CN108548620A - 无线光子压力传感系统和方法 - Google Patents

Abstract

无线光子压力传感系统和方法，涉及光电子测量与无线通信交叉技术领域，所述无线光子压力传感系统包括发射端和接收端；发射端包括传感信号发生器、匹配网络以及发射天线；传感信号发生器包括激光器、电光强度调制器、光纤延时线、光电探测器、耦合器、压力感应放大器和窄带滤波器；压力感应放大器包括压电晶体和压控放大器。上述无线光子压力传感系统基于无线光子技术构建光电振荡电路，将压力信息转变为振荡信号功率，无需调制，直接发送至接收端，该传感系统在高频端实现，克服了系统噪声的干扰；同时，其无需调制载波，可直接无线传输至接收端，降低了系统的复杂性。

Description

无线光子压力传感系统和方法

技术领域

本发明涉及光电子测量与无线通信交叉技术领域，尤其指一种无线光子压力传感系统和方法。

背景技术

压力传感器是一种能感受压力信号并能按照一定的规律将压力信号转换成电信号进行输出的器件或装置，它广泛应用于各种工业自控环境，在实际使用过程中，压力传感器大多是采用布线方式将采集到的压力信号进行传输，但在通信距离远、环境较为恶劣的情况下，压力传感器则采用无线通讯的方式传输信号。

当前的无线压力传感器一般是将压力转变为近直流的电流或电压信号，然后再将该信号调制至适合无线传输的载波上去，最后传送至接收端。其缺陷包括：1.当传感信号微弱时，容易被系统噪声淹没，严重限制了传感器的灵敏度；2.传感信号需要调制载波才能进行无线传输，需要外置振荡器且信号处理系统较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线光子压力传感系统和方法，前述无线光子压力传感系统可解决传统无线传感系统其灵敏度受限和信号处理系统复杂、需要调制载波的问题，其整个传感过程在高频端完成且不需要调制载波，能有效提高传感系统的灵敏度，降低系统复杂性。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种无线光子压力传感系统，包括发射端和接收端，所述发射端用于产生传感信号并通过无线电技术向空气信道发射电磁波，所述接收端用于接收含传感信息的无线电信号并通过信号处理、校准与计算还原成压力值。

进一步地，所述发射端包括依次连接的传感信号发生器、匹配网络以及发射天线，所述传感信号发生器用于将压力信号转换成电信号，所述匹配网络用于实现传感信号发生器与发射天线的电路匹配，保证传感信号发生器发射信号的输出功率能够全部进入发射天线，而无反射回波，所述发射天线接收匹配网络传送的传感信号并发送至空气信道。

进一步地，所述接收端包括接收天线、滤波器、放大器、功率计以及计算机，所述接收天线与发射天线用于无线通信，所述滤波器的输入端与接收天线连接，所述滤波器的输出端与放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与功率计的输入端连接，所述功率计的输出端与计算机连接，无线电信号通过接收天线进入接收端，然后通过滤波器进行噪声与杂散抑制，再通过放大器进行信号放大后进入功率计实现功率测量，最后通过计算机进行校准、计算得出压力值的大小。

再进一步地，所述传感信号发生器包括激光器、电光强度调制器、光纤延时线、光电探测器、耦合器、压力感应放大器和窄带滤波器；所述激光器连接至电光强度调制器的光输入端，所述电光强度调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电输出端与耦合器的输入端连接，所述耦合器的输出端与压力感应放大器的输入端连接，所述压力感应放大器的输出端与窄带滤波器的输入端连接，所述窄带滤波器的输出端与电光强度调制器的电输入端连接，所述匹配网络的输入端与耦合器的输出端连接，所述匹配网络的输出端与发射天线连接，所述压力感应放大器用于感受压力作用并由该压力作用的变化控制其自身的电压增益。

再进一步地，所述压力感应放大器包括压电晶体和压控放大器，所述压电晶体与压控放大器的偏置电压正极连接，所述压电晶体的负极、压控放大器的负极均接地，所述压电晶体用于承受压力作用并在压力实施时产生压电差，所述压控放大器为增益可调放大器，通过加载在放大器两端的电压值大小来控制增益，在所述压力感应放大器中，所述压电晶体在承受压力作用后产生的感应电压作为压控放大器的偏置电压，用于控制压控放大器的增益。

更进一步地，所述激光器采用型号为EM650-193500-100-PM900-FCA-NA的DFB激光器。

优选地，所述电光强度调制器采用型号为IM-1550-20-PM的马赫增德尔调制器。

再优选地，所述光电探测器采用型号为PD-30的光电探测器。

基于与上述无线光子压力传感系统同样的发明构思，一种无线光子压力传感方法，包括以下步骤：

1)采集压力信号：

通过压电晶体接受压力，所述压电晶体承受压力F后产生感应电压，将该感应电压作为压控放大器的偏置电压用于控制压控放大器的电压增益G(F)，压力F与电压增压G(F)之间的关系式为：

其中，g为压电晶体的压电常数，h为压控放大器的压控增益系数，S为压电晶体的受力面积；

2)压力－振荡信号功率的转换：

步骤1)中的压控放大器接入光电振荡环路中，环路内部的噪声通过电光强度调制器对光载波强度实现强度调制，再通过光纤延时线延时后在光电探测器进行解调还原成电信号，该电信号经过耦合器实现部分输出，另一部分通过压控放大器与窄带滤波器实现放大与滤波的信号处理过程，最终返回到电光强度调制器的交流输入端进行下一次循环；调节电光强度调制器的直流偏置电压，让电光强度调制器工作在正交工作点，使闭合光电环路产生自激振荡，此时，耦合器输出的信号即为携带压力传感信息的振荡信号，振荡信号的功率P_OSC与压控放大器的电压增压G(F)之间的关系式为：

其中，ρ表示光电探测器的响应度；R表示光电探测器输出端的匹配阻抗；P_in表示输入光载波功率；V_π即为电光强度调制器的半波电压；

3)发送、接收信号：

将步骤2)中携带压力传感信息的振荡信号通过匹配网络输入至发射天线，再通过无线电技术传送至接收端，接收端通过接收天线接收该传感信号；值得注意的是，振荡信号频率可通过传感信号发生器的内部滤波器来控制，选择适合无线传输的工作频率，通过无线电技术将该传感信号传输至接收端；

4)信号处理与计算：

接收端将接收到的传感信号先通过滤波器进行滤波，再通过放大器进行放大，接着通过功率计读取该传感信号的功率值P_R，传感信号在传输与处理过程中有部分功率损耗，采用衰减因子β来表征：

P_R＝β·P_osc

该衰减因子可以通过系统校准来获得，综合上述公式得到：

基于上述公式，通过计算机得出压力F的最终值，以此实现压力传感。

本发明基于无线光子技术构建光电振荡电路，将压力信息转变为振荡信号功率，无需调制，直接发送至接收端，该传感系统在高频端实现，克服了系统噪声的干扰。同时该系统无需调制载波，可直接无线传输至接收端，降低了系统的复杂性。具体来说，本发明采用传感信号发生器实现压力-振荡信号功率的转换，再通过无线电技术将携带压力信息的传感信号传送至接收端，最后进行信号处理后记录、计算得出传感信号的压力值，从而实现压力传感，突破了传统压力传感系统的局限性。本发明将压力信息转化为微波信号功率值，避免了传感系统噪声的负面影响，提高了传感系统的灵敏度。本发明通过构建闭合光电环路，产生自激振荡，将自激振荡信号直接通过发射天线无线传输至接收端，整个传感过程在高频端完成且不需要调制载波，简化了系统的复杂性。

附图说明

图1为本发明中的无线光子压力传感系统的整体结构示意图；

图2为本发明中的压力感应放大器的结构图；

图3为本发明中的传感信号发生器的结构图；

图4为使用本发明测量得到的压力感应放大器的电压增益与振荡信号功率的关系图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明主要基于以下技术思路：构建压力感应放大器，将压力转换为压控放大器的控制电压，通过改变压力大小来调整放大器的电压增益，最终控制传感信号发生器振荡信号的功率大小，实现压力-振荡信号功率的传感。振荡信号的频率可通过发生器的内部滤波器来控制，选择适合无线传输的工作频率，通过无线电技术将该振荡信号传输至接收端，最终在接收端读取该信号的功率值并进行校准与计算，转换成压力值，实现压力传感。

图1示出了一种无线光子压力传感系统的结构，其包括发射端和接收端；发射端包括传感信号发生器、匹配网络以及发射天线；匹配网络用于实现传感信号发生器与发射天线的电路匹配，保证传感信号发生器发射信号的输出功率能够全部进入发射天线，而无反射回波；发射天线接收匹配网络传送的传感信号并发送至空气信道；传感信号发生器包括激光器、电光强度调制器、光纤延时线、光电探测器、耦合器、压力感应放大器和窄带滤波器；压力感应放大器包括压电晶体和压控放大器；压电晶体的负极接地，压电晶体的正极与压控放大器的偏置电压正极连接，压控放大器的负极接地，压电晶体用于承受压力作用并在压力实施时产生压电差，压电差作为压控放大器的控制电压用于调整压控放大器的电压增压，激光器连接至电光强度调制器的光输入端，电光强度调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端连接，光电探测器的电输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的输出端与压控放大器的输入端连接，压控放大器的输出端与窄带滤波器的输入端连接，窄带滤波器的输出端与电光强度调制器的输入端连接，匹配网络的输入端与耦合器的输出端连接，匹配网络的输出端与发射天线连接，接收天线与发射天线通过无线电磁波进行通信，滤波器的输入端与接收天线连接，滤波器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与功率计的输入端连接，功率计的输出端与计算机连接。

其中，压力感应器放大器的结构如图2所示。设压电晶体的压电常数为g，压控放大器的压控增益系数为h，所压力及受力面积分别为F与S，则由该压力产生的电压增益为：

整个传感信号发生器基于光电振荡环路构建，如图3所示。环路内部噪声通过电光强度调制器对光载波强度实现强度调制，通过光纤延时后在光电探测器进行解调还原成电信号，该电信号经过耦合器实现部分输出，另一部分通过压力感应放大器与窄带滤波器实现放大与滤波的信号处理过程，最终返回到电光强度调制器的交流输入端进行下一次循环。根据巴克豪森定理，只要链路增益大于1，输入-输出信号对应的相位差为2π的整数倍时，便构成了正反馈振荡电路，能够产生自激振荡。

自激振荡信号源于光电混合环路内的噪声，可采用近似线性理论进行分析，设进入电光调制器的单频交流信号V_RF为V_RF＝V_ocosωt。其中，V₀表示交流信号的电压幅值；t表示时间；ω表示交流信号的角频率。该信号通过电光调制器对光载波的强度进行调制，然后在光电探测器末端还原成电信号，最后经放大、滤波后，输出信号的表达式V_out为：

ρ表示光电探测器的响应度；R表示光电探测器输出端的匹配阻抗；G(F)表示微波电压增益，其增益大小有压力F决定；P_in表示输入光载波功率；V_π即为电光强度调制器的半波电压；φ_Bias为电光调制器的直流偏置角，可表示为：

V_DC表示调制器的直流偏置电压；π为常数；φ₀为调制器两臂干涉叠加后产生的角度相位差；t表示时间。调节电光调制器的直流偏置电压，让调制器工作在正交工作点.即令k为正整数，公式(2)简化为：

根据贝塞尔级数展开得：

其中，J_m(x)称为第一类贝塞尔函数，可表示为：

上式中，Γ(1)＝1，Γ(2)＝1，当n为正整数时Γ(n+1)＝n！。由上式可以看出，由于调制器的非线性，使得输出信号含其它频率成份。环内窄带滤波器能对高阶成份进行抑制，输出基波信号可表示为：

将公式(6)取k＝0与k＝1两项，代入公式(7)可得：

根据正反馈振荡电路的基本原理，当且ωτ＝n·2π同时满足时，系统产生振荡，经过多次循环，系统的非线性对增益进行压缩，最终为1时系统达到稳定，形成稳定输出，即：

振荡信号功率P_osc与信号幅度V₀的关系可表示为：

综合公式(9)与(10)，可得出振荡信号功率与电压增益的关系为：

最后，通过校准与计算求得压力值。

在上述实施例中，通过压力感应放大器实现压力-电压增益的转换，通过传感信号发生器实现电压增益-振荡信号功率的转换，最终完成了压力-振荡信号功率的转换。携带传感信息的振荡信号通过匹配网络输送给发射天线，通过无线传输后被接收端的天线所接收，通过滤波、放大后其功率值被功率计测得，设传感信号中途的信号处理与传输产生的损耗由衰减因子β来表征，那么此时功率计读取的功率值为：

P_R＝β·P_osc (12)

该衰减因子可以通过系统校准来获得。结合公式(1)、(11)与(12)，最终得出传感系统的压力值为：

基于公式(13)，通过计算机能够得出压力F的最终值，实现了压力传感。

更进一步，为深入阐述传感信号发生器中振荡信号功率与电压增益的关系，基于图3搭建传感信号发生器实验平台。采用EM4公司型号为EM650-193500-100-PM900-FCA-NA的DFB激光器，最大输出功率可达到100mW；采用Optilab公司型号为IM-1550-20-PM的铌酸锂电光强度调制器，3dB带宽为20GHz；采用Optilab公司型号为PD-30的光电探测器，3dB带宽为30GHz；采用中心频率为10GHz，3dB带宽为8MHz的国产窄带滤波器。调节电压增益让环路产生自激振荡，实测振荡信号频谱如图4所示，振荡信号功率为20.7、23.8与24.7dBm对应的电压增益分别为12、16与20dB。通过上述实验证明：不同的电压增益对应不同的振荡信号功率，通过压力来控制电压增益，最终实现压力-振荡信号功率的传感是可行的。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (9)

1.无线光子压力传感系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端用于产生传感信号并通过无线电技术向空气信道发射电磁波，所述接收端用于接收含传感信息的无线电信号并通过信号处理、校准与计算还原成压力值。

2.根据权利要求1所述的无线光子压力传感系统，其特征在于：所述发射端包括依次连接的传感信号发生器、匹配网络以及发射天线，所述传感信号发生器用于将压力信号转换成电信号，所述匹配网络用于实现传感信号发生器与发射天线的电路匹配，保证传感信号发生器发射信号的输出功率能够全部进入发射天线，而无反射回波，所述发射天线接收匹配网络传送的传感信号并发送至空气信道。

3.根据权利要求2所述的无线光子压力传感系统，其特征在于：所述接收端包括接收天线、滤波器、放大器、功率计以及计算机，所述接收天线与发射天线用于无线通信，所述滤波器的输入端与接收天线连接，所述滤波器的输出端与放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与功率计的输入端连接，所述功率计的输出端与计算机连接，无线电信号通过所述接收天线进入接收端，然后通过所述滤波器进行噪声与杂散抑制，再通过所述放大器进行信号放大后进入功率计实现功率测量，最后通过所述计算机进行校准、计算得出压力值的大小。

4.根据权利要求3所述的无线光子压力传感系统，其特征在于：所述传感信号发生器包括激光器、电光强度调制器、光纤延时线、光电探测器、耦合器、压力感应放大器和窄带滤波器；所述激光器连接至电光强度调制器的光输入端，所述电光强度调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电输出端与耦合器的输入端连接，所述耦合器的输出端与压力感应放大器的输入端连接，所述压力感应放大器的输出端与窄带滤波器的输入端连接，所述窄带滤波器的输出端与电光强度调制器的电输入端连接，所述匹配网络的输入端与耦合器的输出端连接，所述匹配网络的输出端与发射天线连接，所述压力感应放大器用于感受压力作用并由该压力作用的变化控制其自身的电压增益。

5.根据权利要求4所述的无线光子压力传感系统，其特征在于：所述压力感应放大器包括压电晶体和压控放大器，所述压电晶体与压控放大器的偏置电压正极连接，所述压电晶体的负极、压控放大器的负极均接地。

6.根据权利要求5所述的无线光子压力传感系统，其特征在于：所述激光器采用型号为EM650-193500-100-PM900-FCA-NA的DFB激光器。

7.根据权利要求6所述的无线光子压力传感系统，其特征在于：所述电光强度调制器采用型号为IM-1550-20-PM的马赫增德尔调制器。

8.根据权利要求7所述的基于无线光子技术的压力传感系统，其特征在于：所述光电探测器采用型号为PD-30的光电探测器。

9.无线光子压力传感方法，包括以下步骤：

1)采集压力信号：

通过压电晶体接受压力，压电晶体承受压力F后产生感应电压，将该感应电压作为压控放大器的偏置电压用于控制压控放大器的电压增益G(F)，压力F与电压增压G(F)之间的关系式为：

其中，g为压电晶体的压电常数，h为压控放大器的压控增益系数，S为压电晶体的受力面积；

2)压力－振荡信号功率的转换：

步骤1)中的压控放大器接入光电振荡环路中，环路内部的噪声通过电光强度调制器对光载波强度实现强度调制，再通过光纤延时线延时后在光电探测器进行解调还原成电信号，该电信号经过耦合器实现部分输出，另一部分通过压控放大器与窄带滤波器实现放大与滤波的信号处理过程，最终返回到电光强度调制器的交流输入端进行下一次循环；调节电光强度调制器的直流偏置电压，让电光强度调制器工作在正交工作点，使闭合光电环路产生自激振荡，此时，耦合器输出的信号即为携带压力传感信息的振荡信号，振荡信号的功率P_OSC与压控放大器的电压增压G(F)之间的关系式为：

其中，ρ表示光电探测器的响应度；R表示光电探测器输出端的匹配阻抗；P_in表示输入光载波功率；V_π即为电光强度调制器的半波电压；

3)发送、接收信号：

将步骤2)中携带压力传感信息的振荡信号通过匹配网络输入至发射天线，再通过无线电技术传送至接收端，接收端通过接收天线接收该传感信号；

4)信号处理与计算：

接收端将接收到的传感信号先通过滤波器进行滤波，再通过放大器进行放大，接着通过功率计读取该传感信号的功率值P_R，传感信号在传输与处理过程中有部分功率损耗，采用衰减因子β来表征：

P_R＝β·P_osc

该衰减因子通过系统校准来获得，综合上述公式得到：

计算机通过该公式计算出压力F的最终值，从而实现压力传感。