息，監測人員接到信息，根據錯誤提示進行 相應的處理。所述的人工模式工作流程圖為首先設置傳感器參數和自動採集的時間及間隔， 然後對解調模塊進行初始化，檢測解調模塊的工作狀態，讀取解調模塊的採集參數。當解調 模塊的工作狀態正常，採集數據，並實時地動態地顯示每個光柵傳感器的波長，根據傳感器 波長和被測物理量之間的關係計算被測物理量，並以圖表的方式實時顯示。為方便操作人 員使用，光纖光柵監測解調應用軟體具有各項操作提示，操作簡單實用。針對基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統可直接解算出被測物理量數據的 功能，所述的應用軟體根據光纖光柵傳感器的不同類型，計算傳感器測試結果。對於應變傳 感器，根據
&ε = Ki^l -If0) +^(In -Iro)-αΔΤ(I)
B=1000-2. 3XK(2)
AT = 100^-(3)
式中，Δ ε為應變，單位為μ ε，K為應變傳感器應變係數，λ ε 1為應變傳感器測試 波長，λ ε 0為傳感器基準波長(初次測試波長)，λ Tl溫度傳感器測試波長，λ TO溫度傳感 器基準波長，B為溫度校準係數，α為被測物體熱膨脹係數，Δ T為溫度變化量。根據1，2， 3式計算出傳感器的應變值。
對於位移傳感器，根據
權利要求
1.一種基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，包括有ASE寬帶光源、光環行器、光 纖光柵傳感陣列、波長解調模塊及為各單元提供所需電源的電源控制模塊；所述的ASE寬 帶光源產生的寬帶光入射光環行器的輸入埠，經其輸出埠輸出，接入光柵傳感器陣列， 光柵陣列反射的光信號通過光環行器反射埠送入波長解調模塊；其特徵在於該系統中設有中心控制單元及數據傳輸模塊，所述的中心控制單元以嵌入式微處理器 為核心器件，安裝有可實現數據自動採集、遠程傳輸的光纖光柵數據處理應用軟體；該監測系統採用模塊化結構設計，所述的ASE寬帶光源、光環行器、波長解調模塊、中 心控制單元、數據傳輸模塊及電源控制模塊集中在一系統機箱內，所述的光纖光柵傳感器 陣列安裝在監測點，通過該監測系統機箱面板上的光輸入接口，將光柵陣列反射的光信號 輸入該監測系統，波長解調模塊將接收的光信號解調為電信號；中心控制單元通過光纖光 柵數據處理應用程式對波長解調模塊解調的電信號進行實時採集和處理，通過分析、處理 最終解算出監測點的待測物理量，並自動保存原始信號及解算的被測物理量信息；數據傳 輸模塊通過無線公網將監測點的原始波長信號及解算出的物理量信息傳輸至數控中心。
2.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於所 述的無線公網選用GPRS無線公網。
3.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於所 述中心控制單元安裝的光纖光柵數據處理應用軟體採用Labview平臺編寫。
4.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於所 述波長解調模塊選用美國Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解調模塊，採用USB接口 方式。
5.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於所 述光纖光柵數據處理應用程式中設定默認的工作模式為自動測量模式，點擊「人工測量」可 進入人工測量模式。
6.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於所 述的電源控制模塊通過單片機控制繼電器的閉合，進而控制各個模塊電源的通斷。
7.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於配 置太陽能板，該太陽能板可將太陽能轉化成電能存儲在蓄電池中，為監測系統提供電源。
8.根據權利要求1所述的基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，其特徵在於所 述光環行器至少具有寬帶光輸入、輸出及反射三個埠。
全文摘要
一種基於遠程傳輸的嵌入式光纖光柵監測系統，包括寬帶光源、光環行器、光纖光柵傳感器陣列、波長解調模塊、中心控制單元、數據傳輸模塊及電源控制模塊。寬帶光源產生的寬帶光入射光環行器的輸入口，經其輸出口接入光纖光柵傳感器陣列，光柵陣列反射的光信號被送入波長解調模塊，波長解調模塊將光信號解調為電信號；中心控制單元通過光纖光柵數據處理的應用軟體，對該信號進行實時採集和處理，並自動存儲原始信號和解算出的被測物理信息，再由數據傳輸模塊通過無線公網將監測點的信息傳輸至數控中心；電源控制模塊通過單片機控制繼電器的閉合，從而控制上述各個部分電源的通斷，達到降低功耗的目的。
文檔編號G08C17/02GK102062616SQ20101058670
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者史彥新, 孟憲瑋, 張曉飛, 張青, 曾克, 郝文杰, 韓永溫 申請人:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心