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測裝置及方法，主要應用于溫度檢測、信號處理及通信系統(tǒng)等技術(shù)領域。

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、可實現(xiàn)分布式或者點式傳感網(wǎng)等優(yōu)點，因此，在大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測、智能電網(wǎng)、石油化工等惡劣環(huán)境下的多參量檢測中具有較為廣泛的應用前景。

目前，報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、小范圍的溫度測量常采用點陣式或準分布式的傳感器，長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驗研究，取得了一定的效果。2013年，張樹強等研究人員申請的一種光纖光柵溫度傳感器的發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01310038108.5，利用光纖光柵作為傳感器，該傳感器安設在一個細長的陶瓷盒體內(nèi)，設計成溫度傳感系統(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，申請?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，能夠廣泛地應用在高精度的溫度測量場合。2014年，舒學文等研究人員申請了一種光纖溫度傳感器的發(fā)明專利，申請?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，諧振波長隨著溫度變化而發(fā)生變化，這樣將溫度信號變化轉(zhuǎn)化為光信號變化，實現(xiàn)高靈敏度和高精度的溫度測量。這些研究在光纖溫度傳感技術(shù)方面具有一定的應用價值，然而，在惡劣的外部環(huán)境及對人體傷害較大的地區(qū)，不能夠敷設光纖等傳輸系統(tǒng)，這就限制了目前傳感器的應用，給該區(qū)域內(nèi)設備的溫度監(jiān)測帶來一定的困難，準確監(jiān)測該種環(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測裝置及方法，其不僅能夠準確獲得溫度信息，還能夠利用無線傳輸系統(tǒng)進行傳輸減小危害性能，而且結(jié)構(gòu)比較簡單，易于實現(xiàn)，提高了溫度檢測的應用范圍。

為了達成上述目的，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#端口連接光電探測器的輸入端，光電探測器的輸出端依次經(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％的信號送入摻鉺光纖放大器，占比80％的信號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％的信號送入第一光纖，占比10％的信號送入第二光纖。

上述光電探測器采用平衡探測器。

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、運算放大芯片和第一至第二放大器，運算放大芯片采用OPA690，第一、第二放大器均采用AD603；運算放大芯片的第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測裝置的方法，包括如下步驟：

(1)激光器發(fā)出的激光信號經(jīng)由隔離器送入第一耦合器，分成兩束信號，一束信號進入摻鉺光纖放大器，再進入第一環(huán)形器104的1#端口，激光信號從第一環(huán)形器的2#端口進入第一光纖，在第一光纖中產(chǎn)生背向布里淵散射信號，該背向布里淵散射信號依次經(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，第一路信號依次經(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針旋轉(zhuǎn)，第二路信號則進入第二光纖作為待測信號；

(2)第一耦合器輸出的第二束信號經(jīng)第二偏振控制器進入第二環(huán)形器的1#號端口，該信號從第二環(huán)形器的2#端口進入第二光纖，在第二光纖中產(chǎn)生背向布里淵散射信號，該背向布里淵散射信號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信號，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；

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

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溫度的高靈敏度，溫度變化時，布里淵散射信號的波長將發(fā)生變化，結(jié)合光纖布里淵散射放大效應，當待測信號光的波長等于該光纖中相同方向傳輸?shù)牟祭餃Y散射信號波長時，待測信號將會產(chǎn)生最大放大效果，隨著這兩束信號波長不同時，放大的強度將減弱，通過測量引起檢測信號的強度變化來獲得待測溫度信息，同時利用無線傳輸系統(tǒng)進行傳輸，可以遠離待測溫度區(qū)域，以便減小對人體的危害，擴大溫度檢測的使用范圍。本發(fā)明能夠精確檢測溫度信息，具有成本低廉和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施例中不同溫度情況下的信號強度關系示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

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)，設置其輸出波長為1550nm，功率為7dBm；激光器100發(fā)出的激光信號進入隔離器101。

隔離器101輸出的激光信號經(jīng)過第一耦合器102分成兩束信號，第一耦合器103的耦合比為80:20，其中，占比20％的一束信號進入摻鉺光纖放大器103，所述摻鉺光纖放大器103的型號為KPS-BT2-C-30-PB-FA，最大輸出功率為30dBm，設置輸出功率為28dBm；從摻鉺光纖放大器103輸出的放大信號進入第一環(huán)形器104的1#端口，激光信號從第一環(huán)形器104的2#端口經(jīng)由第一偏振控制器105進入第一光纖106，在第一光纖106中產(chǎn)生背向布里淵散射信號，該背向布里淵散射信號依次經(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分成兩路信號，占比90％的信號依次經(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做逆時針旋轉(zhuǎn)，第二耦合107輸出的占比10％的信號則進入第二光纖110，作為待測信號。

第一耦合器102輸出的占比80％的信號經(jīng)第二偏振控制器108進入第二環(huán)形器109的1#號端口，該信號從第二環(huán)形器109的2#端口進入第二光纖110，在第二光纖109中產(chǎn)生背向布里淵散射信號，該背向布里淵散射信號在第二光纖110中放大從第二耦合器107輸出到第二光纖110中的待測信號，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。

前述待分析的激光信號經(jīng)光電探測器111轉(zhuǎn)換為電信號，所述光電探測器111可使用平衡探測器，響應波長與激光器100的波段一致，從而提高測量精度，在本實施例中，采用50GHz的Finisar XPDV21x0(RA)；所述電信號送入放大電路單元112進行放大處理，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TI公司的OPA690運算放大芯片以及2個AD公司的AD603，其中OPA690共有8個引腳，AD603共有8個引腳。OPA690的第3引腳作為被測信號的輸入端，OPA690的第1、5、7和8引腳同時懸空，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AD603的第3引腳連接；第一個AD603的第1引腳通過電容C5連接地線，第一個AD603的第2和4引腳連接地線，第一個AD603的第5引腳通過電容C11和C12并聯(lián)后連接第二個AD603的第3引腳，第一個AD603的第5引腳同時連接第一個AD603的第7引腳，第一個AD603的第6引腳連接-5V電源，同時通過電容C8和C9并聯(lián)后連接地線，第一個AD603的第8引腳連接+5V電源，同時通過電容C6和C7并聯(lián)后連接地線；第二個AD603的第1引腳通過電容C10連接地線，第二個AD603的第2和4引腳連接地線，第二個AD603的第8引腳連接+5V電源，同時通過電容C13和C14并聯(lián)后連接地線，第二個AD603的第6引腳連接-5V電源，同時通過電容C15和C16并聯(lián)后連接地線，第二個AD603的第5和7引腳通過電容C17和C18并聯(lián)后作為放大的待測信號輸出。

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

在具體實施時，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10m，第二光纖長21km；或第一光纖采用長10m的高非線性光纖，第二光纖采用長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測裝置及方法，采用的原理是：待測物體的溫度變化引起第一光纖106的布里淵散射信號的波長發(fā)生改變，從而引起在第二光纖110中放大的強度發(fā)生變化，使得光電探測器111輸出電信號的強度發(fā)生變化，由于該強度信息與溫度具有定量關系，可事先進行標定，溫度檢測時通過測量電信號強度的變化而獲得待測溫度。

溫度和信號強度之間的關系如圖3所示，從圖3可以看出，隨著溫度的增加，信號的強度呈線性增加，其斜率為-0.5a.u/℃，因此，按照該規(guī)律進行標定后，可通過測量光電探測器111輸出信號的強度來獲得第一光纖106感應到的溫度信息。

以上實施例僅為說明本發(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)方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。