CN114125591B - 一种用于光纤传感通信的终端传感器和传感方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于光纤传感通信的终端传感器和传感方法，将放置在待测物体或场所的传感器所采集到的环境信息转为特定频率的脉冲编码方式对光纤进行振动传感，光纤中的光信号受到终端传感器的振动，作用在光纤中时（例如温度、湿度等等参数的变化），通过光信号的改变而改变光纤的参数（例如折射率、半径大小等等），进而改变输入光信号的强度、相位或偏振态。通过这种方式能够克服传统无线传感器或有线传感器的工作场所的限制，在不同的工作环境下均能有效地及时反馈传感器所采集到的信息，提高传感数据的传输效率。

Description

一种用于光纤传感通信的终端传感器和传感方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种用于光纤传感通信的终端传感器和传感方法。

背景技术

现有无线传感器和有线传感器都是通过无线电磁波或者有线电缆/光缆进行传感器信息传输，而这种传感信息必须依赖于传感主机，传感主机与传感器进行链接将传感器回传的信息比如温度、湿度、应力等信息进行解析分析。传统的传感器无法直接作用到光纤中，利用光纤中的光信号进行传感信息的传输，且需要建立主机系统，且施工难度较大，对施工人员技术水平要求高，同时多位置点有源耦合需要的电源在地下、水下或架空场景下较难获得，电缆或无线网络布设成本较高。

发明内容

鉴于上述因素的不足，本发明提出一种与现有传感器不同的光纤传感通信终端传感器，实现上述特殊场景下的信息有效可靠发送，考虑到既有光缆网络的宏大规模，本发明涉及的用于光纤传感通信的终端传感器不受上述因素影响限制，同时也无需建设复杂的主机、电源系统等工序即可实现数据的传递。现有光缆纤芯对温度等外界环境参数的直接定量感知误差较大，很多时候只能根据数据进行定性分析，而现有各种传感器对于各种物理参数的感知和传输精度非常高，因此通过其与终端传感器作用到光纤中实现光传感技术的叠加，由传统的传感器实现信息的获取，而由终端传感器对传统传感器信息的以一种特定频率脉冲编码方式，发生振动作用到光纤中，进而以传感技术实现对数据的有效可靠传输。

一种用于光纤传感通信的方法，该方法应用于由外部传感器、终端传感器、基站主机所组成的通信系统，所述外部传感器将采集到的温度传感信息通过485总线传输到终端传感器，所述终端传感器形成于光纤中，终端传感器在接收到所述传感信息后通过特定频率的脉冲编码方式，启动内部振动发生器，带动光纤发生振动，连接光纤的基站主机此时接收光信号并进行分析从而获知所述传感信息；其中，所述基站主机接收光信号并分析从而获知所述传感信息包括：通过探测出所接收的光信号的相位变化量确定出施加到光纤上的应力后，根据基站主机事先存储的关于待测设备的温度或湿度大小与所述应力大小二者之间的对应关系，确定出所述待测设备的温度或湿度大小。

进一步地，所述外部传感器是温度传感器或湿度传感器，其通过环氧树脂固化在待测设备的表面；所述基站主机基于获取到的温度或湿度信息与当前环境温度或湿度之间的关系，发出用于控制待测设备温度或湿度的控制指令给所述待测设备，使得该待测设备的温度或湿度处于一个合理的数值范围。

进一步地，所述终端传感器由光纤、将光纤紧固于机身的固定元件、以及一个可以在水平方向上振动的振动发生器组成，所述终端传感器在接收到所述外部传感器传输过来的温度或湿度信息后，可以根据温度或湿度信息的内容产生特定频率的脉冲编码信号，该特定频率的脉冲编码信号传输到所述振动发生器的接口从而启动所述振动发生器并在光纤上产生对应的应力，使得所述光纤在该应力的作用下发生周期性的振动。

进一步地，所述振动发生器固定在终端传感器机身上，它是由小型电机、离心凸轮、弹性件以及支撑板构成，其中所述弹性件设置于离心凸轮与光纤之间，所述小型电机则设置在所述支撑板上，用于驱动离心凸轮发生旋转，使弹性件发生移动，从而带动光纤产生振动。

进一步地，光纤中所传输的到达所述基站主机的光信号的相位的变化量和作用到光纤上的应力成正比，它是由受到应力作用的光纤的长度以及折射率的改变所引起的，该应力与所述相位变化量符合以下数学关系式：

上式中P为施加在纤芯上的应力，

为光信号的相位改变量。k是光信号在真空中的波数，n为光纤的折射率，L为受到应力作用的光纤的长度，

为泊松比，E为光纤的弹性模量，

和

为弹光张量分量。

一种用于光纤传感通信的终端传感器，其设置于单模传输光纤中，它由光纤、将光纤紧固于机身的固定元件、以及一个可以在水平方向上振动的振动发生器组成，所述终端传感器通过485总线接收外部传感器采集到的传感信息，在接收到所述传感信息后通过特定频率的脉冲编码方式，启动内部振动发生器，带动光纤发生振动，连接光纤的基站主机此时接收光信号并进行分析从而获知所述传感信息；其中，所述基站主机接收光信号并分析从而获知所述传感信息包括：通过探测出所接收的光信号的相位变化量确定出施加到光纤上的应力后，根据基站主机事先存储的关于待测设备的温度或湿度大小与所述应力大小二者之间的对应关系，确定出所述待测设备的温度或湿度大小。

进一步地，所述外部传感器是温度传感器或湿度传感器，其通过环氧树脂固化在待测设备的表面；所述终端传感器在接收到所述外部传感器传输过来的温度或湿度信息后，可以根据温度或湿度信息的内容产生特定频率的脉冲编码信号，该特定频率的脉冲编码信号传输到所述振动发生器的接口从而启动所述振动发生器并在光纤上产生对应的应力，使得所述光纤在该应力的作用下发生周期性的振动。

进一步地，所述振动发生器固定在终端传感器机身上，它是由小型电机、离心凸轮、弹性件以及支撑板构成，其中所述弹性件设置于离心凸轮与光纤之间，所述小型电机则设置在所述支撑板上，用于驱动离心凸轮发生旋转，使弹性件发生移动，从而带动光纤产生振动。

进一步地，光纤中所传输的到达所述基站主机的光信号的相位的变化量和作用到光纤上的应力成正比，它是由受到应力作用的光纤的长度以及折射率的改变所引起的，该应力与所述相位变化量符合以下数学关系式：

上式中P为施加在纤芯上的应力，

为光信号的相位改变量。k是光信号在真空中的波数，n为光纤的折射率，L为受到应力作用的光纤的长度，

为泊松比，E为光纤的弹性模量，

和

为弹光张量分量。

此外，还提出了一种计算机可读存储介质，其包括程序或指令，当所述程序或指令在计算机上运行时，能够完成上述本申请所公开的用于光纤传感通信的方法。

本发明所涉及的用于光纤传感通信的终端传感器，能够在无线或有线信号覆盖缺失场景下，实现温度、湿度等传感信息的传输发生，避免了附加值低的场景下无线信号覆盖的设备投入成本以及有线通信系统所需的有源割接耦合操作及设备成本，具有较大的技术应用价值；并且现场使用安装方便，内置电池经久耐用、防水等级高、能适应各种恶劣环境，无需复杂的电源供电且低功耗工作等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的用于实现光纤传感通信的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中终端传感器的构成图；

图3为本发明实施例中振动发生器的结构图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个” 及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1所示， 为本发明用于实现光纤传感通信的系统，该系统由外部传感器、终端传感器、光纤以及基站主机所组成。本发明的光纤传感通信的原理是：光纤在发生振动的情况下会改变光波传输的一个或多个属性，例如光强、极化状态、相位以及频率等，光纤不仅作为光信号在主机与传感装置之间的传播煤质，其本身也可以作为感应元件使用，光纤由纤芯，包层和保护层构成，纤芯所发出的杂散光经过包层后能够反射回纤芯，使得光信号在传输过程中尽可能地降低能量损失。这是因为在折射率这个参量上纤芯比包层要高，这样使得光信号在传输到包层的时候会出现全反射。当光纤外部的应力状态发生变化时，它的折射率也会随之发生变化。这个压力(或应力)与光信号存在一定的对应关系，也就是当压力提高或降低时，在光纤中传输的光信号的一些参数会发生变化，故通过分析这些变化就能知道该压力大小的变化，这些参数可以是光功率、频率、相位以及频率等。

所述外部传感器设置在待测设备上，该待测设备与基站主机建立有通信连接关系，可以接收基站主机所发出的状态控制指令。当其附属在待测设备上时，可以通过环氧树脂固化在待测设备的表面，外部传感器配置有485总线接口，具体地，该外部传感器可以是一个温度传感头或湿度传感头，它具有一个与待测物体接触的平面，外部传感器将采集到的温度或湿度信息通过485总线传输到终端传感器，终端传感器形成于光纤中，在接收到所述的温度或湿度信息后启动其内部的振动发生器，具体地，终端传感器根据外部传感器的传感信息，通过特定频率的脉冲编码方式，启动内部振动发生器。振动发生器带动光纤发生振动，使得此时光纤的折射率发生变化，从而令到在光纤中传播的光信号的特性参数按照一定的规则发生变化，例如相位会发生变化，随着光信号的行进，光强也会出现变化，这些光信号通过光纤传输到基站主机，所述的基站主机包含有光电检测器和控制模块，光电检测器接收所述光信号并完成光电转换将信号变换为电信号，然后传输给数据处理模块，由数据处理模块中的滤波器对所述电信号进行滤波，滤除频率在20kHz以下的电信号。接着数据处理模块将处理好的电信号传输给控制模块，最终由控制模块识别出这些按照规则变化的光波信号，从而获知所述的温度或湿度传感信息。

作为一个具体的实施例，参考图2和图3，终端传感器10由光纤2、将光纤紧固于机身的固定元件1、以及一个可以在水平方向上振动的振动发生器3组成，图3示意出使用螺钉4将光纤固定。该振动发生器3也固定在机身上，它是由小型电机6、离心凸轮5、弹性件8以及支撑板7构成，弹性件8设置于离心凸轮5与光纤2之间，小型电机6则设置在支撑板7上，用于驱动离心凸轮5发生旋转，使弹性件8发生移动，从而带动光纤2产生振动。该终端传感器在接收到外部传感器传输过来的温度或湿度信息后，可以根据温度或湿度信息的内容产生特定频率的脉冲编码信号，该特定频率的脉冲编码信号传输到该振动发生器3的接口9从而启动该振动发生器3并在光纤上产生对应的应力，使得光纤2在该应力的作用下发生周期性的振动，从而影响到光纤自身的折射率，通过在基站主机内探测光纤传输回来的光信号，便能获知外部温度或湿度传感器所采集到的传感信息。具体地，基站主机内的控制模块包含智能分析子模块，该智能分析子模块存储有关于所述待测设备的温度或湿度大小与所述应力大小二者之间的对应关系表，在分析了接收的光信号的特性参数例如相位变化量，并确定出施加到光纤2上的应力之后，便可以通过查找上述关系表，确定出所述待测设备的温度或湿度大小；并且所述智能分析子模块还能够基于获取到的温度信息与当前环境温度或湿度之间的关系，发出用于控制待测设备温度或湿度的控制指令给待测设备，使得该待测设备的温度或湿度处于一个合理的数值范围。

作为另一个具体的实施例，当有应力（或振动信号）作用于光纤时，位于终端传感器10内的光纤2的长度和折射率会发生变化，使得光波在光纤中传输时相位会发生改变，这个相位的变化量是和作用到光纤上的应力成正比的，它是由受到应力作用的光纤的长度以及折射率的改变所引起的。假设光纤的纤芯在径向均匀受到应力的作用，则可以得到该应力与相位变化量的数学关系式，

， (1)

上式中P为施加在纤芯上的应力，

为光信号的相位改变量。k是光信号在真空中的波数，n为光纤的折射率，L为受到应力作用的光纤的长度，

为泊松比，E为光纤的弹性模量，

和

为弹光张量分量。当施加到光纤上的应力变大时，光信号的相位的改变程度也会随之变大，相反当应力减小时，相位的改变程度也会随之变小。通过基站主机的光电检测器和数据处理模块能够完成光信号的相位改变量的解调，从而经由公式(1)得知施加在纤芯上的应力。

作为一个具体的实施例，终端传感器10的振动发生器3内包含有一主控模块(未图示)，该主控模块存储有一个数据库，该数据库记录了待测设备的温度或湿度大小、振动发生器3施加到光纤2上的应力大小以及特定频率的脉冲编码信号之间的对应关系。当终端传感器10接收到来自温度传感器经由485总线传输而来的温度或湿度信息后，通过查找上述数据库中的对应关系，获知所要施加到光纤2上的应力大小，进而产生与该应力所对应的特定频率的脉冲编码信号并驱动离心凸轮5发生旋转而形成相应的施加到光纤2上的应力。此外，终端传感器10采用了梯形凹槽的设计方式，能够适应不同光缆大小尺寸，并且内部机体也采用了IP65防护等级构建，能够适应多种恶劣的通信环境。

综上，本发明所涉及的用于光纤传感通信的终端传感器，能够在无线或有线信号覆盖缺失场景下，实现温度、湿度等传感信息的传输发生，避免了附加值低的场景下无线信号覆盖的设备投入成本以及有线通信系统所需的有源割接耦合操作及设备成本，具有较大的技术应用价值。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中， 也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品 销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解， 本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中， 该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中， 所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、 对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括： 能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、 磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软 件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照 前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特 征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发 明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光纤传感通信的方法，该方法应用于由外部传感器、终端传感器、基站主机所组成的通信系统，所述外部传感器将采集到的传感信息通过485总线传输到终端传感器，所述终端传感器设置于单模传输光纤中，所述终端传感器在接收到所述传感信息后通过特定频率的脉冲编码方式，启动内部振动发生器，带动光纤发生振动，连接光纤的基站主机此时接收光信号并分析从而获知所述传感信息；其中，所述基站主机接收光信号并分析从而获知所述传感信息包括：通过探测出所接收的光信号的相位变化量确定出施加到光纤上的应力后，根据基站主机事先存储的关于待测设备的温度或湿度大小与所述应力大小二者之间的对应关系，确定出所述待测设备的温度或湿度大小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外部传感器是温度传感器或湿度传感器，其通过环氧树脂固化在待测设备的表面；所述基站主机基于获取到的温度或湿度信息与当前环境温度或湿度之间的关系，发出用于控制待测设备温度或湿度的控制指令给所述待测设备，使得该待测设备的温度或湿度处于一个合理的数值范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述终端传感器由光纤、将光纤紧固于机身的固定元件、以及一个可以在水平方向上振动的振动发生器组成，所述终端传感器在接收到所述外部传感器传输过来的温度或湿度信息后，可以根据温度或湿度信息的内容产生特定频率的脉冲编码信号，该特定频率的脉冲编码信号传输到所述振动发生器的接口从而启动所述振动发生器并在光纤上产生对应的应力，使得所述光纤在该应力的作用下发生周期性的振动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述振动发生器固定在终端传感器机身上，它是由小型电机、离心凸轮、弹性件以及支撑板构成，其中所述弹性件设置于离心凸轮与光纤之间，所述小型电机则设置在所述支撑板上，用于驱动离心凸轮发生旋转，使弹性件发生移动，从而带动光纤产生振动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光纤中所传输的到达所述基站主机的光信号的相位的变化量和作用到光纤上的应力成正比，它是由受到应力作用的光纤的长度以及折射率的改变所引起的，该应力与所述相位变化量符合以下数学关系式：

上式中P为施加在纤芯上的应力，

为光信号的相位改变量，k是光信号在真空中的波数，n为光纤的折射率，L为受到应力作用的光纤的长度，

为泊松比，E为光纤的弹性模量，

和

为弹光张量分量。

6.一种用于光纤传感通信的终端传感器，其设置于单模传输光纤中，其特征在于，它由光纤、将光纤紧固于机身的固定元件、以及一个可以在水平方向上振动的振动发生器组成，所述终端传感器通过485总线接收外部传感器采集到的传感信息，在接收到所述传感信息后通过特定频率的脉冲编码方式，启动内部振动发生器，带动光纤发生振动，连接光纤的基站主机此时接收光信号并进行分析从而获知所述传感信息；其中，所述基站主机接收光信号并分析从而获知所述传感信息包括：通过探测出所接收的光信号的相位变化量确定出施加到光纤上的应力后，根据基站主机事先存储的关于待测设备的温度或湿度大小与所述应力大小二者之间的对应关系，确定出所述待测设备的温度或湿度大小。

7.根据权利要求6所述的终端传感器，其特征在于，所述外部传感器是温度传感器或湿度传感器，其通过环氧树脂固化在待测设备的表面；所述终端传感器在接收到所述外部传感器传输过来的温度或湿度信息后，可以根据温度或湿度信息的内容产生特定频率的脉冲编码信号，该特定频率的脉冲编码信号传输到所述振动发生器的接口从而启动所述振动发生器并在光纤上产生对应的应力，使得所述光纤在该应力的作用下发生周期性的振动。

8.根据权利要求6所述的终端传感器，其特征在于，所述振动发生器固定在终端传感器机身上，它是由小型电机、离心凸轮、弹性件以及支撑板构成，其中所述弹性件设置于离心凸轮与光纤之间，所述小型电机则设置在所述支撑板上，用于驱动离心凸轮发生旋转，使弹性件发生移动，从而带动光纤产生振动。

9.根据权利要求6所述的终端传感器，其特征在于，光纤中所传输的到达所述基站主机的光信号的相位的变化量和作用到光纤上的应力成正比，它是由受到应力作用的光纤的长度以及折射率的改变所引起的，该应力与所述相位变化量符合以下数学关系式：

上式中P为施加在纤芯上的应力，

为光信号的相位改变量，k是光信号在真空中的波数，n为光纤的折射率，L为受到应力作用的光纤的长度，

为泊松比，E为光纤的弹性模量，

和

为弹光张量分量。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序或指令，当所述程序或指令在计算机上运行时，如权利要求1至5中任一项所述的方法被执行。

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