专利名称：光纤-无线混合式传感监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感和无线传感网络技术领域。
背景技术：
光纤传感因其抗电磁干扰、体积小、重量轻、耐腐蚀、本质防爆等优点,使其成为强电磁干扰、恶劣环境、小体积、大规模等传感应用领域的理想传感元件，被广泛应用于高速公路、铁路、桥梁、水坝、船舶、石油钻井、大型飞机等重要领域的健康监测。但光纤传感现场布设、维护麻烦，而且传感距离受到光纤损耗限制，最大只有100km，无法实现超远距离的实时监控。而无线传感有庞大的无线网络等优点，可以灵活的介入无线传感网络，实现超远距离实时监测，恰好弥补了光纤传感网络的布线麻烦、传感距离受限等缺点。如果我们能够将 光纤传感融入到无线传感网络，那么就能同时发挥光纤和无线两者的优点，利用现有无线传感和通信网络实现对光纤传感信息的实时监测，从而实现在强电磁干扰、极端气候等恶劣环境下超长距离的传感监测。既丰富了无线传感网络的监测范围，又扩展了光纤传感器的监测距离和应用领域。无线光纤传感技术在最近几年得到了大量的研究，例如天津大学和浙江大学等都做了大量的研究工作。但其主要的想法是把光纤光栅的波长传感信息通过非平衡干涉仪转化为相位信息，再经过A/D转换和DSP处理还原被监测物理量的信息，然后将这些信息通过无线调制装置调制成射频信号发射出去，融入到现有的无线传感网络。但这样的无线光纤传感系统需要精密光学干涉解调或波长探测装置，它的体积大、造价高、功率损耗大，无法实现小体积、高集成、功耗小的无线光纤传感。

发明内容
本发明的目的是为了解决现有无线光纤传感系统的光学干涉解调或波长探测装置的体积大、造价高、功率损耗大，难以实现小体积高集成的无线光纤传感的问题，提供一种光纤-无线混合式传感监测系统。光纤-无线混合式传感监测系统，它由泵浦光源、隔离器、波分复用器、多纵模光纤激光传感器、光电探测器、一号放大器、二号放大器、无线发射装置、无线接收装置和频率计组成，泵浦光源的输出端通过传输光纤连接在隔离器的输入端，隔离器的输出端通过传输光纤连接在波分复用器的输入端，波分复用器的信号交换端连接在多纵模光纤激光传感器的信号交换端，波分复用器的输出端通过传输光纤连接在光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接在一号放大器的输入端，一号放大器的输出端连接在无线发射装置的输入端，无线发射装置与无线接收装置之间采用无线通讯实现数据传输，无线接收装置的输出端连接在二号放大器的输入端，二号放大器的输出端连接在频率计的输入端。本发明不需要光学干涉解调或波长探测装置，而是利用光纤多纵模激光传感器作为应力、温度、压力等物理参量的传感元件，所述传感元件产生的多纵模激光器通过模式间拍频产生射频拍频传感信号，在探测器上直接生成电子射频拍频信号，放大器放大后直接通过无线发射装置融入现有的无线网络。从信号的探测到无线发射都在一个电路板上完成，实现了高度集成、性能稳定的传感方案。解决了现有无线光纤传感系统的体积大、造价高、功率损耗大的问题。接收装置接收所述拍频传感信号通过频率计就可以监测拍频信号频率变化情况，然后还原成被监测的物理信息。通过这种方法光纤传感器的信息可以很方便的融入无线传感网络，在任何时间、任何地点和任何环境都能获取光纤传感信息；适用于防电磁干扰、防爆、高温、高压、有强烈腐蚀性等场合对于应力、压力、温度等物理信息的监测，特别适用于诸如水下、高温油罐等环境复杂传感无线传感器无法实现探测但有需要超远距离实时监控的区域。用本技术可以实现对应力、压力、温度等引起激光器拍频信号改变的物理信息的实时的、无人值守的超长距离在线监测。


图I为本发明的组成结构示意图，图2为实施方式三的环形腔多纵模光纤激光传感器的结构示意图，图3为实施方式四的直腔式多纵模光纤激光传感器的结构示意图，图
4为实施方式四中979. 7MHz和1795. 5MHz的拍频传感信号频率随外界所施加应力的变化曲线图，图中“〇”组成的曲线为无线传输前自由状态下频率979. 7MHz的拍频传感信号与应力的响应关系曲线，“□”组成的曲线为无线传输后自由状态下频率979. 7MHz的拍频传感信号与应力的响应关系曲线，“ ”组成的曲线为无线传输前自由状态下频率1795. 5MHz的拍频传感信号与应力的响应关系曲线，“A”组成的曲线为无线传输后自由状态下频率1795. 5MHz的拍频传感信号与应力的响应关系曲线。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图I说明本实施方式，本实施方式所述光纤-无线混合式传感监测系统，它由泵浦光源I、隔离器3、波分复用器4、多纵模光纤激光传感器5、光电探测器6、一号放大器7、二号放大器10、无线发射装置8、无线接收装置9和频率计11组成。泵浦光源I的输出端通过传输光纤连接在隔离器3的输入端，隔离器3的输出端通过传输光纤连接在波分复用器4的输入端，波分复用器4的信号交换端连接在多纵模光纤激光传感器5的信号交换端,波分复用器4的输出端通过传输光纤连接在光电探测器6的输入端,光电探测器6的输出端连接在一号放大器7的输入端,一号放大器7的输出端连接在无线发射装置8的输入端，无线发射装置8与无线接收装置9之间采用无线通讯实现数据传输，无线接收装置9的输出端连接在二号放大器10的输入端，二号放大器10的输出端连接在频率计11的输入端。泵浦光源I经由隔离器3、波分复用器4进入多纵模光纤激光传感器5，为多纵模光纤激光传感器提供泵浦光源。在泵浦激光的作用下，多纵模光纤激光传感器5谐振腔内产生多纵模激光。多纵模激光的光信号由谐振腔出来经过光纤返回至波分复用器4，并通过波分复用器4的输出端沿着光纤到达光电探测器6，多纵模激光之间相互干涉产生射频拍频信号，经过光电探测器6探测得到射频域的拍频传感信号并由一号放大器7放大后通过无线发射装置8发射出去，融入无线网络。无线接收装置9用来接收无线传输的拍频传感信号，二号放大器10放大该拍频传感信号并传送给频率计11，用来监测该拍频传感信号的频率变化情况。借助于拍频信号频率与被监测物理量的对应关系，通过频率计11观察得到拍频传感信号频率变化值，解调出被监测的物理信息。隔离器3是为了防止多纵模光纤激光传感器5背向散射光对泵浦光源I产生干扰。多纵模光纤激光传感器5通过感受外界应力、压力、温度等物理信息来改变自身所产生的拍频传感信号的频率值，实现诸如应力、压力、温度等物理信息的传感监测。光电探测器6用来将多纵模光纤激光传感器5的光信号转换为电信号。一号放大器7和二号放大器10用来放大拍频传感信号的信号强度，弥补拍频传感信号在传输过程中的强度损耗，以便更加准确的探测。无线发射装置8和无线接收装置9分别用作拍频传感信号的无线发射与接收。利用光纤多纵模激光传感器作为应力、温度、压力等物理参量的传感元件，它产生的拍频传感信号通过探测器直接生成射频传感信号，经过放大后直接通过无线发射装置融入现有的无线网络，实现了光信号从解调到无线发射接收全电子化完成。避免了光纤非平衡干涉仪的复杂光学元件和造价高等缺点。接收装置接收所述拍频传感信号通过频率计解调此拍频传感信号，并还原被监测的物理信息。在任何时间、任何地点和任何环境都能获取 光纤传感信息。
具体实施方式
二 本实施方式是对实施方式一所述光纤-无线混合式传感监测系统的进一步限定，泵浦光源I采用980nm或者1480nm泵浦光源。
具体实施方式
三结合图2说明本实施方式,本实施方式是对实施方式一所述光纤-无线混合式传感监测系统的进一步限定，多纵模光纤激光传感器5采用环形腔多纵模光纤激光传感器，所述环形腔多纵模光纤激光传感器由光纤光栅12、耦合器13和掺铒光纤14组成，耦合器13串接在光纤光栅12和掺铒光纤14之间的光路中。泵浦光通过光纤光栅12、耦合器13进入到环形腔中，沿着顺时针和逆时针方向传播，通过掺铒光纤14放大，并经过耦合器13回到光纤光栅12处，光纤光栅12实现反射带宽内特定波长光的选择，然后特定波长的光光信号重新返回环形腔内。经过多次放大振荡后，光纤光栅12反射带宽内的多纵模激光在此环形腔内稳定激射,然后从光纤光栅12输出得到具有应力、压力、温度等物理信息的拍频传感信号。掺铒光纤14用于将外界应力、压力、温度等待测物理信息转化为多纵模光纤激光传感器产生的拍频传感信号频率的变化值。拍频传感信号频率的变化和外界所施加应力的关系为dvN = -vN [ (I-Pe) e + ( a + ^ ) AT]其中，dVN是频率计探测到的拍频信号频率变化值，vN为频率计探测到的自由状态下的拍频传感信号频率值，Pe为掺铒光纤的有效弹光系数，e为被监测的应力大小。AT谐振腔温度的变化，a是光纤的热膨胀系数，I是光纤的热光系数。
具体实施方式
四结合图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式三所述光纤-无线混合式传感监测系统的区别在于，多纵模光纤激光传感器5采用直腔式多纵模光纤激光传感器，所述直腔式多纵模光纤激光传感器由光纤光栅15、掺铒光纤16和光纤光栅17组成，掺铒光纤16串接在光纤光栅15和光纤光栅17之间的光路中。泵浦光经过光纤光栅15进入直腔式结构中，通过掺铒光16的放大和光纤光栅17的反射在腔内来回谐振，光纤光栅15将在光纤光栅反射波长范围内的特定波长光反射回来，并在腔内多次振荡放大形成多纵模激光。具有拍品信息的多纵模激光经过光纤光栅15输出。掺铒光纤16连接着光纤光栅15和光纤光栅17,用于将外界应力、压力、温度等物理量转化为直腔式多纵模光纤激光传感器产生的拍频传感信号频率的变化值。拍频信号频率的变化与外界所施加应力的关系为dvN = -vN [ (I-Pe) e+(a + ^) AT]其中，dVN是频率计探测到的拍频信号频率变化值，vN为频率计探测到的自由状态下的拍频传感信号频率值，Pe为掺铒光纤的有效弹光系数，e为被监测的应力大小。AT谐振腔温度的变化，a是光纤的热膨胀系数，I是光纤的热光系数。
具体实施方式
五如图4所示利用具体实施方式
四所述的传感方案，我们测量了无线-光纤传感技术的性能。具体实施中，光纤光栅15和光纤光栅17的中心波长、带宽和反射率分别是1545. 8nm、1550. lnm、0. 26nm、0. 25nm和92%,95%0试验中，一段长度为65. 4cm的掺铒光纤16 (Coractive EDF-HC0-4000)被用来作为光纤激光器的谐振腔，这时， 多纵模激光器的谢振频率为163. IMHz0当泵浦功率为65mW，激光器的输出功率是2. 795mff,生成的拍频信号覆盖了从163. IMHz到3. 2GHz范围内。一个12. 5GHz砷化镓光电探测器6用来作为光电转换器件。两个垂直极化的2G GSM移动天线作为无线收发设备，它的工作频带范围是900-980MHZ和1710_1880MHz为我们选择无线收发设备的工作频率范围内的两个拍频信号作为测试信号，测得无线传输前后拍频传感信号频率vN分别为979. 7MHz和1795. 5MHz时所对应的拍频传感信号频率随外界所施加应力e变化的关系曲线。图4中“〇”组成的曲线为无线传输前自由状态下拍频传感信号频率979. 7MHz与应力的响应关系曲线，拍频与应力的响应灵敏度为0.754kHz/ii e ；图4中“□”组成的曲线为无线传输后自由状态下拍频传感信号频率979. 7MHz与应力的响应关系曲线，拍频与应力的响应灵敏度为0.761kHz/ii e ；图4中“ ”组成的曲线为无线传输前自由状态下拍频传感信号频率1795. 5MHz与应力的响应关系曲线，拍频与应力的响应灵敏度为I. 38kHz/ii e ；图4中“A”组成的曲线为无线传输后自由状态下拍频传感信号频率1795. 5MHz与应力的响应关系曲线，拍频与应力的响应灵敏度为I. 39kHz/ii e。从图4中可以看出，无线传输前后的曲线基本一致，无线传输前后的拍频传感信号频率没有受到无线传输的影响，即所测得的应力信息基本不会受到无线传输的影响，实验效果良好，体现了该系统的可靠性与可行性。
权利要求
1.光纤-无线混合式传感监测系统，其特征是，它由泵浦光源(I)、隔离器(3)、波分复用器(4)、多纵模光纤激光传感器(5)、光电探测器￠)、一号放大器(7)、二号放大器(10)、无线发射装置(8)、无线接收装置(9)和频率计(11)组成，泵浦光源(I)的输出端通过传输光纤连接在隔离器(3)的输入端，隔离器(3)的输出端通过传输光纤连接在波分复用器(4)的输入端，波分复用器(4)的信号交换端连接在多纵模光纤激光传感器(5)的信号交換端，波分复用器(4)的输出端通过传输光纤连接在光电探测器出)的输入端，光电探测器(6)的输出端连接在一号放大器(7) 的输入端，一号放大器(7)的输出端连接在无线发射装置(8)的输入端，无线发射装置(8)与无线接收装置(9)之间采用无线通讯实现数据传输，无线接收装置(9)的输出端连接在二号放大器(10)的输入端，二号放大器(10)的输出端连接在频率计(11)的输入端。
2.根据权利要求I所述光纤-无线混合式传感监测系统，其特征在于，泵浦光源(I)采用980nm或者1480nm泵浦光源。
3.根据权利要求I所述光纤-无线混合式传感监测系统，其特征在干，多纵模光纤激光传感器(5)采用环形腔多纵模光纤激光传感器，所述环形腔多纵模光纤激光传感器由光纤光栅(12)、|禹合器(13)和掺铒光纤(14)组成,I禹合器(13)串接在光纤光栅(12)和掺铒光纤(14)之间的光路中。
4.根据权利要求I所述光纤-无线混合式传感监测系统，其特征在干，多纵模光纤激光传感器(5)采用直腔式多纵模光纤激光传感器，所述直腔式多纵模光纤激光传感器由光纤光栅(15)、掺铒光纤(16)和光纤光栅(17)组成,掺铒光纤(16)串接在光纤光栅(15)和光纤光栅(17)之间的光路中。
全文摘要
光纤-无线混合式传感监测系统，涉及光纤传感和无线传感网络技术领域，它为了解决现有无线光纤传感系统的光学干涉解调或波长探测装置的体积大、造价高、功率损耗大，难以实现小体积高集成的无线光纤传感的问题，它由泵浦光源、隔离器、波分复用器、多纵模光纤激光传感器、光电探测器、一号放大器、二号放大器、无线发射装置、无线接收装置和频率计组成，泵浦光源连接在隔离器的输入端，隔离器与波分复用器连接，波分复用器与多纵模光纤激光传感器连接。这种技术的光学解调部分无需庞大的光学解调或者波长探测装置，利用探测器和频率计就可以实现光纤传感器的解调，实现了全电子化解调-无线传输过程。适用于光纤传感和无线传感网络技术领域。
文档编号G01D5/353GK102706375SQ201210214189
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者丁树春, 于秀娟, 刘盛春, 张云龙, 李坤 申请人:黑龙江大学