專利名稱：一種基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵傳感監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種用于光纖光柵工程監(jiān)測的具有 自動采集、遠程傳輸?shù)谋O(jiān)測設(shè)備及其利用該設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)測的方法。
背景技術(shù)：
光纖光柵是利用光纖的光敏特性，用激光干涉條紋照射光纖，將一定工作波長的 光柵寫進纖芯，制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(zhuǎn)化為其布拉格波長的移動。當光柵周 圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時，光柵柵格周期或纖芯折射率會隨之發(fā) 生變化，從而使光柵中心波長產(chǎn)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(jiān)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采用波長編碼的方式，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(jiān)測點，形成準分布式光柵監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過專用的解調(diào)設(shè)備檢測 光柵陣列的中心波長，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理，可獲得監(jiān)測點的待測物理量，實現(xiàn)多點同 時監(jiān)測。光纖光柵傳感技術(shù)中，信號檢測過程是一個解調(diào)過程。光信號檢測技術(shù)是研究從 被調(diào)制的信號中還原出原始信號的解調(diào)技術(shù)，還原得到的信號與被測物理量成一定的線性 關(guān)系。當被測物理量(如應(yīng)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(guān)系。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(guān)，與光的偏振態(tài)無關(guān)，所以它抗干擾能力很強，而且 可以很方便地利用波分復(fù)用技術(shù)、時分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)準分布式傳感測量。信號檢測是光纖光柵傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感解調(diào)系統(tǒng)的實質(zhì)是一個信 息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測系統(tǒng)，它能準確、迅速地測量出信號幅度的大小并無失真地再現(xiàn)被測 參數(shù)隨時間的變化過程，待測參數(shù)(動態(tài)的或靜態(tài)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(fā)出光纖光柵監(jiān)測解調(diào)儀，但大多只解調(diào)出 光纖光柵的中心波長，并未直接給出對應(yīng)的待測物理量的信息，需要利用相關(guān)軟件或人為 計算待測物理量。同時在實際應(yīng)用中沒有實現(xiàn)在無人職守情況下的自動采集與數(shù)據(jù)遠程傳 輸?shù)墓δ埽构饫w光柵解調(diào)儀在工程的應(yīng)用存在局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其可以克服 現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)在無人職守情況下的實時自動采集數(shù)據(jù)與遠程傳輸，從而使得遠距 離的監(jiān)測控制成為可能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案一種基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，包括有ASE寬帶光源、光環(huán)行器、光纖 光柵傳感陣列、波長解調(diào)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(chǎn)生的寬帶光入射光環(huán)行器的輸入端口，經(jīng)其輸出端口輸出，接入光柵傳感器陣列，光 柵陣列反射的光信號通過光環(huán)行器反射端口送入波長解調(diào)模塊；該系統(tǒng)中設(shè)有中心控制單 元及數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù) 據(jù)自動采集、遠程傳輸?shù)墓饫w光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件；該監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，所 述的ASE寬帶光源、光環(huán)行器、波長解調(diào)模塊、中心控制單元、數(shù)據(jù)傳輸模塊及電源控制模 塊集中在一系統(tǒng)機箱內(nèi)，所述的光纖光柵傳感器陣列安裝在監(jiān)測點，通過該監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)，波長解調(diào)模塊將接收的 光信號解調(diào)為電信號；中心控制單元通過計算機程序?qū)ΣㄩL解調(diào)模塊解調(diào)的電信號進行實 時采集和處理，通過分析、處理最終解算出監(jiān)測點的待測物理量，并自動保存原始信號及解 算的被測物理量信息；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過無線公網(wǎng)將監(jiān)測點的原始波長信號及解算出的物 理量信息傳輸至數(shù)控中心。所述的無線公網(wǎng)選用GPRS無線公網(wǎng)。所述中心控制單元的計算機編程模塊中的控制軟件采用Labview平臺編寫。 所述波長解調(diào)模塊選用美國Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解調(diào)模塊，采 用USB接口方式。所述光纖光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序中設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)還配置可將太陽能轉(zhuǎn)化成電能存儲在蓄電池中的太陽能板，為系統(tǒng)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(tǒng)功耗。所述光環(huán)行器至少具有寬帶光輸入、輸出及反射三個端口。本發(fā)明的優(yōu)點是
1)本發(fā)明基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝于中心控制單元的光纖 光柵數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)置采集時間、采集間隔，進入自動監(jiān)測模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、處 理、保存、傳輸，在無人值守的情況下實現(xiàn)工程實時監(jiān)測，其運行可靠，采集的數(shù)據(jù)準確，適 合于推廣使用；
2)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS無線公網(wǎng)從監(jiān)測點傳輸至數(shù)控中心，數(shù)據(jù) 傳輸模塊的實時在線功能利于數(shù)據(jù)的遠程傳輸，是一種適合工程應(yīng)用的光纖光柵監(jiān)測解調(diào) 設(shè)備；
3)根據(jù)光纖光柵中心波長漂移和被測物理量之間的關(guān)系，對監(jiān)測現(xiàn)場采集的光柵波長 數(shù)據(jù)通過光纖光柵監(jiān)測解調(diào)軟件直接解算出被測物理量，并可實時顯示、保存、傳輸，其結(jié) 果直觀，操作簡便；
4)通過電源控制模塊，控制監(jiān)測系統(tǒng)各部分電源的通斷，降低功耗，適合于野外工程應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 為本發(fā)明FBGA USB接口連線圖。圖3為本發(fā)明軟件工作流程圖。圖4為本發(fā)明光纖光柵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件流程圖。圖如為本發(fā)明電源穩(wěn)壓濾波電路圖(12V/5V)。圖恥為本發(fā)明電源穩(wěn)壓濾波電路圖(12V/12V)。圖6為本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸模塊電源電路圖(12V/9V)。圖7為本發(fā)明繼電器控制電路圖。圖8本發(fā)明控制信號電路圖。下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)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(fā)明基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)包括 有寬帶光源1、光環(huán)行器2、光纖光柵傳感陣列3、波長解調(diào)模塊4、中心控制單元5、數(shù) 據(jù)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(huán)行器2 的輸入口，光環(huán)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(huán)行器2的反射口進入波長解調(diào)模塊4，波長解調(diào)模塊4將光信號解調(diào)為波 長電信號，中心控制單元通過光纖光柵數(shù)據(jù)處理軟件時采集這些波長電信號，計算出光纖光 柵中心波長的漂移，根據(jù)波長漂偏移和被測物理量的關(guān)系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(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)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(tǒng)功耗。太陽能板 將太陽能轉(zhuǎn)化成電能存儲在蓄電池中，向基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)供電。所述寬帶光源1選用ASE (放大自發(fā)輻射)寬帶光源，具有輸出功率大、穩(wěn)定度高等 優(yōu)點。根據(jù)傳感器的中心波長，在寬帶光源輸出光譜范圍內(nèi)，每個傳感器占用一定的光譜范 圍，從該光譜范圍內(nèi)根據(jù)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，電源紋波小于IOOmV,波長輸出范圍1525 1565nm，光輸出端接頭方式 為 FC/APC。所述光環(huán)行器2是一種多端口輸入輸出的非互易器件，具有正向順序?qū)ǘ聪?傳輸阻止的特性，可以完成正傳輸光與反射光的分離。本發(fā)明選用三端口光環(huán)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(lián)組成，將傳 感器未受外界物理量影響的波長作為初始波長。傳感器安裝后，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，波長漂移時占用的光譜范圍也不同，由此，可實現(xiàn)對測量傳感器的 精確定位。所述波長解調(diào)模塊4可選用美國Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解調(diào)模 塊，該模塊的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，熱穩(wěn)定性能好，可實現(xiàn)對光柵傳感器波長的快速檢測。波 長解調(diào)模塊的供電電源+5V，電源紋波小于100mV，光輸入端接頭方式為FC/APC。波長解調(diào)
5模塊和中心控制單元可以通過并口、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，在基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)中采用USB方式。連線方 式見圖2。所述的中心控制單元5主要實現(xiàn)采集參數(shù)的設(shè)置、光纖光柵傳感器波長的采集、 被測物理量計算、實時顯示、輸出和保存以及對整個系統(tǒng)的控制。本發(fā)明的中心控制單元以 嵌入式微處理器為核心，采用WindowsXP為操作系統(tǒng)，其上安裝光纖光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程 序，具有人性化的可視界面，方便地進行參數(shù)設(shè)置和測試結(jié)果的實時顯示。所述的光纖光柵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)用程序啟動后，默認的工作模式為自動測量模 式，軟件的工作流程圖如圖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(diào)模塊的工作狀態(tài)。 當解調(diào)模塊工作正常時，讀取采集時間和傳感器參數(shù)，根據(jù)當前時間判斷是否到達采集時 間。當?shù)竭_采集時間，進行數(shù)據(jù)采集，計算被測物理量，將測量信息以文件方式保存，同時將 數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至數(shù)控中心，然后根據(jù)采集間隔計算下次采集時間，將下次采 集時間、采集間隔寫入采集時間文件，并將下次采集時間、采集間隔和本次采集完成指令發(fā) 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(tǒng)進入休眠模式。當?shù)竭_ 采集時間，系統(tǒng)會自動喚醒，接通各模塊電源，進入工作狀態(tài)。在自動采集模式中，為方便查 看每次測量工作狀態(tài)，將工作狀態(tài)信息存入特定的信息文件中。當解調(diào)模塊工作狀態(tài)不正 常時，將當前時間、解調(diào)模塊錯誤信息寫入信息文件，并向電源控制模塊發(fā)送關(guān)機-重啟指 令，同時關(guān)閉中心控制單元。電源控制模塊接到該指令，斷開解調(diào)模塊電源，延時1分鐘后， 重新接通解調(diào)模塊和中心控制單元電源，啟動光纖光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件，檢測解調(diào)模塊 狀態(tài)，狀態(tài)正常，則進行自動采集。如果不正常，則再次發(fā)送關(guān)機-重啟指令，反復(fù)3次，解 調(diào)模塊狀態(tài)均不正常，則向數(shù)控中心發(fā)送出錯信息，監(jiān)測人員接到信息，根據(jù)錯誤提示進行 相應(yīng)的處理。所述的人工模式工作流程圖為首先設(shè)置傳感器參數(shù)和自動采集的時間及間隔， 然后對解調(diào)模塊進行初始化，檢測解調(diào)模塊的工作狀態(tài)，讀取解調(diào)模塊的采集參數(shù)。當解調(diào) 模塊的工作狀態(tài)正常，采集數(shù)據(jù)，并實時地動態(tài)地顯示每個光柵傳感器的波長，根據(jù)傳感器 波長和被測物理量之間的關(guān)系計算被測物理量，并以圖表的方式實時顯示。為方便操作人 員使用，光纖光柵監(jiān)測解調(diào)應(yīng)用軟件具有各項操作提示，操作簡單實用。針對基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)可直接解算出被測物理量數(shù)據(jù)的 功能，所述的應(yīng)用軟件根據(jù)光纖光柵傳感器的不同類型，計算傳感器測試結(jié)果。對于應(yīng)變傳 感器，根據(jù)
&ε = Ki^l -If0) +^(In -Iro)-αΔΤ(I)
B=1000-2. 3XK(2)
AT = 100^-(3)
式中，Δ ε為應(yīng)變，單位為μ ε，K為應(yīng)變傳感器應(yīng)變系數(shù)，λ ε 1為應(yīng)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為溫度校準系數(shù)，α為被測物體熱膨脹系數(shù)，Δ T為溫度變化量。根據(jù)1，2， 3式計算出傳感器的應(yīng)變值。
對于位移傳感器，根據(jù)
權(quán)利要求
1.一種基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，包括有ASE寬帶光源、光環(huán)行器、光 纖光柵傳感陣列、波長解調(diào)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(chǎn)生的寬帶光入射光環(huán)行器的輸入端口，經(jīng)其輸出端口輸出，接入光柵傳感器陣列， 光柵陣列反射的光信號通過光環(huán)行器反射端口送入波長解調(diào)模塊；其特征在于該系統(tǒng)中設(shè)有中心控制單元及數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程傳輸?shù)墓饫w光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件；該監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，所述的ASE寬帶光源、光環(huán)行器、波長解調(diào)模塊、中 心控制單元、數(shù)據(jù)傳輸模塊及電源控制模塊集中在一系統(tǒng)機箱內(nèi)，所述的光纖光柵傳感器 陣列安裝在監(jiān)測點，通過該監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)，波長解調(diào)模塊將接收的光信號解調(diào)為電信號；中心控制單元通過光纖光 柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序?qū)ΣㄩL解調(diào)模塊解調(diào)的電信號進行實時采集和處理，通過分析、處理 最終解算出監(jiān)測點的待測物理量，并自動保存原始信號及解算的被測物理量信息；數(shù)據(jù)傳 輸模塊通過無線公網(wǎng)將監(jiān)測點的原始波長信號及解算出的物理量信息傳輸至數(shù)控中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 述的無線公網(wǎng)選用GPRS無線公網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 述中心控制單元安裝的光纖光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件采用Labview平臺編寫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 述波長解調(diào)模塊選用美國Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解調(diào)模塊，采用USB接口 方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 述光纖光柵數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序中設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 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(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于配 置太陽能板，該太陽能板可將太陽能轉(zhuǎn)化成電能存儲在蓄電池中，為監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所 述光環(huán)行器至少具有寬帶光輸入、輸出及反射三個端口。
全文摘要
一種基于遠程傳輸?shù)那度胧焦饫w光柵監(jiān)測系統(tǒng)，包括寬帶光源、光環(huán)行器、光纖光柵傳感器陣列、波長解調(diào)模塊、中心控制單元、數(shù)據(jù)傳輸模塊及電源控制模塊。寬帶光源產(chǎn)生的寬帶光入射光環(huán)行器的輸入口，經(jīng)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(diào)模塊，波長解調(diào)模塊將光信號解調(diào)為電信號；中心控制單元通過光纖光柵數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件，對該信號進行實時采集和處理，并自動存儲原始信號和解算出的被測物理信息，再由數(shù)據(jù)傳輸模塊通過無線公網(wǎng)將監(jiān)測點的信息傳輸至數(shù)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(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)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(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心