基于Zigbee技术的分布式折射率传感网络的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于Zigbee无线传输技术和反射型长周期光纤光栅实现的折射率传感网络，它包括一台监测设备、一个Zigbee无线数据传输平台、多个光电转化电路、多台1550nm波长DFB激光器、多个光纤环形器、多根反射型长周期光纤光栅传感头。所述的DFB激光器信号输出端与光纤环形器的a端口连接，光纤环形器的b端口与反射型长周期光纤光栅的一端相连，c端口接入光电转化电路的光信号输入端，光电转化电的电信号输出端连接至Zigbee终端。DFB激光器、环形器、和反射型长周期光纤光栅和Zigbee终端组成一个传感节点。所述的传感节点与Zigbee协调器进行无线连接组网，形成折射率无线传感网络。本发明针对现有技术中长周期光纤光栅难以实现复用，检测成本高等问题，提出一种布线简单、传感节点多、操作方便、组网容易、功耗低、可靠性高、抗电磁干扰的分布式折射率传感网络。
【专利说明】【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明属于光纤传感【技术领域】，涉及一种基于Zigbee无线传输技术和反射型长 周期光纤光栅实现的折射率传感网络。 基于Zigbee技术的分布式折射率传感网络 【背景技术】
[0002] 分布式传感网络是随着通信技术和传感技术的飞速发展和日益成熟而开始出现 的一种新型传感方式。分布式传感能够实现大范围测量场中分布信息的提取，以实现高效 的监测功能。比如在一些海洋环境监测、航空、桥梁和堤坝等大型设施的安全监测、矿井和 隧道的火灾防护等领域中，单凭单个传感器、单个参数测量已经无法满足大范围信息提取 的需求。因此，如何有效地实现分布式传感网络、提高传感器的复用数量和提高测量系统的 测量范围等问题已经成为了目前传感器研究领域的热点。
[0003] 随着对工业自动化的发展，对无线数据通信的抗电磁干扰、高可靠性、低复杂度、 低功耗、低成本等要求越来越强烈。Zigbee无线传输技术是针对这种需求而发展起来的无 线通信技术。Zigebee技术能够实现可多达65000个无线数据传输模块组成的无线数传网 络平台。随着我国物联网技术的逐步发展，Zigbee技术已经在部分智能传感器场景中得到 了应用。
[0004] 光纤传感器由于其耐腐蚀、抗电磁干扰、可测物理和化学参数广泛、体积小、灵敏 度高等特点在传感器领域中具有非常重要的地位。长周期光纤光栅是能够将纤芯模耦合 到包层中，并且在其透射光谱中能够产生一系列的损耗峰的一种具有特殊结构的光纤传感 器，其在光纤通信和光纤传感领域中应用比较广泛。长周期光纤光栅传感器对外界的环境 变量具有很好的线性响应，所以它常被用来对环境折射率、温度、弯曲、应力等参数进行传 感。
[0005] 随着光纤传感技术的发展，许多基于长周期光纤光栅的折射率传感器被发明出 来，但是由于长周期光纤光栅是基于损耗峰波长移动的传感机理的限制，大多的这类传感 器是建立在昂贵的检测设备之上的，比如光纤光谱仪，所以较难实现实用的目的。而且因为 长周期光纤光栅损耗峰波长范围较宽的特点使得它也不容易实现复用的应用。针对现有的 长周期光纤光栅传感器的检测成本高和复用少的问题，我们提出了一种基于Zigbee技术 和反射型长周期光纤光栅的折射率传感网络。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术中不易实现多点复用和检测成本高昂的问题，本发明提出了一 种成本低、可靠性高、抗电磁干扰、实用性好、传感头复用数量多的传感网络。
[0007] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案：
[0008] 基于Zigbee无线传输技术和反射型长周期光纤光栅实现的折射率传感网络包 括一台监测设备、一个Zigbee无线数据传输平台、多个光电转化电路、多台1550nm波长 DFB激光器、多个光纤环形器、多根反射型长周期光纤光栅传感头；所述的Zigbee无线数 据传输平台包括Zigbee终端和Zigbee协调器；所述的Zigbee终端和Zigbee协调器均以 cc2530单片机为核心；所述的光电转化电路由光电二极管、信号放大电路及模数转化电路 组成。
[0009] 所述的反射型长周期光纤光栅是通过在光栅尾端切平后利用镀膜机镀上一层银 膜制成的；所述的长周期光纤光栅在刻写时保证了 DFB激光器的光信号波长在其谢振峰边 沿的线性区域内。所述的反射型长周期光纤光栅与DFB激光器、光纤环形器和光电转化电 路连接后组成一个折射率传感节点；所述的折射率传感节点通过Zigbee无线数据传输平 台进行无线连接组网。 所述的折射率传感网络是基于反射型长周期光纤光栅周围折射率发生变化时，导致了 长周期光纤光栅的透射谱波长发生移动，使得DFP激光器产生光信号波长处的光损耗发生 改变，当从DFP激光器的激光信号强度受到长周期光纤光栅损耗调制后，由银膜反射回来 的光强将随着环境折射率的变化而发生改变。当光信号强度信息转化为电压信号的强弱 后，由Zigbee传输平台的终端发射并由协调器统一接收，然后由协调器将来自多个传感节 点处的信息传输给监测设备处理和显示。
[〇〇1〇] 本发明所具有的有益效果为：
[0011] 1、本发明利用强度解调的方法，克服了长周期光纤光栅复用困难的问题，实现了 基于长周期光纤光栅的传感网络，同时也避免了使用昂贵的解调设备，只需要成本较低的 光电二极管对传感光信号进行采集，大大降低了检测成本。
[0012] 2、本发明是采用的是反射型长周期光纤光栅，结合强度解调的方法，提高了长周 期光纤光栅传感器的灵敏度。
[0013] 3、本发明的传感头部分是基于反射型实现的，形成一种探针型的结构，这种结构 布线更为实用，同时结合Zigbee组网技术，传感节点入网简单，布线灵活，工作周期长，可 靠性高，大大提高了监测效率。 【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的结构示意图。
[0015] 图2为本发明中反射型长周期光纤光栅结构示意图。 【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对发明进一步描述。
[0017] 如图1所示，基于Zigbee技术的分布折射率传感网络包括一台监测设备1、一个 Zigbee协调器2、多个Zigbee终端3、多台DFB激光器4、多个光纤环形器5、多个光电转化 电路6,多根反射型长周期光纤光栅7。DFB激光器4的信号输出端连接光纤环形器5的a 端口，光纤环形器5的b端口连接反射型长周期光纤光栅，c端口连接光电转化电路6的光 信号输入端，光电转化电路6的电信号输出端连接Zigbee终端3。DFB激光器4、环形器5、 和反射型长周期光纤光栅和Zigbee终端3组成一个传感节点。Zigbee协调器2连接至监 测设备1。
[0018] 本发明装置的工作方式为：DFB激光器4产生1550nm激光信号，经过光纤环形器5 到达反射型长周期光纤光栅7,所述的反射型长周期光纤光栅7示意图如图2所示，其是由 普通长周期光纤光栅8尾端的端面切平后，镀上一层银膜9制作而成。由于反射型长周期 光纤光栅7透射谱边沿滤波的作用，激光信号的强度受到外界溶液折射率的调制，产生传 感信号，由银膜9反射后再一次通过长周期光纤光栅8,再次发生信号强度的衰减，之后传 感信号通过光纤环形器5到达光电转化电路6,由光电转化电路6将光信号转变数字信号， 然后信号由Zigbee终端3通过无线传输的形式传送给Zigbee协调器2,再由Zigbee协调 器2统一将来自多个传感位置处的信息传输给监测设备1由软件处理和显示。
[0019] 该装置能够实现折射率传感网络的关键技术为：利用强度解调的方式对长周期光 纤光栅的折射率传感信号进行解析，实现长周期光纤光栅的复用；在光纤光栅尾端进行镀 银操作，实现一种探针式的传感结构；采用光纤传感结构，并结合Zigebee技术，实现了一 种低功耗、高可靠性、抗电磁干扰的折射率传感网络。
[0020] 本实施例中的激光器米用输出光波长为1550nm的DFB蝶形激光器，输出功率稳 定在50mw ;监测设备为一台windows操作系统计算机；选用3根长周期光纤光栅的光栅 周期长度为620 μ m，长度为12mm，透射谱谐振波长位于1541nm处，线性范围为1541nm? 1563nm，谐振峰边沿斜率1. 18dB/nm ;光电二极管型号为LSITO-A75 ;将3根长周期分别浸 入折射率标准溶液中，通过监测设备获得的数据如表一所示。
[0021] 表一：本发明折射率传感网络三点检测结果
[0022]
【权利要求】
1.基于Zigbee无线数据传输技术和反射型长周期光纤光栅的折射率传感网络，包括 监测设备、Zigbee协调器、Zigbee终端、DFB激光器、光纤环形器、光电转化电路，反射型长 周期光纤光栅。其特征在于：所述的DFB激光器的信号输出端连接光纤环形器的a端口，光 纤环形器的b端口连接反射型长周期光纤光栅，c端口连接光电转化电路6的光信号输入 端，光电转化电路的电信号输出端连接Zigbee终端；所述的DFB激光器与光纤环形器、反射 型长周期光纤光栅、光电转化电路和Zigbee终端连接组成传感节点后通过Zigbee技术与 Zigbee协调器进行无线连接组网；所述的反射型长周期光纤光栅尾纤末端镀一层银膜。
【文档编号】G01D5/353GK104101370SQ201410345148
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】赵春柳, 袁剑英, 倪晓文, 王小明 申请人:中国计量学院