CN106124087B - 一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置及方法，装置包括激光器、隔离器、第一耦合器、掺铒光纤放大器、第一环形器、第一偏振控制器、第一光纤、第二耦合器、第二偏振控制器、第二环形器、第二光纤、光电探测器、放大电路单元、A/D转换电路单元、ZigBee传输单元、ZigBee协调器单元和信号处理及显示单元。此种技术方案不仅能够准确获得温度信息，还能够利用无线传输系统进行传输减小危害性能，而且结构比较简单，易于实现，提高了温度检测的应用范围。

Description

一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，特别涉及一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置及方法，主要应用于温度检测、信号处理及通信系统等技术领域。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，光纤传感技术作为一种新兴的传感技术被广泛关注。其中，光纤温度传感器具有精度高、不受电磁辐射干扰、可实现分布式或者点式传感网等优点，因此，在大型建筑结构监测、智能电网、石油化工等恶劣环境下的多参量检测中具有较为广泛的应用前景。

目前，报道的光纤传感器有多种形式，如基于干涉型的传感器、基于光栅型的传感器、基于拉曼或布里渊散射的分布式传感器等。一般来说，短距离、小范围的温度测量常采用点阵式或准分布式的传感器，长距离的传感器采用分布式光纤传感器。研究人员做了大量的理论和实验研究，取得了一定的效果。2013年，张树强等研究人员申请的一种光纤光栅温度传感器的发明专利，申请号：201310038108.5，利用光纤光栅作为传感器，该传感器安设在一个细长的陶瓷盒体内，设计成温度传感系统。2013年，唐明等研究人员提出的一种光纤型温度传感器的发明专利申请，申请号：201310059468.3，利用宽带光源、第一单模光纤、第二单模光纤及多芯光纤组成传感系统，具有很高的温度灵敏度，能够广泛地应用在高精度的温度测量场合。2014年，舒学文等研究人员申请了一种光纤温度传感器的发明专利，申请号：201410534153.4，该发明包括一根单模光纤和一块具有180°圆弧面的金属板，其单模光纤的中部呈180°弯曲地贴合地固定于所述金属板的圆弧面上，光纤宏弯曲产生回音壁模的温度传感器，谐振波长随着温度变化而发生变化，这样将温度信号变化转化为光信号变化，实现高灵敏度和高精度的温度测量。这些研究在光纤温度传感技术方面具有一定的应用价值，然而，在恶劣的外部环境及对人体伤害较大的地区，不能够敷设光纤等传输系统，这就限制了目前传感器的应用，给该区域内设备的温度监测带来一定的困难，准确监测该种环境下的温度信息是目前迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置及方法，其不仅能够准确获得温度信息，还能够利用无线传输系统进行传输减小危害性能，而且结构比较简单，易于实现，提高了温度检测的应用范围。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，包括激光器、隔离器、第一耦合器、掺铒光纤放大器、第一环形器、第一偏振控制器、第一光纤、第二耦合器、第二偏振控制器、第二环形器、第二光纤、光电探测器、放大电路单元、A/D转换电路单元、ZigBee传输单元、ZigBee协调器单元和信号处理及显示单元，其中，激光器的输出端经由隔离器连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的输出端分别连接掺铒光纤放大器和第二偏振控制器；所述掺铒光纤放大器的输出端连接第一环形器的1#端口，第一环形器的2#端口经由第一偏振控制器连接第一光纤的一端，第一环形器的3#端口连接第二耦合器的输入端，第二耦合器的输出端分别连接第一光纤的另一端和第二光纤的一端；第二偏振控制器的输出端连接第二环形器的1#端口，第二环形器的2#端口连接第二光纤的另一端，第二环形器的3#端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端依次经放大电路单元、A/D转换电路单元连接ZigBee传输单元，ZigBee协调器单元与信号处理及显示单元连接，ZigBee传输单元与ZigBee协调器单元之间进行无线传输。

上述第一光纤与第二光纤的种类相同或不同，其种类包含单模光纤、色散位移光纤和高非线性光纤。

上述激光器采用窄线宽激光器。

上述第一耦合器的耦合比为80:20，其中，占比20％的信号送入掺铒光纤放大器，占比80％的信号送入第二偏振控制器。

上述第二耦合器的耦合比为90:10，其中，占比90％的信号送入第一光纤，占比10％的信号送入第二光纤。

上述光电探测器采用平衡探测器。

上述放大电路单元包括第一至第三电阻、第一至第十八电容、运算放大芯片和第一至第二放大器，运算放大芯片采用OPA690，第一、第二放大器均采用AD603；运算放大芯片的第3引脚作为放大电路单元的输入端，第1、5、7、8引脚悬空，第2引脚通过第一电阻与地线连接，第2引脚还通过第二电阻连接第6引脚，第6引脚还连接+5V电源，第一、第二电容相互并联后，一端连接运算放大芯片的第6引脚，另一端与地线连接；第4引脚连接-5V电源，第三、第四电容相互并联后，一端连接运算放大芯片的第4引脚，另一端与地线连接；

第一放大器的第3引脚经由第三电阻连接+5V电源，第1引脚经由第五电容连接地线，第2、第4引脚均连接地线，第5、第7引脚短接；第8引脚连接+5V电源，第六、第七电容相互并联后，一端连接+5V电源，另一端连接地线；第八、第九电容相互并联后，一端连接地线，另一端连接第一放大器的第6引脚，同时连接-5V电源；

第十一、第十二电容相互并联后，一端连接第一放大器的第5引脚，另一端连接第二放大器的第3引脚；第二放大器的第1引脚经由第十电容连接地线，第2、第4引脚均连接地线，第5、第7引脚短接；第8引脚连接+5V电源，第十三、第十四电容相互并联后，一端连接+5V电源，另一端连接地线；第十五、第十六电容相互并联后，一端连接地线，另一端连接第二放大器的第6引脚，同时连接-5V电源；第十七、第十八电容相互并联后，一端连接第二放大器的第5引脚，另一端作为放大电路单元的输出端。

一种基于如前所述基于ZigBee无线传输的温度检测装置的方法，包括如下步骤：

(1)激光器发出的激光信号经由隔离器送入第一耦合器，分成两束信号，一束信号进入掺铒光纤放大器，再进入第一环形器104的1#端口，激光信号从第一环形器的2#端口进入第一光纤，在第一光纤中产生背向布里渊散射信号，该背向布里渊散射信号依次经第一偏振控制器和第一环形器的3#端口输出后，由第二耦合器分成两路信号，第一路信号依次经第一光纤、第一偏振控制器、第一环形器和第二耦合器做逆时针旋转，第二路信号则进入第二光纤作为待测信号；

(2)第一耦合器输出的第二束信号经第二偏振控制器进入第二环形器的1#号端口，该信号从第二环形器的2#端口进入第二光纤，在第二光纤中产生背向布里渊散射信号，该背向布里渊散射信号在第二光纤中放大从第二耦合器输出到第二光纤中的待测信号，在第二光纤中相互作用后，经第二环形器的3#端口输出待分析的激光信号；

(3)前述待分析的激光信号经光电探测器转换为电信号，再送入放大电路单元进行放大处理，经A/D转换电路单元转换为数字信号后，经ZigBee传输单元进行无线传输，由ZigBee协调器单元接收，接收到的信号经信号处理及显示单元进行处理并显示待测温度信息。

采用上述方案后，本发明利用光纤中布里渊散射的频移量对温度的高灵敏度，温度变化时，布里渊散射信号的波长将发生变化，结合光纤布里渊散射放大效应，当待测信号光的波长等于该光纤中相同方向传输的布里渊散射信号波长时，待测信号将会产生最大放大效果，随着这两束信号波长不同时，放大的强度将减弱，通过测量引起检测信号的强度变化来获得待测温度信息，同时利用无线传输系统进行传输，可以远离待测温度区域，以便减小对人体的危害，扩大温度检测的使用范围。本发明能够精确检测温度信息，具有成本低廉和结构简单的优点。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图；

图2为实施例放大电路的结构示意图；

图3为实施例中不同温度情况下的信号强度关系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，包括激光器100、隔离器101、第一耦合器102、掺铒光纤放大器103、第一环形器104、第一偏振控制器105、第一光纤106、第二耦合器107、第二偏振控制器108、第二环形器109、第二光纤110、光电探测器111、放大电路单元112、A/D转换电路单元113、ZigBee传输单元114、ZigBee协调器单元115和信号处理及显示单元116，下面分别介绍。

激光器100可采用窄线宽激光器，具体是安捷伦窄线宽可调谐激光器(Agilentlightwave measurement system 8164B)，设置其输出波长为1550nm，功率为7dBm；激光器100发出的激光信号进入隔离器101。

隔离器101输出的激光信号经过第一耦合器102分成两束信号，第一耦合器103的耦合比为80:20，其中，占比20％的一束信号进入掺铒光纤放大器103，所述掺铒光纤放大器103的型号为KPS-BT2-C-30-PB-FA，最大输出功率为30dBm，设置输出功率为28dBm；从掺铒光纤放大器103输出的放大信号进入第一环形器104的1#端口，激光信号从第一环形器104的2#端口经由第一偏振控制器105进入第一光纤106，在第一光纤106中产生背向布里渊散射信号，该背向布里渊散射信号依次经第一偏振控制器105和第一环形器104的3#端口输出后，进入第二耦合器107的输入端。

所述第二耦合器107的耦合比为90:10，第二耦合器107将背向布里渊散射信号分成两路信号，占比90％的信号依次经第一光纤106、第一偏振控制器105、第一环形器104和第二耦合器107做逆时针旋转，第二耦合107输出的占比10％的信号则进入第二光纤110，作为待测信号。

第一耦合器102输出的占比80％的信号经第二偏振控制器108进入第二环形器109的1#号端口，该信号从第二环形器109的2#端口进入第二光纤110，在第二光纤109中产生背向布里渊散射信号，该背向布里渊散射信号在第二光纤110中放大从第二耦合器107输出到第二光纤110中的待测信号，在第二光纤110中相互作用后，经第二环形器109的3#端口输出待分析的激光信号。

前述待分析的激光信号经光电探测器111转换为电信号，所述光电探测器111可使用平衡探测器，响应波长与激光器100的波段一致，从而提高测量精度，在本实施例中，采用50GHz的Finisar XPDV21x0(RA)；所述电信号送入放大电路单元112进行放大处理，所述放大电路单元的电路图如图2所示，包含有电阻R1(240欧姆)、R2(240欧姆)和R3(50欧姆)，电容C1(10μF)、C2(0.1μF)、C3(0.1μF)、C4(10μF)、C5(0.33μF)、C6(10μF)、C7(0.1μF)、C8(10μF)、C9(0.1μF)、C10(0.33μF)、C11(2.2μF)、C12(0.01μF)、C13(10μF)、C14(0.1μF)、C15(10μF)、C16(0.1μF)、C17(2.2μF)和C18(0.01μF)，主芯片采用的是一个TI公司的OPA690运算放大芯片以及2个AD公司的AD603，其中OPA690共有8个引脚，AD603共有8个引脚。OPA690的第3引脚作为被测信号的输入端，OPA690的第1、5、7和8引脚同时悬空，OPA690的第2引脚一方面通过电阻R1与地线连接，另一方面通过电阻R2与OPA690的第6引脚相连，OPA690的第4引脚与-5的电源连接，同时第4引脚通过电容C3和C4并联与地线连接，OPA690的第6引脚与+5的电源连接，同时第6引脚通过电容C1和C2并联后与地线连接，OPA690的第6引脚通过电阻R3与第一个AD603的第3引脚连接；第一个AD603的第1引脚通过电容C5连接地线，第一个AD603的第2和4引脚连接地线，第一个AD603的第5引脚通过电容C11和C12并联后连接第二个AD603的第3引脚，第一个AD603的第5引脚同时连接第一个AD603的第7引脚，第一个AD603的第6引脚连接-5V电源，同时通过电容C8和C9并联后连接地线，第一个AD603的第8引脚连接+5V电源，同时通过电容C6和C7并联后连接地线；第二个AD603的第1引脚通过电容C10连接地线，第二个AD603的第2和4引脚连接地线，第二个AD603的第8引脚连接+5V电源，同时通过电容C13和C14并联后连接地线，第二个AD603的第6引脚连接-5V电源，同时通过电容C15和C16并联后连接地线，第二个AD603的第5和7引脚通过电容C17和C18并联后作为放大的待测信号输出。

前述放大的待测信号经A/D转换电路单元113转换为数字信号，该数字信号经ZigBee传输单元114进行无线传输，由ZigBee协调器单元115接收上述数字信号，接收到的信号经信号处理及显示单元116进行处理并显示待测温度信息。

在具体实施时，第一光纤与第二光纤的种类可以相同或不同，其种类包含单模光纤、色散位移光纤和高非线性光纤，例如第一光纤与第二光纤均采用单模光纤，第一光纤长10m，第二光纤长21km；或第一光纤采用长10m的高非线性光纤，第二光纤采用长1.5km的高非线性光纤。

综合上述，本发明一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置及方法，采用的原理是：待测物体的温度变化引起第一光纤106的布里渊散射信号的波长发生改变，从而引起在第二光纤110中放大的强度发生变化，使得光电探测器111输出电信号的强度发生变化，由于该强度信息与温度具有定量关系，可事先进行标定，温度检测时通过测量电信号强度的变化而获得待测温度。

温度和信号强度之间的关系如图3所示，从图3可以看出，随着温度的增加，信号的强度呈线性增加，其斜率为-0.5a.u/℃，因此，按照该规律进行标定后，可通过测量光电探测器111输出信号的强度来获得第一光纤106感应到的温度信息。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，其特征在于：包括激光器、隔离器、第一耦合器、掺铒光纤放大器、第一环形器、第一偏振控制器、第一光纤、第二耦合器、第二偏振控制器、第二环形器、第二光纤、光电探测器、放大电路单元、A/D转换电路单元、ZigBee传输单元、ZigBee协调器单元和信号处理及显示单元，其中，激光器的输出端经由隔离器连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的输出端分别连接掺铒光纤放大器和第二偏振控制器；所述掺铒光纤放大器的输出端连接第一环形器的1#端口，第一环形器的2#端口经由第一偏振控制器连接第一光纤的一端，第一环形器的3#端口连接第二耦合器的输入端，第二耦合器的输出端分别连接第一光纤的另一端和第二光纤的一端；第二偏振控制器的输出端连接第二环形器的1#端口，第二环形器的2#端口连接第二光纤的另一端，第二环形器的3#端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端依次经放大电路单元、A/D转换电路单元连接ZigBee传输单元，ZigBee协调器单元与信号处理及显示单元连接，ZigBee传输单元与ZigBee协调器单元之间进行无线传输；

所述第一光纤与第二光纤的种类相同或不同，其种类包含单模光纤、色散位移光纤和高非线性光纤；

所述激光器采用窄线宽激光器。

2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，其特征在于：所述第一耦合器的耦合比为80:20，其中，占比20％的信号送入掺铒光纤放大器，占比80％的信号送入第二偏振控制器。

3.如权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，其特征在于：所述第二耦合器的耦合比为90:10，其中，占比90％的信号送入第一光纤，占比10％的信号送入第二光纤。

4.如权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，其特征在于：所述光电探测器采用平衡探测器。

5.如权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传输的温度检测装置，其特征在于：所述放大电路单元包括第一至第三电阻、第一至第十八电容、运算放大芯片和第一至第二放大器，运算放大芯片采用OPA690，第一、第二放大器均采用AD603；运算放大芯片的第3引脚作为放大电路单元的输入端，第1、5、7、8引脚悬空，第2引脚通过第一电阻与地线连接，第2引脚还通过第二电阻连接第6引脚，第6引脚还连接+5V电源，第一、第二电容相互并联后，一端连接运算放大芯片的第6引脚，另一端与地线连接；第4引脚连接-5V电源，第三、第四电容相互并联后，一端连接运算放大芯片的第4引脚，另一端与地线连接；

第一放大器的第3引脚经由第三电阻连接+5V电源，第1引脚经由第五电容连接地线，第2、第4引脚均连接地线，第5、第7引脚短接；第8引脚连接+5V电源，第六、第七电容相互并联后，一端连接+5V电源，另一端连接地线；第八、第九电容相互并联后，一端连接地线，另一端连接第一放大器的第6引脚，同时连接-5V电源；

第十一、第十二电容相互并联后，一端连接第一放大器的第5引脚，另一端连接第二放大器的第3引脚；第二放大器的第1引脚经由第十电容连接地线，第2、第4引脚均连接地线，第5、第7引脚短接；第8引脚连接+5V电源，第十三、第十四电容相互并联后，一端连接+5V电源，另一端连接地线；第十五、第十六电容相互并联后，一端连接地线，另一端连接第二放大器的第6引脚，同时连接-5V电源；第十七、第十八电容相互并联后，一端连接第二放大器的第5引脚，另一端作为放大电路单元的输出端。

6.一种基于如权利要求1所述基于ZigBee无线传输的温度检测装置的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)激光器发出的激光信号经由隔离器送入第一耦合器，分成两束信号，一束信号进入掺铒光纤放大器，再进入第一环形器的1#端口，激光信号从第一环形器的2#端口经由第一偏振控制器进入第一光纤，在第一光纤中产生背向布里渊散射信号，该背向布里渊散射信号依次经第一偏振控制器和第一环形器的3#端口输出后，由第二耦合器分成两路信号，第一路信号依次经第一光纤、第一偏振控制器、第一环形器和第二耦合器做逆时针旋转，第二路信号则进入第二光纤作为待测信号；

(2)第一耦合器输出的第二束信号经第二偏振控制器进入第二环形器的1#号端口，该信号从第二环形器的2#端口进入第二光纤，在第二光纤中产生背向布里渊散射信号，该背向布里渊散射信号在第二光纤中放大从第二耦合器输出到第二光纤中的待测信号，在第二光纤中相互作用后，经第二环形器的3#端口输出待分析的激光信号；

(3)前述待分析的激光信号经光电探测器转换为电信号，再送入放大电路单元进行放大处理，经A/D转换电路单元转换为数字信号后，经ZigBee传输单元进行无线传输，由ZigBee协调器单元接收，接收到的信号经信号处理及显示单元进行处理并显示待测温度信息。