CN110207735B - 无线手持式光纤光栅解调仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线手持式光纤光栅解调仪。本发明包括光环行器、C波段光谱分析单元、SLED光源和CPU及其控制单元；所述的光环行器具有三端口，第一端口接SLED光源，第二端口外接传感器，第三端口接C波段光谱分析单元；所述的CPU及其控制单元包括CPU处理器、光谱数据采集和通讯及拟合单元、曝光时间控制单元、SLED功率控制单元和换算处理单元；所述的CPU及其控制单元、SLED光源和GPRS无线收发单元通过一锂电池供电。本发明的整体体积小，无需外接电源，采集的数据可进行无线发送；能有效地将光谱设置在最优的线性放大区，使得传感监测精度、稳定性达到最优的处理。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体地说是一种无线手持式光纤光栅解调仪。
背景技术
目前，我国装配式建筑预制部品部件很多为叠合式构件，如叠合楼板、叠合阳台板及叠合剪力墙等，这些构件较成型后的构件薄弱，在翻模、运输或者吊装等动态过程时，由于受力状态改变而存在安全隐患；同时，由于装配式建筑的固有特性，其结构整体性也较现浇结构相对薄弱。因此，需要加强对装配式建筑的结构安全监测，避免重大事故的发生。
光纤传感技术是近年来发展起来的一种新的传感技术，它与传统的机械、电子类传感方式相比，光纤传感器尺寸小、质量轻、精度高、抗电磁干扰、耐久性好、易于实现分布式或准分布式测量，大有成为结构健康监测主要传感元件之势。光纤传感器是光纤特定位置经特殊处理后形成的，集传感功能与光信号传输功能于一身。由于光纤直径仅为125微米，因此理论上可将刻有光纤传感器的光纤埋入钢筋混凝土结构内部，在不影响结构性能的前提下，测量传统传感器难以或者根本无法测量结构内部应变，这对了解结构内部的真实状态具有非常重要的意义。
由于需要对装配式建筑大型部品部件在制作、运输及吊装等动态条件下进行监测，目前市场上常用的普通解调仪则需要与采集仪及电源连接，无法在构件运动状态下测量其内部变形，因此不能满足装配式建筑构件在制作、运输及吊装等动态条件下的监测需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种集电源、数据采集和无线传输功能的小尺寸无线手持式光纤光栅解调仪，其可在构件运动状态下测量其内部变形，以满足装配式建筑构件在制作、运输及吊装等动态条件下的监测需求。
为此，本发明采用如下的技术方案：无线手持式光纤光栅解调仪，包括光环行器，其还包括C波段光谱分析单元、SLED光源、CPU及其控制单元、LCD显示单元、Flash数据存储单元和GPRS无线收发单元；
所述的光环行器具有三端口，第一端口接SLED光源，第二端口外接传感器，第三端口接C波段光谱分析单元，SLED光源发出的光线从第一端口进入第二端口，再由第二端口进入第三端口；
所述的CPU及其控制单元包括CPU处理器、光谱数据采集和通讯及拟合单元、曝光时间控制单元、SLED功率控制单元和换算处理单元；所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元采用时序及数据控制线与CPU处理器连接；所述的曝光时间控制单元采用时序及数据控制线与CPU处理器连接；所述的SLED功率控制单元采用功率电流驱动控制线与CPU处理器连接；
所述的C波段光谱分析单元与曝光时间控制单元连接通讯；所述的SLED光源与光谱数据采集和通讯及拟合单元连接通讯；所述的换算处理单元分别与Flash数据存储单元和GPRS无线收发单元连接通讯；CPU处理器处理后的数据传输给换算处理单元，经换算处理单元换算处理后传输给LCD显示单元，用于显示数据；
所述的CPU及其控制单元、SLED光源和GPRS无线收发单元通过一锂电池供电。
所述C波段光谱分析单元的结构无运动部件，可靠性更高。SLED光源体积小，散热片与壳体有效接触，功率稳定。
进一步的，所述的C波段光谱分析单元包括输入狭缝、准直透镜、反射型衍射光栅、聚焦透镜和阵列探测器，光线通过输入狭缝后射向准直透镜，经准直透镜后射向反射型衍射光栅，然后经反射型衍射光栅反射后射向聚焦透镜，最后经聚焦透镜射向阵列探测器。
进一步的，所述的C波段光谱分析单元中的各部件采用多维立体分布，所述的准直透镜位于输入狭缝的右侧，反射型衍射光栅位于准直透镜的正下方，聚焦透镜位于准直透镜的右侧，阵列探测器位于聚焦透镜的正下方及反射型衍射光栅的右侧。
进一步的，所述SLED光源的控制电路用1：99耦合器分光出1%给阵列探测器探测输出光功率，功率控制精确稳定。
进一步的，所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元，对阵列探测器时序控制，通过时序控制采集速率及光谱读出速度，将读出数据进行高斯拟合，算出高精度波长。
进一步的，所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元为ADF7671芯片。
进一步的，所述的曝光时间控制单元，根据反射型衍射光栅反射回的光谱功率大小判断，控制阵列探测器曝光时间，从而控制光电转换在最佳的线性放大区间。
进一步的，所述的换算处理单元：将根据用户应用需要，将传感器的参数换算处理，输出实际应用需要的物理量。
进一步的，所述的SLED功率控制单元，采集SLED光源阵列探测器输出的光功率，实时控制SLED光源驱动电流，根据SLED光源内部热敏电阻，控制SLED光源的冷却器，维持20-30℃。
进一步的，所述的光环行器的隔离度大于50dB，采用高隔离度环行器，可改善光谱反射噪声，增加激光器寿命。
本发明具有的有益效果如下：本发明集小光源、高隔离度光环行器、精密固定光谱分析单元、CPU及其控制单元、Flash数据存储单元及无线收发单元于一体，整体体积小，无需外接电源，采集的数据可进行无线发送；采用高斯拟合算法将光源功率温度控制及阵列探测器曝光时间控制结合在一起，有效地将光谱设置在最优的线性放大区，使得传感监测精度、稳定性达到最优的处理。
附图说明
图1为本发明C波段光谱分析单元的原理图；
图2为本发明C波段光谱分析单元的结构图；
图3为本发明无线手持式光纤光栅解调仪的原理图；
图4为本发明CPU及其控制单元的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图3所示的无线手持式光纤光栅解调仪，包括光环行器、C波段光谱分析单元、SLED光源、CPU及其控制单元、LCD显示单元、Flash数据存储单元和GPRS无线收发单元。
所述的光环行器具有三端口，第一端口接SLED光源，第二端口外接传感器，第三端口接C波段光谱分析单元，SLED光源发出的光线从第一端口进入第二端口，再由第二端口进入第三端口。所述的光环行器的隔离度大于50dB。所述的CPU及其控制单元、SLED光源和GPRS无线收发单元通过锂电池供电。
如图4所示，所述的CPU及其控制单元包括CPU处理器、光谱数据采集和通讯及拟合单元、曝光时间控制单元、SLED功率控制单元和换算处理单元；所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元采用时序及数据控制线与CPU处理器连接；所述的曝光时间控制单元采用时序及数据控制线与CPU处理器连接；所述的SLED功率控制单元采用功率电流驱动控制线与CPU处理器连接。CPU处理器采用32位ARM9处理器，功耗低，处理能力足够。
所述的C波段光谱分析单元与曝光时间控制单元连接通讯；所述的SLED光源与光谱数据采集和通讯及拟合单元连接通讯；所述的换算处理单元分别与Flash数据存储单元和GPRS无线收发单元连接通讯；CPU处理器处理后的数据传输给换算处理单元，经换算处理单元换算处理后传输给LCD显示单元，用于显示数据。
如图1所示，所述的C波段光谱分析单元包括输入狭缝1、准直透镜2、反射型衍射光栅3、聚焦透镜4和阵列探测器5，光线通过输入狭缝后射向准直透镜，经准直透镜后射向反射型衍射光栅，然后经反射型衍射光栅反射后射向聚焦透镜，最后经聚焦透镜射向阵列探测器。
如图2所示，所述的C波段光谱分析单元中的各部件采用多维立体分布，所述的准直透镜2位于输入狭缝1的右侧，反射型衍射光栅3位于准直透镜2的正下方，聚焦透镜4位于准直透镜2的右侧，阵列探测器5位于聚焦透镜4的正下方及反射型衍射光栅3的右侧。图中，ß1为36度，ß2为35度。
所述SLED光源的控制电路用1：99耦合器分光出1%给阵列探测器探测输出光功率。
所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元，对阵列探测器时序控制，通过时序控制采集速率及光谱读出速度，将读出数据进行高斯拟合，算出高精度波长。
所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元为ADF7671芯片。
所述的曝光时间控制单元，根据反射型衍射光栅反射回的光谱功率大小判断，控制阵列探测器曝光时间，从而控制光电转换在最佳的线性放大区间。
所述的换算处理单元：将根据用户应用需要，将传感器的参数换算处理，输出实际应用需要的物理量。
所述的SLED功率控制单元，采集SLED光源阵列探测器输出的光功率，实时控制SLED光源驱动电流，根据SLED光源内部热敏电阻，控制SLED光源的冷却器，维持25℃。
LCD显示单元：采用4寸彩色LCD屏，显示波长，物理量、光谱谱型，直观实时的可是界面，便于用户实时观察在应用中和施工中传感器及光路是否优化是否正常。便于直观实时显示传感器变化情况。
GPRS无线收发单元：采用GPRS模式，CPU将波长信息和物理量信息通过TTL电平串口与无线收发单元发送和接受，波特率：115200。起始和停止位：１，８位数据位，奇偶检验。该单元可以通过USB配置接口配置注册用户手机号码，可以多个到５个用户。
用户可以控制无线收发功能是否启动，默认情况下，仪器不会自动发送给用户，需要信息时，用户可以通过注册的手机号码发送“发送信息使能”信息，GPRS无线收发单元收到信息后，CPU控制单元会实时发送信息给用户。用户也可以发送信息禁止仪器发送信息。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
Claims (5)
1.无线手持式光纤光栅解调仪，包括光环行器，其特征在于，还包括C波段光谱分析单元、SLED光源、CPU及其控制单元、LCD显示单元、Flash数据存储单元和GPRS无线收发单元；
所述的光环行器具有三端口，第一端口接SLED光源，第二端口外接传感器，第三端口接C波段光谱分析单元，SLED光源发出的光线从第一端口进入第二端口，再由第二端口进入第三端口；
所述的CPU及其控制单元包括CPU处理器、光谱数据采集和通讯及拟合单元、曝光时间控制单元、SLED功率控制单元和换算处理单元；所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元采用时序及数据控制线与CPU处理器连接；所述的曝光时间控制单元采用时序及数据控制线与CPU处理器连接；所述的SLED功率控制单元采用功率电流驱动控制线与CPU处理器连接；
所述的C波段光谱分析单元与曝光时间控制单元连接通讯；所述的SLED光源与光谱数据采集和通讯及拟合单元连接通讯；所述的换算处理单元分别与Flash数据存储单元和GPRS无线收发单元连接通讯；CPU处理器处理后的数据传输给换算处理单元，经换算处理单元换算处理后传输给LCD显示单元，用于显示数据；
所述的CPU及其控制单元、SLED光源和GPRS无线收发单元通过一锂电池供电；
所述的C波段光谱分析单元包括输入狭缝、准直透镜、反射型衍射光栅、聚焦透镜和阵列探测器，光线通过输入狭缝后射向准直透镜，经准直透镜后射向反射型衍射光栅，然后经反射型衍射光栅反射后射向聚焦透镜，最后经聚焦透镜射向阵列探测器；
所述的C波段光谱分析单元中的各部件采用多维立体分布，所述的准直透镜位于输入狭缝的右侧，反射型衍射光栅位于准直透镜的正下方，聚焦透镜位于准直透镜的右侧，阵列探测器位于聚焦透镜的正下方及反射型衍射光栅的右侧；
所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元，对阵列探测器时序控制，通过时序控制采集速率及光谱读出速度，将读出数据进行高斯拟合，算出高精度波长；
所述的曝光时间控制单元，根据反射型衍射光栅反射回的光谱功率大小判断，控制阵列探测器曝光时间，从而控制光电转换在最佳的线性放大区间；
所述的SLED功率控制单元，采集SLED光源阵列探测器输出的光功率，实时控制SLED光源驱动电流，根据SLED光源内部热敏电阻，控制SLED光源的冷却器，维持20-30℃。
2.根据权利要求1所述的无线手持式光纤光栅解调仪，其特征在于，所述SLED光源的控制电路用1：99耦合器分光出1%给阵列探测器探测输出光功率。
3.根据权利要求1所述的无线手持式光纤光栅解调仪，其特征在于，所述的光谱数据采集和通讯及拟合单元为ADF7671芯片。
4.根据权利要求1所述的无线手持式光纤光栅解调仪，其特征在于，所述的换算处理单元：将根据用户应用需要，将传感器的参数换算处理，输出实际应用需要的物理量。
5.根据权利要求1所述的无线手持式光纤光栅解调仪，其特征在于，所述的光环行器的隔离度大于50dB。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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