本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，特別涉及一種基于ZigBee無線傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)裝置及方法，主要應(yīng)用于溫度檢測(cè)、信號(hào)處理及通信系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)作為一種新興的傳感技術(shù)被廣泛關(guān)注。其中，光纖溫度傳感器具有精度高、不受電磁輻射干擾、可實(shí)現(xiàn)分布式或者點(diǎn)式傳感網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)、石油化工等惡劣環(huán)境下的多參量檢測(cè)中具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

目前，報(bào)道的光纖傳感器有多種形式，如基于干涉型的傳感器、基于光柵型的傳感器、基于拉曼或布里淵散射的分布式傳感器等。一般來說，短距離、小范圍的溫度測(cè)量常采用點(diǎn)陣式或準(zhǔn)分布式的傳感器，長(zhǎng)距離的傳感器采用分布式光纖傳感器。研究人員做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的效果。2013年，張樹強(qiáng)等研究人員申請(qǐng)的一種光纖光柵溫度傳感器的發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01310038108.5，利用光纖光柵作為傳感器，該傳感器安設(shè)在一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的陶瓷盒體內(nèi)，設(shè)計(jì)成溫度傳感系統(tǒng)。2013年，唐明等研究人員提出的一種光纖型溫度傳感器的發(fā)明專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枺?01310059468.3，利用寬帶光源、第一單模光纖、第二單模光纖及多芯光纖組成傳感系統(tǒng)，具有很高的溫度靈敏度，能夠廣泛地應(yīng)用在高精度的溫度測(cè)量場(chǎng)合。2014年，舒學(xué)文等研究人員申請(qǐng)了一種光纖溫度傳感器的發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01410534153.4，該發(fā)明包括一根單模光纖和一塊具有180°圓弧面的金屬板，其單模光纖的中部呈180°彎曲地貼合地固定于所述金屬板的圓弧面上，光纖宏彎曲產(chǎn)生回音壁模的溫度傳感器，諧振波長(zhǎng)隨著溫度變化而發(fā)生變化，這樣將溫度信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為光信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高精度的溫度測(cè)量。這些研究在光纖溫度傳感技術(shù)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值，然而，在惡劣的外部環(huán)境及對(duì)人體傷害較大的地區(qū)，不能夠敷設(shè)光纖等傳輸系統(tǒng)，這就限制了目前傳感器的應(yīng)用，給該區(qū)域內(nèi)設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)帶來一定的困難，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)該種環(huán)境下的溫度信息是目前迫切需要解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種基于ZigBee無線傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)裝置及方法，其不僅能夠準(zhǔn)確獲得溫度信息，還能夠利用無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸減小危害性能，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，提高了溫度檢測(cè)的應(yīng)用范圍。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種基于ZigBee無線傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)裝置，包括激光器、隔離器、第一耦合器、摻鉺光纖放大器、第一環(huán)形器、第一偏振控制器、第一光纖、第二耦合器、第二偏振控制器、第二環(huán)形器、第二光纖、光電探測(cè)器、放大電路單元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元、ZigBee傳輸單元、ZigBee協(xié)調(diào)器單元和信號(hào)處理及顯示單元，其中，激光器的輸出端經(jīng)由隔離器連接第一耦合器的輸入端，第一耦合器的輸出端分別連接摻鉺光纖放大器和第二偏振控制器；所述摻鉺光纖放大器的輸出端連接第一環(huán)形器的1#端口，第一環(huán)形器的2#端口經(jīng)由第一偏振控制器連接第一光纖的一端，第一環(huán)形器的3#端口連接第二耦合器的輸入端，第二耦合器的輸出端分別連接第一光纖的另一端和第二光纖的一端；第二偏振控制器的輸出端連接第二環(huán)形器的1#端口，第二環(huán)形器的2#端口連接第二光纖的另一端，第二環(huán)形器的3#端口連接光電探測(cè)器的輸入端，光電探測(cè)器的輸出端依次經(jīng)放大電路單元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元連接ZigBee傳輸單元，ZigBee協(xié)調(diào)器單元與信號(hào)處理及顯示單元連接，ZigBee傳輸單元與ZigBee協(xié)調(diào)器單元之間進(jìn)行無線傳輸。

上述第一光纖與第二光纖的種類相同或不同，其種類包含單模光纖、色散位移光纖和高非線性光纖。

上述激光器采用窄線寬激光器。

上述第一耦合器的耦合比為80:20，其中，占比20％的信號(hào)送入摻鉺光纖放大器，占比80％的信號(hào)送入第二偏振控制器。

上述第二耦合器的耦合比為90:10，其中，占比90％的信號(hào)送入第一光纖，占比10％的信號(hào)送入第二光纖。

上述光電探測(cè)器采用平衡探測(cè)器。

上述放大電路單元包括第一至第三電阻、第一至第十八電容、運(yùn)算放大芯片和第一至第二放大器，運(yùn)算放大芯片采用OPA690，第一、第二放大器均采用AD603；運(yùn)算放大芯片的第3引腳作為放大電路單元的輸入端，第1、5、7、8引腳懸空，第2引腳通過第一電阻與地線連接，第2引腳還通過第二電阻連接第6引腳，第6引腳還連接+5V電源，第一、第二電容相互并聯(lián)后，一端連接運(yùn)算放大芯片的第6引腳，另一端與地線連接；第4引腳連接-5V電源，第三、第四電容相互并聯(lián)后，一端連接運(yùn)算放大芯片的第4引腳，另一端與地線連接；

第一放大器的第3引腳經(jīng)由第三電阻連接+5V電源，第1引腳經(jīng)由第五電容連接地線，第2、第4引腳均連接地線，第5、第7引腳短接；第8引腳連接+5V電源，第六、第七電容相互并聯(lián)后，一端連接+5V電源，另一端連接地線；第八、第九電容相互并聯(lián)后，一端連接地線，另一端連接第一放大器的第6引腳，同時(shí)連接-5V電源；

第十一、第十二電容相互并聯(lián)后，一端連接第一放大器的第5引腳，另一端連接第二放大器的第3引腳；第二放大器的第1引腳經(jīng)由第十電容連接地線，第2、第4引腳均連接地線，第5、第7引腳短接；第8引腳連接+5V電源，第十三、第十四電容相互并聯(lián)后，一端連接+5V電源，另一端連接地線；第十五、第十六電容相互并聯(lián)后，一端連接地線，另一端連接第二放大器的第6引腳，同時(shí)連接-5V電源；第十七、第十八電容相互并聯(lián)后，一端連接第二放大器的第5引腳，另一端作為放大電路單元的輸出端。

一種基于如前所述基于ZigBee無線傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)裝置的方法，包括如下步驟：

(1)激光器發(fā)出的激光信號(hào)經(jīng)由隔離器送入第一耦合器，分成兩束信號(hào)，一束信號(hào)進(jìn)入摻鉺光纖放大器，再進(jìn)入第一環(huán)形器104的1#端口，激光信號(hào)從第一環(huán)形器的2#端口進(jìn)入第一光纖，在第一光纖中產(chǎn)生背向布里淵散射信號(hào)，該背向布里淵散射信號(hào)依次經(jīng)第一偏振控制器和第一環(huán)形器的3#端口輸出后，由第二耦合器分成兩路信號(hào)，第一路信號(hào)依次經(jīng)第一光纖、第一偏振控制器、第一環(huán)形器和第二耦合器做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第二路信號(hào)則進(jìn)入第二光纖作為待測(cè)信號(hào)；

(2)第一耦合器輸出的第二束信號(hào)經(jīng)第二偏振控制器進(jìn)入第二環(huán)形器的1#號(hào)端口，該信號(hào)從第二環(huán)形器的2#端口進(jìn)入第二光纖，在第二光纖中產(chǎn)生背向布里淵散射信號(hào)，該背向布里淵散射信號(hào)在第二光纖中放大從第二耦合器輸出到第二光纖中的待測(cè)信號(hào)，在第二光纖中相互作用后，經(jīng)第二環(huán)形器的3#端口輸出待分析的激光信號(hào)；

(3)前述待分析的激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再送入放大電路單元進(jìn)行放大處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)ZigBee傳輸單元進(jìn)行無線傳輸，由ZigBee協(xié)調(diào)器單元接收，接收到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理及顯示單元進(jìn)行處理并顯示待測(cè)溫度信息。

采用上述方案后，本發(fā)明利用光纖中布里淵散射的頻移量對(duì)溫度的高靈敏度，溫度變化時(shí)，布里淵散射信號(hào)的波長(zhǎng)將發(fā)生變化，結(jié)合光纖布里淵散射放大效應(yīng)，當(dāng)待測(cè)信號(hào)光的波長(zhǎng)等于該光纖中相同方向傳輸?shù)牟祭餃Y散射信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，待測(cè)信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生最大放大效果，隨著這兩束信號(hào)波長(zhǎng)不同時(shí)，放大的強(qiáng)度將減弱，通過測(cè)量引起檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度變化來獲得待測(cè)溫度信息，同時(shí)利用無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，可以遠(yuǎn)離待測(cè)溫度區(qū)域，以便減小對(duì)人體的危害，擴(kuò)大溫度檢測(cè)的使用范圍。本發(fā)明能夠精確檢測(cè)溫度信息，具有成本低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例中不同溫度情況下的信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于ZigBee無線傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)裝置，包括激光器100、隔離器101、第一耦合器102、摻鉺光纖放大器103、第一環(huán)形器104、第一偏振控制器105、第一光纖106、第二耦合器107、第二偏振控制器108、第二環(huán)形器109、第二光纖110、光電探測(cè)器111、放大電路單元112、A/D轉(zhuǎn)換電路單元113、ZigBee傳輸單元114、ZigBee協(xié)調(diào)器單元115和信號(hào)處理及顯示單元116，下面分別介紹。

激光器100可采用窄線寬激光器，具體是安捷倫窄線寬可調(diào)諧激光器(Agilent lightwave measurement system 8164B)，設(shè)置其輸出波長(zhǎng)為1550nm，功率為7dBm；激光器100發(fā)出的激光信號(hào)進(jìn)入隔離器101。

隔離器101輸出的激光信號(hào)經(jīng)過第一耦合器102分成兩束信號(hào)，第一耦合器103的耦合比為80:20，其中，占比20％的一束信號(hào)進(jìn)入摻鉺光纖放大器103，所述摻鉺光纖放大器103的型號(hào)為KPS-BT2-C-30-PB-FA，最大輸出功率為30dBm，設(shè)置輸出功率為28dBm；從摻鉺光纖放大器103輸出的放大信號(hào)進(jìn)入第一環(huán)形器104的1#端口，激光信號(hào)從第一環(huán)形器104的2#端口經(jīng)由第一偏振控制器105進(jìn)入第一光纖106，在第一光纖106中產(chǎn)生背向布里淵散射信號(hào)，該背向布里淵散射信號(hào)依次經(jīng)第一偏振控制器105和第一環(huán)形器104的3#端口輸出后，進(jìn)入第二耦合器107的輸入端。

所述第二耦合器107的耦合比為90:10，第二耦合器107將背向布里淵散射信號(hào)分成兩路信號(hào)，占比90％的信號(hào)依次經(jīng)第一光纖106、第一偏振控制器105、第一環(huán)形器104和第二耦合器107做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第二耦合107輸出的占比10％的信號(hào)則進(jìn)入第二光纖110，作為待測(cè)信號(hào)。

第一耦合器102輸出的占比80％的信號(hào)經(jīng)第二偏振控制器108進(jìn)入第二環(huán)形器109的1#號(hào)端口，該信號(hào)從第二環(huán)形器109的2#端口進(jìn)入第二光纖110，在第二光纖109中產(chǎn)生背向布里淵散射信號(hào)，該背向布里淵散射信號(hào)在第二光纖110中放大從第二耦合器107輸出到第二光纖110中的待測(cè)信號(hào)，在第二光纖110中相互作用后，經(jīng)第二環(huán)形器109的3#端口輸出待分析的激光信號(hào)。

前述待分析的激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器111轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述光電探測(cè)器111可使用平衡探測(cè)器，響應(yīng)波長(zhǎng)與激光器100的波段一致，從而提高測(cè)量精度，在本實(shí)施例中，采用50GHz的Finisar XPDV21x0(RA)；所述電信號(hào)送入放大電路單元112進(jìn)行放大處理，所述放大電路單元的電路圖如圖2所示，包含有電阻R1(240歐姆)、R2(240歐姆)和R3(50歐姆)，電容C1(10μF)、C2(0.1μF)、C3(0.1μF)、C4(10μF)、C5(0.33μF)、C6(10μF)、C7(0.1μF)、C8(10μF)、C9(0.1μF)、C10(0.33μF)、C11(2.2μF)、C12(0.01μF)、C13(10μF)、C14(0.1μF)、C15(10μF)、C16(0.1μF)、C17(2.2μF)和C18(0.01μF)，主芯片采用的是一個(gè)TI公司的OPA690運(yùn)算放大芯片以及2個(gè)AD公司的AD603，其中OPA690共有8個(gè)引腳，AD603共有8個(gè)引腳。OPA690的第3引腳作為被測(cè)信號(hào)的輸入端，OPA690的第1、5、7和8引腳同時(shí)懸空，OPA690的第2引腳一方面通過電阻R1與地線連接，另一方面通過電阻R2與OPA690的第6引腳相連，OPA690的第4引腳與-5的電源連接，同時(shí)第4引腳通過電容C3和C4并聯(lián)與地線連接，OPA690的第6引腳與+5的電源連接，同時(shí)第6引腳通過電容C1和C2并聯(lián)后與地線連接，OPA690的第6引腳通過電阻R3與第一個(gè)AD603的第3引腳連接；第一個(gè)AD603的第1引腳通過電容C5連接地線，第一個(gè)AD603的第2和4引腳連接地線，第一個(gè)AD603的第5引腳通過電容C11和C12并聯(lián)后連接第二個(gè)AD603的第3引腳，第一個(gè)AD603的第5引腳同時(shí)連接第一個(gè)AD603的第7引腳，第一個(gè)AD603的第6引腳連接-5V電源，同時(shí)通過電容C8和C9并聯(lián)后連接地線，第一個(gè)AD603的第8引腳連接+5V電源，同時(shí)通過電容C6和C7并聯(lián)后連接地線；第二個(gè)AD603的第1引腳通過電容C10連接地線，第二個(gè)AD603的第2和4引腳連接地線，第二個(gè)AD603的第8引腳連接+5V電源，同時(shí)通過電容C13和C14并聯(lián)后連接地線，第二個(gè)AD603的第6引腳連接-5V電源，同時(shí)通過電容C15和C16并聯(lián)后連接地線，第二個(gè)AD603的第5和7引腳通過電容C17和C18并聯(lián)后作為放大的待測(cè)信號(hào)輸出。

前述放大的待測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路單元113轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)ZigBee傳輸單元114進(jìn)行無線傳輸，由ZigBee協(xié)調(diào)器單元115接收上述數(shù)字信號(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理及顯示單元116進(jìn)行處理并顯示待測(cè)溫度信息。

在具體實(shí)施時(shí)，第一光纖與第二光纖的種類可以相同或不同，其種類包含單模光纖、色散位移光纖和高非線性光纖，例如第一光纖與第二光纖均采用單模光纖，第一光纖長(zhǎng)10m，第二光纖長(zhǎng)21km；或第一光纖采用長(zhǎng)10m的高非線性光纖，第二光纖采用長(zhǎng)1.5km的高非線性光纖。

綜合上述，本發(fā)明一種基于ZigBee無線傳輸?shù)臏囟葯z測(cè)裝置及方法，采用的原理是：待測(cè)物體的溫度變化引起第一光纖106的布里淵散射信號(hào)的波長(zhǎng)發(fā)生改變，從而引起在第二光纖110中放大的強(qiáng)度發(fā)生變化，使得光電探測(cè)器111輸出電信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生變化，由于該強(qiáng)度信息與溫度具有定量關(guān)系，可事先進(jìn)行標(biāo)定，溫度檢測(cè)時(shí)通過測(cè)量電信號(hào)強(qiáng)度的變化而獲得待測(cè)溫度。

溫度和信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖3所示，從圖3可以看出，隨著溫度的增加，信號(hào)的強(qiáng)度呈線性增加，其斜率為-0.5a.u/℃，因此，按照該規(guī)律進(jìn)行標(biāo)定后，可通過測(cè)量光電探測(cè)器111輸出信號(hào)的強(qiáng)度來獲得第一光纖106感應(yīng)到的溫度信息。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。