专利名称：基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤光栅传感监测领域，尤其涉及一种用于光纤光栅工程监测的具有自动采集、远程传输的监测设备。
背景技术：
光纤光栅是利用光纤的光敏特性，用激光干涉条纹照射光纤，将一定工作波长的光栅写进纤芯，制作成光纤布拉格光栅。光纤光栅传感是利用光纤光栅的平均折射率和栅格周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动。当光栅周围的温度、应变、应力或其它被测物理量发生变化时，光栅栅格周期或纤芯折射率会随之发生变化，从而使光栅中心波长产生漂移。因此，光纤光栅中心波长的变化反映了外界被测物理量的变化情况，通过监测光栅中心波长的变化情况，即可获得被测物理量的变化情况。光纤光栅的传感信息采用波长编码的方式，将具有不同中心波长的光栅传感器用传输光纤串接在一起，安装在监测点，形成准分布式光栅监测网络，通过专用的解调设备检测光栅阵列的中心波长，并对数据进行分析、处理，可获得监测点的被测物理量，实现多点同时监测。光纤光栅传感技术中，信号检测过程是一个解调过程。光信号检测技术是研究从被调制的信号中还原出原始信号的解调技术，还原得到的信号与被测物理量成一定的线性关系。当被测物理量(如应力等)变化时，光纤布拉格光栅的中心波长将会移动，而且中心波长的移动量与被物理量的变化成线性关系。光纤光栅传感器的探测量是光栅反射的中心波长的移动量，与光源的强度及波动无关，与光的偏振态无关，所以它抗干扰能力很强，而且可以很方便地利用波分复用技术、时分复用技术和空分复用技术构成光纤光栅传感网络， 实现准分布式传感测量。信号检测是光纤光栅传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测参数随时间的变化过程，被测参数(动态的或静态的)不仅要测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。目前，许多大专院�：凸径枷嗉炭⒊龉庀斯庹ぜ嗖饨獾饕牵蠖嘀唤獾鞒龉庀斯庹さ闹行牟ǔぃ⑽粗苯痈龆杂Φ谋徊馕锢砹康男畔ⅲ枰孟喙厝砑蛉宋扑惚徊馕锢砹俊Ｍ痹谑导视τ弥忻挥惺迪衷谖奕酥笆厍榭鱿碌淖远杉胧菰冻檀涞墓δ埽构庀斯庹そ獾饕窃诠こ痰挠τ么嬖诰窒扌�。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其可以克服现有技术的缺陷，实现在无人职守情况下的实时自动采集数据与远程传输，从而使得远距离的监测控制成为可能。为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案[0009]一种基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，包括有宽带光源、光环行器、光纤光栅传感器阵列、波长解调�？榧拔鞯ピ峁┧璧缭吹牡缭纯刂颇？椋凰龅目泶庠床目泶馊肷涔饣沸衅鞯氖淙肟冢涫涑隹谑涑觯尤牍庹ご衅髡罅校庹ご衅髡罅械姆瓷涔庑藕磐ü饣沸衅鞣瓷淇谒腿氩ǔそ獾髂？椋桓孟低持猩栌兄行目刂频ピ笆荽淠？椋龅闹行目刂频ピ郧度胧轿⒋砥魑诵钠骷谥么娲⒂惺荽砟？椋桓眉嗖庀低巢捎媚？榛峁股杓疲龅目泶庠�、光环行器、波长解调�？�、中心控制单元、数据传输�？榧暗缭纯刂颇？榧性谝幌低郴淠冢龅墓庀斯庹ご衅髡罅邪沧霸诩嗖獾悖庹ふ罅蟹瓷涔庑藕啪饣沸衅鞯姆瓷淇谑淙敫眉嗖庀低常ǔそ獾髂？榻邮盏墓庑藕沤獾魑缧藕牛恢行目刂频ピ圆ǔそ獾髂？榻獾鞯牡缧藕沤惺凳辈杉痛硪缘玫奖徊馕锢砹浚⒆远４嬖夹藕偶氨徊馕锢砹啃畔ⅲ皇荽淠？橥ü尴吖嗖獾愕脑疾ǔば藕偶暗玫降奈锢砹啃畔⒋渲潦刂行摹Ｋ龅氖荽砟？榇娲⒂锌勺远杉氖菁霸冻檀涞墓庀斯庹な�。所述的数据传输�？橛胧刂行慕⒘唇樱湮谥肨CP/IP协议的无线数传�？椋萆柚玫墓ぷ鞑问远锹紾PRS无线公网，和数控中心一直保持链接。所述的波长解调模块是响应速度快、热稳定性能好的FBGA�？�。所述的电源�？槭怯傻テ酒刂萍痰缙鞯谋蘸希刂聘鞲瞿？榈缭吹耐ǘ希档拖低彻�。所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统供电方式有两种，当监测环境可利用交流电时，由AC-DC电源转换器将交流电转换为直流电向系统供电；当监测环境没有交流电时，用太阳能板向蓄电池充电，蓄电池向系统供电。所述的光源是增益平坦滤波器(GFF)的ASE宽带光源。所述的中心控制单元是嵌入式微处理器为核心，既可显示波长数据，又可显示计算出的被测物理量。所述光环行器至少具有宽带光输入、输出及反射三个端口。本实用新型的优点是1)本实用新型基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统可以实现数据的自动采集、处理、保存、传输，在无人值守的情况下实现工程实时监测，其运行可靠，采集的数据准确，适合于推广使用；2)通过数据传输模块将监测数据通过GPRS无线公网从监测点传输至数控中心， 数据传输�？榈氖凳痹谙吖δ芾谑莸脑冻檀洌且恢质屎瞎こ逃τ玫墓庀斯庹ぜ嗖饨獾魃璞福�3)通过电源控制模块，控制监测系统各部分电源的通断，降低功耗，适合于野外工
程应用。
图1为本实用新型基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统结构示意图。图2为本实用新型FBGA USB接口连线图。图3为本实用新型电源稳压滤波电路图(12V/5V)。图4为本实用新型电源稳压滤波电路图(12V/12V)。[0026]图5为本实用新型数据传输模块电源电路图(12V/9V)。图6为本实用新型继电器控制电路图。图7本实用新型控制信号电路图。
以下结合附图及具体实施方式
对本实用新型做进一步详细说明。
具体实施方式
参阅图1所示的实施方案，本实用新型基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统包括有宽带光源1、光环行器2、光纤光栅传感阵列3、波长解调模块4、中心控制单元 5、数据传输�？�6、电源控制模块7、太阳能板8和蓄电池9。宽带光源1的输出端接光环行器2的输入口，光环行器2输出口输出的光扫描入射光纤光栅传感阵列3，光纤光栅阵列 3的反射光通过光环行器2的反射口进入波长解调�？�4，波长解调�？�4将光信号解调为波长电信号，中心控制单元采集这些波长电信号，计算出光纤光栅中心波长的漂移，根据波长漂偏移和被测物理量的关系计算出被测物理量的变化量，将中心波长和被测物理量保存，通过GPRS无线公网将监测数据传输至数控中心。电源控制模块通过单片机控制继电器的闭合，进而控制各个�？榈缭吹耐ǘ希档拖低彻�。太阳能板将太阳能转化成电能存储在蓄电池中，向基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统供电。所述宽带光源1选用是具有GFF功能的ASE(放大自发辐射)宽带光源，具有输出功率大、稳定度高等优点。根据传感器的中心波长，在宽带光源输出光谱范围内，每个传感器占用一定的光谱范围，从该光谱范围内根据传感器的初始波长和测试波长，计算出传感器的波长漂移。ASE光源的供电电源+5V，电源纹波小于100mV，波长输出范围1525 1565nm， 光输出端接头方式为FC/APC。所述光环行器2是一种多端口输入输出的非互易器件，具有正向顺序导通而反向传输阻止的特性，可以完成正传输光与反射光的分离。本实用新型选用三端口光环行器，光接头方式为FC/APC。所述光纤光栅传感阵列3由一组不同中心波长的光纤光栅传感器串联组成，将传感器未受外界物理量影响的波长作为初始波长。传感器安装后，每次测量的波长作为测量波长，测量波长和初始波长的差即为传感器的波长漂移量。光栅传感阵列中，不同的光栅传感器初始中心波长不同，波长漂移时占用的光谱范围也不同，由此，可实现对测量传感器的精确定位。所述波长解调�？�4可选用美国Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解调�？椋媚？榈挠诺闶窍煊λ俣瓤欤任榷ㄐ阅芎茫墒迪侄怨庹ご衅鞑ǔさ目焖偌觳�。波长解调�？榈墓┑绲缭�+5V，电源纹波小于100mV，光输入端接头方式为FC/APC。波长解调�？楹椭行目刂频ピ梢酝ü⒖�、串口和USB方式进行通讯，考虑到USB方式具有接口灵活、通讯快捷的特点，在基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统中采用USB方式。连线方式见图2。所述的中心控制单元5主要实现光纤光栅传感器波长的采集、被测物理量计算和保存以及对整个系统的控制。中心控制单元上电启动后，有两种工作模式，人工测量模式和自动测量模式，默认的工作模式为自动测量模式，点击“人工测量”可进入人工测量模式。所述的人工模式工作流程图为首先设置传感器参数和自动采集的时间及间隔，然后对解调�？榻谐跏蓟觳饨獾髂？榈墓ぷ髯刺寥〗獾髂？榈牟杉问５苯獾髂？榈墓ぷ髯刺＃杉荩⑹凳钡囟叵允久扛龉庹ご衅鞯牟ǔぃ荽衅鞑ǔず捅徊馕锢砹恐涞墓叵导扑惚徊馕锢砹浚⒁酝急淼姆绞绞凳毕允�。所述的自动模式工作流程为根据设置的采集时间和采集间隔，进行自动采集。当到达采集时间，系统会自动唤醒，自动打开各�？榈牡缭矗氩饬孔刺饬渴荼４娌⑼ü尴叽淠？榉⑺停饬客瓯虾螅低匙远乇崭髂？榈缭矗胄菝咦刺恋较乱淮尾杉奔�。本实用新型的一实施例中，所述的数据传输模块6是型号为GF-2008WW的无线传输�？椤Ｊ？橥ü曜糝S232接口和中心控制单元连接，中心控制单元将监测信息(光栅波长数据及解算出的对应被测物理量)通过RS232发送到数传模块，数传�？槔肎PRS 无线公网，将传感器信息传输至数控中心，便于数据的统一管理与处理分析。所述的电源控制�？�7将供电电源输入的电压进行滤波，降低纹波，根据各�？槎缘缭吹囊螅怀筛髂？樾枰牡缪梗üテ刂萍痰缙鞅蘸希刂聘髂？榈缭吹耐ǘ希谙低巢还ぷ魇保笆鼻卸细髂？榈缭矗迪窒低车牡凸�。基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统采用直流电源供电，电压输入范围为 10-20V,电源控制�？槎酝獠抗┑绲缭唇新瞬ǎ档臀撇ǎ⒔�12V转换成其它�？樗璧牡缪埂C-DC直流转换模块选用美国VICOR公司的VI-J00、VI-J01电源�？�。图3、图4 为电源稳压滤波电路。图中Vl将输入电压转换成5V，然后经过C3、L2、C4滤波，降低电源纹波，处理后的 5V直流电源供ASE光源、解调�？槭褂�。以同样的处理方式，将输入电压转换成12V，供中心控制单元使用。由于数传�？榈牡缭词�9V，因此电源控制模块是通过A0Z1014芯片将12V转换成 9V，向数传�？樘峁┑缭�。具体方案如图5所示。由于基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统是用于工程长期监测，因此系统的整机功耗是一个非常重要的指标。为了降低功耗，通过单片机控制继电器的闭合，进而控制各个模块电源的通断，降低系统功耗。具体实现方案如图6。图中Vlaser为光源电源，Vfbga为波长解调电源�？榈缭�。当监测时，PFBG=I (即高电平)，JDl (继电器)导通，Vlaser=5Vout, Vfbga=5Vout ；当监测完后，PFBG=O (即低电平)，JDl 关闭，Vlaser=OV, Vfbga=OV0继电器的控制信号由单片机AT89C51的Pl 口控制，具体实现方案如图7所示。图中，P9V控制数据传输�？榈缭吹耐ǘ希琍9V=1,接通数据传输�？榈牡缭矗琍9V=0，断开电源；PFBG控制光源和解调�？榈缭吹耐ǘ希琍FBG=I,接通光源和解调�？榈牡缭矗琍FBG=O, 断开电源；PCPU控制中心控制单元电源的通断，PCPU=I,接通中心控制单元电源，PCPU=O, 断开电源。针对基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统远程传输的功能，通过数据传输�？�6，将监测数据通过GPRS无线公网从监测点传输至数控中心，所以利于数据的远程传输， 是一种适合工程应用的光纤光栅监测解调设备。由于工程监测设备在使用时受监测条件的限制，有些监测环境没有交流电。因此为方便工程监测，基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统的供电方式有两种，交流供电和太阳能供电两种方式。监测环境可接交流电时，采用220V/12V交流适配器，适配器输出 12V向监测系统供电。监测环境没有交流电时，采用太阳能供电方式，太阳能板将太阳能转化为电能存储在蓄电池中，蓄电池输出12V向监测系统供电。经实验表明，本实用新型最终实现的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统性能为解调速度200Hz，解调精度士5pm，实现无人值守情况下可自动采集、远程传输的功能。上述各实施例可在不脱离本实用新型的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本实用新型申请专利的保护范围。
权利要求1.一种基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，包括有宽带光源、光环行器、光纤光栅传感器阵列、波长解调模块及为各单元提供所需电源的电源控制�？椋凰龅目泶庠床目泶馊肷涔饣沸衅鞯氖淙肟冢涫涑隹谑涑觯尤牍庹ご衅髡罅校庹ご衅髡罅械姆瓷涔庑藕磐ü饣沸衅鞣瓷淇谒腿氩ǔそ獾髂？椋黄涮卣髟谟诟孟低持猩栌兄行目刂频ピ笆荽淠？椋龅闹行目刂频ピ郧度胧轿⒋砥魑诵钠骷谥么娲⒂惺荽砟？椋桓眉嗖庀低巢捎媚？榛峁股杓疲龅目泶庠�、光环行器、波长解调�？�、中心控制单元、数据传输模块及电源控制模块集中在一系统机箱内，所述的光纤光栅传感器阵列安装在监测点，光栅阵列反射光信号经光环行器的反射口输入该监测系统，波长解调�？榻邮盏墓庑藕沤獾魑缧藕牛恢行目刂频ピ圆ǔそ獾髂？榻獾鞯牡缧藕沤惺凳辈杉痛硪缘玫奖徊馕锢砹浚⒆远４嬖夹藕偶氨徊馕锢砹啃畔ⅲ皇荽淠？橥ü尴吖嗖獾愕脑疾ǔば藕偶暗玫降奈锢砹啃畔⒋渲潦刂行�。
2.根据权利要求1所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其特征在于所述的数据处理模块存储自动采集数据及远程传输光纤光栅数据。
3.根据权利要求1所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其特征在于所述的数据传输模块是内置TCP/IP协议的无线数传�？椋萆柚玫墓ぷ鞑问远锹� GPRS无线公网，和数控中心一直保持链接。
4.根据权利要求1所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其特征在于所述的波长解调�？槭荈BGA�？�。
5.根据权利要求1所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其特征在于所述的电源�？槭怯傻テ酒刂萍痰缙鞯谋蘸希刂聘鞲瞿？榈缭吹耐ǘ�。
6.根据权利要求1所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其特征在于所述的监测系统采用交流、直流两种供电方式。
7.根据权利要求1所述的基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，其特征在于所述的宽带光源是增益平坦滤波器的ASE宽带光源。
专利摘要一种基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，包括宽带光源、光环行器、光纤光栅传感器阵列、波长解调模块、中心控制单元、数据传输�？榧暗缭纯刂颇？�。宽带光源产生的宽带光入射光环行器输入口，经其输出口接入光纤光栅传感器阵列，光栅阵列反射的光信号经光环行器的反射口被送入波长解调�？椋ǔそ獾髂？榻庑藕沤獾魑缧藕牛恢行目刂频ピü庀斯庹な荽砟？椋愿眯藕沤惺凳辈杉痛恚⒆远娲⒃夹藕藕徒馑愠龅谋徊馕锢硇畔ⅲ儆墒荽淠？橥ü尴吖嗖獾愕男畔⒋渲潦刂行模坏缭纯刂颇？橥üテ刂萍痰缙鞯谋蘸希刂粕鲜龈鞲霾糠值缭吹耐ǘ希佣档凸�。
文档编号G01D5/26GK202101684SQ20112021489
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者史彦新, 孟宪玮, 张晓飞, 张青, 曾克, 郝文杰, 韩永温 申请人:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心
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