专利名称：一种基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统的制作方法
技术领域：
本发明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及其利用该设备实现监测的方法。
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、应力或其它待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，即可获得待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，可获得监测点的待测物理量，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，待测参数(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待测物理量的信息，需要利用相关软件或人为 计算待测物理量。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。
发明内容
本发明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，本发明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ASE宽带光源、光环行器、光纤 光栅传感阵列、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ASE宽带 光源产生的宽带光入射光环行器的输入端口，经其输出端口输出，接入光栅传感器阵列，光 栅阵列反射的光信号通过光环行器反射端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，安装有可实现数 据自动采集、远程传输的光纤光栅数据处理应用软件；该监测系统采用模块化结构设计，所 述的ASE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，通过该监测系统机箱 面板上的光输入接口，将光栅阵列反射的光信号输入该监测系统，波长解调模块将接收的 光信号解调为电信号；中心控制单元通过计算机程序对波长解调模块解调的电信号进行实 时采集和处理，通过分析、处理最终解算出监测点的待测物理量，并自动保存原始信号及解 算的被测物理量信息；数据传输模块通过无线公网将监测点的原始波长信号及解算出的物 理量信息传输至数控中心。所述的无线公网选用GPRS无线公网。所述中心控制单元的计算机编程模块中的控制软件采用Labview平台编写。 所述波长解调模块选用美国Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解调模块，采 用USB接口方式。所述光纤光栅数据处理应用程序中设定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。监测系统还配置可将太阳能转化成电能存储在蓄电池中的太阳能板，为系统提供 电源。所述的电源控制模块通过单片机控制继电器的闭合，进而控制上述各个模块电源 的通断，降低系统功耗。所述光环行器至少具有宽带光输入、输出及反射三个端口。本发明的优点是
1)本发明基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统通过安装于中心控制单元的光纤 光栅数据处理软件设置采集时间、采集间隔，进入自动监测模式，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)根据光纤光栅中心波长漂移和被测物理量之间的关系，对监测现场采集的光栅波长 数据通过光纤光栅监测解调软件直接解算出被测物理量，并可实时显示、保存、传输，其结 果直观，操作简便；
4)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。
图1为本发明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 为本发明FBGA USB接口连线图。图3为本发明软件工作流程图。图4为本发明光纤光栅数据处理系统应用程序软件流程图。图如为本发明电源稳压滤波电路图(12V/5V)。图恥为本发明电源稳压滤波电路图(12V/12V)。图6为本发明数据传输模块电源电路图(12V/9V)。图7为本发明继电器控制电路图。图8本发明控制信号电路图。下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。
具体实施例方式参阅图1所示的实施方案，本发明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，中心控制单元通过光纤光栅数据处理软件时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、显示，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IOOmV,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。本发明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
5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主要实现采集参数的设置、光纤光栅传感器波长的采集、 被测物理量计算、实时显示、输出和保存以及对整个系统的控制。本发明的中心控制单元以 嵌入式微处理器为核心，采用WindowsXP为操作系统，其上安装光纤光栅数据处理应用程 序，具有人性化的可视界面，方便地进行参数设置和测试结果的实时显示。所述的光纤光栅数据处理系统应用程序启动后，默认的工作模式为自动测量模 式，软件的工作流程图如图3所示。点击“人工测量”可进入人工测量模式。所述的自动模式工作流程为首先打开信息记录文件，检测解调模块的工作状态。 当解调模块工作正常时，读取采集时间和传感器参数，根据当前时间判断是否到达采集时 间。当到达采集时间，进行数据采集，计算被测物理量，将测量信息以文件方式保存，同时将 数据通过数据传输模块传输至数控中心，然后根据采集间隔计算下次采集时间，将下次采 集时间、采集间隔写入采集时间文件，并将下次采集时间、采集间隔和本次采集完成指令发 送到电源控制模块，电源控制模块接到指令，断开各部分电源，系统进入休眠模式。当到达 采集时间，系统会自动唤醒，接通各模块电源，进入工作状态。在自动采集模式中，为方便查 看每次测量工作状态，将工作状态信息存入特定的信息文件中。当解调模块工作状态不正 常时，将当前时间、解调模块错误信息写入信息文件，并向电源控制模块发送关机-重启指 令，同时关闭中心控制单元。电源控制模块接到该指令，断开解调模块电源，延时1分钟后， 重新接通解调模块和中心控制单元电源，启动光纤光栅数据处理应用软件，检测解调模块 状态，状态正常，则进行自动采集。如果不正常，则再次发送关机-重启指令，反复3次，解 调模块状态均不正常，则向数控中心发送出错信息，监测人员接到信息，根据错误提示进行 相应的处理。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。为方便操作人 员使用，光纤光栅监测解调应用软件具有各项操作提示，操作简单实用。针对基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统可直接解算出被测物理量数据的 功能，所述的应用软件根据光纤光栅传感器的不同类型，计算传感器测试结果。对于应变传 感器，根据
&ε = Ki^l -If0) +^(In -Iro)-αΔΤ(I)
B=1000-2. 3XK(2)
AT = 100^-(3)
式中，Δ ε为应变，单位为μ ε，K为应变传感器应变系数，λ ε 1为应变传感器测试 波长，λ ε 0为传感器基准波长(初次测试波长)，λ Tl温度传感器测试波长，λ TO温度传感 器基准波长，B为温度校准系数，α为被测物体热膨胀系数，Δ T为温度变化量。根据1，2， 3式计算出传感器的应变值。
对于位移传感器，根据
权利要求
1.一种基于远程传输的嵌入式光纤光栅监测系统，包括有ASE宽带光源、光环行器、光 纤光栅传感阵列、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ASE宽 带光源产生的宽带光入射光环行器的输入端口，经其输出端口输出，接入光栅传感器阵列， 光栅阵列反射的光信号通过光环行器反射端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，安装有可实现数据自动采集、远程传输的光纤光栅数据处理应用软件；该监测系统采用模块化结构设计，所述的ASE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，通过该监测系统机箱面板上的光输入接口，将光栅阵列反射的光信号 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；中心控制单元通过光纤光 栅数据处理应用程序对波长解调模块解调的电信号进行实时采集和处理，通过分析、处理 最终解算出监测点的待测物理量，并自动保存原始信号及解算的被测物理量信息；数据传 输模块通过无线公网将监测点的原始波长信号及解算出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 述的无线公网选用GPRS无线公网。
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 述中心控制单元安装的光纤光栅数据处理应用软件采用Labview平台编写。
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 述波长解调模块选用美国Bayspec公司的FBGA-S-1525-1565-FA解调模块，采用USB接口 方式。
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 述光纤光栅数据处理应用程序中设定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。
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。
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，其特征在于配 置太阳能板，该太阳能板可将太阳能转化成电能存储在蓄电池中，为监测系统提供电源。
8.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 述光环行器至少具有宽带光输入、输出及反射三个端口。
全文摘要
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的输入口，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的应用软件，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，从而控制上述各个部分电源的通断，达到降低功耗的目的。
文档编号G08C17/02GK102062616SQ20101058670
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者史彦新, 孟宪玮, 张晓飞, 张青, 曾克, 郝文杰, 韩永温 申请人:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心