CN202101684U

CN202101684U - 基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统

Info

Publication number: CN202101684U
Application number: CN2011202148927U
Authority: CN
Inventors: 张青; 孟宪玮; 史彦新; 韩永温; 张晓飞; 郝文杰; 曾克
Original assignee: Center for Hydrogeology and Environmental Geology CGS
Current assignee: Center for Hydrogeology and Environmental Geology CGS
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-06-23

Abstract

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、数据传输模块及电源控制模块。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模块，波长解调模块将光信号解调为电信号；中心控制单元通过光纤光栅数据处理模块，对该信号进行实时采集和处理，并自动存储原始信号和解算出的被测物理信息，再由数据传输模块通过无线公网将监测点的信息传输至数控中心；电源控制模块通过单片机控制继电器的闭合，控制上述各个部分电源的通断，从而降低功耗。

Description

基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统

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，许多大专院校和公司都相继开发出光纤光栅监测解调仪，但大多只解调出光纤光栅的中心波长，并未直接给出对应的被测物理量的信息，需要利用相关软件或人为计算被测物理量。同时在实际应用中没有实现在无人职守情况下的自动采集与数据远程传输的功能，使光纤光栅解调仪在工程的应用存在局限性。

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：

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模块；所述的宽带光源产生的宽带光入射光环行器的输入口，经其输出口输出，接入光栅传感器阵列，光栅传感器阵列的反射光信号通过光环行器反射口送入波长解调模块；该系统中设有中心控制单元及数据传输模块，所述的中心控制单元以嵌入式微处理器为核心器件，内置存储有数据处理模块；该监测系统采用模块化结构设计，所述的宽带光源、光环行器、波长解调模块、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，波长解调模块将接收的光信号解调为电信号；中心控制单元对波长解调模块解调的电信号进行实时采集和处理以得到被测物理量，并自动保存原始信号及被测物理量信息；数据传输模块通过无线公网将监测点的原始波长信号及得到的物理量信息传输至数控中心。

所述的数据处理模块存储有可自动采集的数据及远程传输的光纤光栅数据。

所述的数据传输模块与数控中心建立链接，其为内置TCP/IP协议的无线数传模块，根据设置的工作参数，自动登陆GPRS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模块。

所述的电源模块是由单片机芯片控制继电器的闭合，进而控制各个模块电源的通断，降低系统功耗。

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，数据传输模块的实时在线功能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；

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。

附图说明

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）。

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。

下面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、数据传输模块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模块４，波长解调模块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，进而控制各个模块电源的通断，降低系统功耗。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。

所述波长解调模块４可选用美国Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解调模块，该模块的优点是：响应速度快，热稳定性能好，可实现对光栅传感器波长的快速检测。波长解调模块的供电电源+5V，电源纹波小于100mV，光输入端接头方式为FC/APC。波长解调模块和中心控制单元可以通过并口、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，然后对解调模块进行初始化，检测解调模块的工作状态，读取解调模块的采集参数。当解调模块的工作状态正常，采集数据，并实时地动态地显示每个光栅传感器的波长，根据传感器波长和被测物理量之间的关系计算被测物理量，并以图表的方式实时显示。

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，自动打开各模块的电源，进入测量状态，将测量数据保存并通过无线传输模块发送，测量完毕后，系统自动关闭各模块电源，进入休眠状态，至到下一次采集时间。

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的无线传输模块。数传模块通过标准RS232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，数传模块利用GPRS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。

所述的电源控制模块７将供电电源输入的电压进行滤波，降低纹波，根据各模块对电源的要求，转换成各模块需要的电压，通过单片机控制继电器闭合，进而控制各模块电源的通断，在系统不工作时，及时切断各模块电源，实现系统的低功耗。

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，电源控制模块对外部供电电源进行滤波，降低纹波，并将12V转换成其它模块所需的电压。DC-DC直流转换模块选用美国VICOR公司的VI-JOO、VI-JO1电源模块。图3、图4为电源稳压滤波电路。

图中V1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、解调模块使用。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。

由于数传模块的电源是9V，因此电源控制模块是通过AOZ1014芯片将12V转换成9V，向数传模块提供电源。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为波长解调电源模块电源。当监测时，PFBG=1（即高电平），JD1（继电器）导通，Vlaser=5Vout，Vfbga=5Vout；当监测完后，PFBG=0（即低电平），JD1关闭，Vlaser=0V，Vfbga=0V。

继电器的控制信号由单片机AT89C51的P1口控制，具体实现方案如图7所示。图中，P9V控制数据传输模块电源的通断，P9V=1, 接通数据传输模块的电源，P9V=0，断开电源；PFBG 控制光源和解调模块电源的通断，PFBG=1，接通光源和解调模块的电源，PFBG=0，断开电源；PCPU控制中心控制单元电源的通断，PCPU=1，接通中心控制单元电源，PCPU=0，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，通过数据传输模块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±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。

Claims

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模块；所述的宽带光源产生的宽带光入射光环行器的输入口，经其输出口输出，接入光栅传感器阵列，光栅传感器阵列的反射光信号通过光环行器反射口送入波长解调模块；其特征在于：

该系统中设有中心控制单元及数据传输模块，所述的中心控制单元以嵌入式微处理器为核心器件，内置存储有数据处理模块；

该监测系统采用模块化结构设计，所述的宽带光源、光环行器、波长解调模块、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，波长解调模块将接收的光信号解调为电信号；中心控制单元对波长解调模块解调的电信号进行实时采集和处理以得到被测物理量，并自动保存原始信号及被测物理量信息；数据传输模块通过无线公网将监测点的原始波长信号及得到的物理量信息传输至数控中心。

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协议的无线数传模块，根据设置的工作参数，自动登陆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:所述的波长解调模块是FBGA模块。

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：所述的电源模块是由单片机芯片控制继电器的闭合，进而控制各个模块电源的通断。

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。