专利名称：准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感与测量领域，通过准分布式传感网络实现对温度、应力应变等的感知，也可以作为传感网与物联网等应用系统的关键技术。
背景技术：
光纤光栅(Fiber Bragg Grating-FBG)是目前传感领域研究和应用热点之一。由于其具有抗电磁干扰，精度高，耐恶劣环境，寿命长和易于组网等优点，在许多领域获得广泛应用。通过将多个光栅进行组合(复用)可以实现(准)分布式传感网络，并采用不同技术进行不同参数的感知分析。光纤光栅传感网络的复用方式主要集中在波分复用或者波分复用结合空分复用的技术，在这些系统中，光纤光栅传感的解调速度和使用寿命受制于机械式的可调谐(扫描)滤波器。结合空分技术(将不同光纤光栅或多个光栅组合置于不同光纤内，然后通过光开关选通不同组)可以提高组网容量，但仍受限于滤波器和光开关的速度及寿命。近期也有通过将时分复用和匹配光栅相结合提高感知速度和寿命，实现(准)分布式传感的解决方案，通过感知传感光栅或序列与匹配光栅或序列之间的波长匹配关系来确定当前传感参数(压力、应变、温度等)的大小。然而对传感和匹配光纤光栅(序列)而言，在实际应用中面临两个重要的问题(1)制造工艺等原因的差异；(2)实际使用环境所处环境温度不同以及可能存在的预应力(应变)影响，都可能导致传感和匹配光栅(序列) 的中心波长无法实现匹配，对测量结果造成较大的不确定性，直接影响传感精度。本发明针对这一问题，结合时分复用匹配光纤光栅传感网络结构，提出了一种自动标定方法，实现传感和匹配光栅(序列)在不同情况下的准确感知，确保感知数据的可靠性。

发明内容
鉴于现有传感手段无法保证感知数据的准确性和完全消除感知参量的交叉影响， 本发明旨在提出并实现一种智能化标定与分析方法，既能够消除初始误差，又能够在实时监测中实现对不同参数的分离感知。本发明的这一目的通过如下手段来实现。一种准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法，由宽带光源、光纤环行器、两组中心波长一一对应的传感光栅阵列和参考光栅阵列、光电探测器、温度调控模块阵列、电控制模块和主控制模块组成的设备上，采用如下的方式实现高精度自动标定和变量分离感知宽带光源发出的光经过第一光环行器后进入中心波长不同的传感光栅阵列，传感光栅阵列反射回的光经第二光环行器后进入参考光栅阵列；参考光栅阵列反射回的光经光电探测器进行检测后，送到主控模块；参考光栅阵列中的每个光栅都有单独的温度传感与调节模块，由同一的电控制模块进行处理，并与主控模块进行数据交换，构成能够消除初始误差且又能够在实时监测中实现对不同参数的分离感知的传感系统。本发明将参考光栅通过温度调谐方法进行控制，在初始状态实现两个序列的完全匹配，进而在实际感知过程中，通过对参考光栅的温度调谐得到温度对传感光栅的影响 (当两个序列处在不同的温度环境下)，进而实现对温度和应变(应力)等参量的分离，彻底消除交叉影响。这样，将两组匹配光栅序列分别作为传感阵列和参考阵列安装在感知对象和控制处理端，每个序列由N个波长不同的光纤光栅组成，但两个序列中同一序号的光栅初始中心波长(理想情况上)相同。通过对宽带光源进行调制，调制后的信号(借助于光环行器) 依次序分别通过传感阵列和参考阵列，最后进行检测分析。消除由于制作工艺的不确定性和安装过程中可能存在的预应力等影响。本发明的目的还在于，为以上的方法提供予以实现的装置。准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法的装置，由宽带光源、 光纤环行器、两组中心波长一一对应的传感光栅阵列和参考光栅阵列、光电探测器、温度调控模块阵列、电控制模块和主控制模块组成，所述温度调控模块阵列由多只通过调节制冷器的温度使该光栅的中心波长发生变化而实现与传感光栅真正的波长匹配具有高低温可调输出的半导体致冷器组成，各半导体致冷器单独一个对应匹配于所述传感光栅阵列中的一个光纤光栅；所述电控制模块由ARM芯片、MAX1978和高精度DAC芯片组合来实现，ARM控制DAC芯片的输出电压驱动MAX1978芯片实现半导体制冷器上电流大小和方向的改变。本发明的措施能同时保证各种失配条件下的光栅实现匹配，有助于消除光纤布拉格光栅传感技术因制作工艺和安装过程而带来的预失配问题，并通过测量环境温度可以使传感光栅和匹配光栅工作在同一等效温度或者得到准确的温度信息，从而彻底消除温度和应力对光栅传感的交叉敏感问题，实现感知变量的分离处理。


如下图1是本发明原理结构框图；图2是本发明实现标定的原理图；图3是本发明基于时分复用实现准分布式感知的原理图；图4是本发明进行标定与感知的流程图；图5为本发明实施例基于匹配光纤光栅的传感技术系统示意图；图6是组成电控制模块的自动温度控制电路系统结构图；图7是本发明提供χ组匹配光栅完成一次正确匹配测量流程图；图8是本发明提供TEC制冷片完成一次自动温控过程流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。图1是本发明的原理结构框图。宽带光源101发出的光经过第一光环行器102以后进入传感光栅阵列(包括了 103n，10312……1031N)，这些光栅的中心波长都不一样，满足相应的传感监测动态范围。传感光栅反射回的光经第二光环行器104以后进入参考光栅阵列(包括了 10；321，10 322……1032N)。实际上对参考光栅和传感光栅阵列进行反射光还是透射光的探测可以根据实际情况选择。光信号经光电探测器105进行检测后，送到主控制模块 108。参考光栅阵列中的每个光栅都有单独的温度传感与调节模块，即106^10 ……10&。 这些模块由同一的电路模块107进行控制处理，而107也与主控模块108进行数据交换，从而构成能够消除初始误差且又能够在实时监测中实现对不同参数的分离感知的传感系统。在初始状态，由于工艺和预应变等问题，传感光栅阵列和参考光栅阵列无法实现很好的匹配，如图2(a)所示的光谱情形，而且这种失配对于不同的光栅是随机的，无法预测，因此，对实现准确传感造成了很大的问题。通过主控模块108、控制处理模块107对温度调控模块106阵列的控制，可以将参考光栅阵列中的每个光栅根据其实际情况实现与传感光栅阵列相应序号光栅的完全匹配，如图2(b)所示。图3说明了这种时分复用系统的原理，也是我们如何根据传感检测结果进行自动控制标定的原理。由于宽带光源是被调制的，这样调制信号经过不同位置的传感光栅和匹配光栅以后，在光电探测器端就会存在时序上的不同探测结果。通过高速电路分析我们可以得到相应位置(序号)传感光栅与参考光栅的匹配状态(完全匹配对应最大功率，光谱失配对应检测功率的降低)，对应在时序上不同幅度的检测信号(图3中不同时间信号的高低不同)，从而实现高速准分布式的感知。图4给出了本发明的典型控制流程，也就是上述工作原理的形象描述，具体实施时可根据采用的实际控制电路结合常规手段选择进一步优化其逻辑和算法。图5是本发明一基于匹配光纤光栅的传感技术系统实施例示意图。其主要原理是通过传感光栅阵列与匹配光栅阵列对应光栅的中心波长变化来解调应力和温度等信息。系统构建主要由一个宽带光源(SLED)、两组光纤光栅(传感光栅阵列和匹配光栅阵列)、两组环形器和后续的解调系统组成。其中，FBGl至FBfoc为χ个布拉格光纤光栅，其中心波长分别为λ 至λ χ，称其为传感光栅阵列，主要贴于待测物体上，如轨道、桥梁、叶片等；FGBl' 至TOG' χ为与传感光栅相对应的χ个匹配光栅，称其为参考光栅阵列。温度调控模块阵列为由多只通过调节制冷器的温度使该光栅的中心波长发生变化而实现与传感光栅真正的波长匹配具有高低温可调输出的半导体致冷器和热敏电阻阵列组成，各半导体致冷器和热敏电阻单独一个对应匹配于所述传感光栅阵列中的一个光纤光栅；电控制模块由ARM芯片、MAX1978和高精度DAC芯片组合来实现，ARM控制DAC芯片的输出电压驱动MAX1978芯片实现半导体制冷器上电流大小和方向的改变。图6是组成电控制模块的自动温度控制电路系统结构图。电路主要由MAX1978控制模块1、半导体制冷片接口 2、热敏电阻接口 3、高精度DA芯片4、ARM数字控制单元5、电源电路6组成。其中，半导体制冷片接口 2和热敏电阻接口 3与图3中的半导体制冷片和热敏电阻分别相连；ARM数字控制电路5与高精度DA芯片4相连，以控制每路TEC的电压； 电源电路6给整个温控单元提供各种所需的电压。高精度DA芯片4采用的转换精度为14 位，理论上可以实现0. 0010C的温控精度。图7是本发明提供的χ组匹配光栅完成一次正确匹配测量的流程图。系统将每一次的温度设定值下的光栅反射谱功率作为反馈信号，通过数字指令系统控制光栅温度，以寻找到光栅反射谱功率的最大值，此时即实现了传感光栅和匹配光栅的真正匹配。图8是本发明提供的TEC制冷片完成一次自动温度控制过程的流程图。首先由ARM芯片发出相应的指令控制DA芯片对每组匹配光栅所对应的TEC进行温度设定，然后 MAX1978会通过贴在TEC上的热敏电阻的反馈来自动调节TEC两端注入电流的大小和方向， 从而改变TEC的温度，使其与系统的设定值达到平衡。实际使用时，其具体自动标定与变量分离感知过程包括以下操作步骤步骤1 将已经贴好的传感光栅(轨道、桥梁、叶片等)用环形器接入匹配光栅的一端，启动自动温度控制系统，把TECl的温度设定到常温情况，测量第一组传感光栅和 FBGl的反射谱功率(WOl)，如果测得的反射谱功率比理论情况下的反射谱功率(Wl)差较多，则说明没有匹配，反之说明已接近匹配；步骤2 调节TECl的温度(先向低温方向)，待低温Tll恒定后再测量光栅的反射谱功率Wll。若Wll > WOl，则继续降低TECl的温度至T21并测量其反射功率W21，如此反复直到出现U < WnI > ffN+1l，则 i就是当前传感光栅与FBGl所需的补偿温度值；若 Wll < W01，则应该增加TECl的温度至T21'并测量其反射功率W21'，如此反复直到出现 Wn^1I' <Wn1' >Wn+11'，则TNl'就是当前传感光栅与FBGl所需的补偿温度值；步骤3 重复步骤1-2，分别使第二组到第X组传感光栅得到其匹配情况下的TN 值；步骤4 温度步进值ΔΤ = TNn-T(N-I)n越小则温控效果越好，所测的光栅匹配得越好，但实现复杂度和匹配时间也需要得越多；步骤5 —种可靠且高效的实施方式是先设定温度步进值Δ T为一个较大值，如 5°C，通过步骤1至步骤4找出每个传感光栅的大致匹配波长，然后对应每一个TN值再将温度步进值Δ T设定小如0. 5°C做微调，从而得到更加精确的匹配效果；步骤6 将上述所测得的X个TN值记录，其可以作为传感光栅与匹配光栅之间温度补偿算法的参考值；其中，实现一次X组光栅匹配效果的温控流程图见图4 ；实现一次自动温度控制的温控流程图见图8。流程图中的各参量选取仅供参考，具体可以根据实际调试情况而定。本发明可以应用到许多场合，例如大型建筑结构的健康监测；高速铁路轨道状态的监测；大型风力发电装置中叶片的状态监测等等，因此，具有很好的应用前景，作为传感网与物联网等应用系统的关键技术，用于轨道交通、新能源等不同领域。
权利要求
1.一种准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法，其特征在于，由宽带光源、光纤环行器、两组中心波长一一对应的传感光栅阵列和参考光栅阵列、光电探测器、温度调控模块阵列、电控制模块和主控制模块组成的设备上，采用如下的方式实现高精度自动标定和变量分离感知宽带光源发出的光经过第一光环行器后进入中心波长不同的传感光栅阵列，传感光栅阵列反射回的光经第二光环行器后进入参考光栅阵列；参考光栅阵列反射回的光经光电探测器进行检测后，送到主控模块；参考光栅阵列中的每个光栅都有单独的温度传感与调节模块，由同一的电控制模块进行处理，并与主控模块进行数据交换，构成能够消除初始误差且又能够在实时监测中实现对不同参数的分离感知的传感系统。
2.根据权利要求1所述之准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法， 其特征在于，所述传感光栅阵列和参考光栅阵列分别安装在感知对象和控制处理端，各光栅阵列由N个波长不同的序列光纤光栅组成，二光栅阵列中同一序号的光栅在理想情况上具有相同的初始中心波长。
3.根据权利要求1所述之准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法， 其特征在于，通过温度调控模块阵列，实现参考光栅与传感光栅阵列中相应光栅的匹配，消除制造工艺和安装预应力等造成的失配问题。
4.根据权利要求1所述之准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法， 其特征在于，通过温度调控模块阵列，在实际工作环境下实现对传感光栅阵列和参考光栅阵列之间温度差异的补偿，实时消除温度与应变及应力之间的交叉影响，实现多变量分离感知。
5.实现权利要求1或2或3或4所述之准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法的装置，其特征在于，由宽带光源、光纤环行器、两组中心波长一一对应的传感光栅阵列和参考光栅阵列、光电探测器、温度调控模块阵列、电控制模块和主控制模块组成，所述温度调控模块阵列由多只通过调节制冷器的温度使该光栅的中心波长发生变化而实现与传感光栅真正的波长匹配具有高低温可调输出的半导体致冷器组成，各半导体致冷器单独一个对应匹配于所述传感光栅阵列中的一个光纤光栅；所述电控制模块由ARM芯片、MAX1978和高精度DAC芯片组合来实现，ARM控制DAC芯片的输出电压驱动MAX1978芯片实现半导体制冷器上电流大小和方向的改变。
全文摘要
本发明公开了一种准分布式光纤光栅传感网络自动标定与变量分离感知方法及其装置。针对结合时分和波分复用的匹配光纤光栅传感网络所面临的初始波长失配和环境温度不同所导致的漂移误差问题，采用温度控制方式将匹配光栅阵列进行自动校准，消除温度漂移和波长预失配的影响，同时，控制参量作为参考可以用于感知结果中温度与应变(应力)参数的分离。作为传感网与物联网等应用系统的关键技术，用于轨道交通、新能源等不同领域。
文档编号G01K11/32GK102564643SQ20121004693
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者吴宗玲, 张志勇, 曾德兵, 潘炜, 王波, 罗斌, 邹喜华, 闫连山, 陈娟子 申请人:西南交通大学