光纖智能傳感網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢在許多重要領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮不可替代的作用。由于光纖具有頻帶寬、傳輸?shù)蛽p耗、體積小質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，賦予了光纖傳感器組成傳感網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模測量的能力。光纖傳感器按照其傳感原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成光纖智能傳感網(wǎng)，在航空航天、橋梁、隧道、儲油罐等環(huán)境極為嚴(yán)苛的條件下對被測物進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測。光纖傳感網(wǎng)的智能化是指傳感網(wǎng)的控制中心對于傳感網(wǎng)中傳感器及控制節(jié)點(diǎn)等運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制，并且在傳感器或網(wǎng)絡(luò)中其他部分發(fā)生故

2、障時(shí)能夠自動(dòng)定位故障點(diǎn)，且自動(dòng)恢復(fù)故障點(diǎn)的功能。目前針對光纖智能傳感網(wǎng)的研究還存在一定問題，例如傳感器種類單一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、以及無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器故障的自診斷及自愈。由于光纖本身較為脆弱，尤其是在惡劣環(huán)境工作時(shí)易出現(xiàn)傳感器的損壞，可能導(dǎo)致故障傳感器和與其同一通道內(nèi)的其他傳感器無法繼續(xù)工作，這就需要傳感網(wǎng)具備自診斷及自愈功能，對故障傳感器進(jìn)行保護(hù)?；诖耍M(jìn)行光纖智能傳感網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究意義重大。
　　本文針對光纖智能傳感網(wǎng)

3、理論及關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了如下主要工作:
　　1、分析光纖傳感網(wǎng)幾種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性，提出了描述各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本征魯棒型的T值計(jì)算方法以及用于光纖傳感網(wǎng)魯棒性量化評價(jià)的加權(quán)平均魯棒性計(jì)算方法。通過模擬傳感器及傳感光纖失效概率分析各基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感器工作概率分布情況，對比冗余光纖增加前后傳感網(wǎng)魯棒性的變化，結(jié)合不同參數(shù)對各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的光纖傳感網(wǎng)魯棒性進(jìn)行綜合評價(jià)，并計(jì)算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的加權(quán)平均魯棒性，在其基礎(chǔ)上提取描述各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本征魯棒性的

4、T值計(jì)算方法，得出影響傳感網(wǎng)魯棒性的若干因素，為設(shè)計(jì)并優(yōu)化傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)奠定理論基礎(chǔ)。
　　2、提出全光纖自診斷傳感網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過分析判斷傳感網(wǎng)內(nèi)探測器陣列所接收到的光強(qiáng)變化量而推導(dǎo)出傳感網(wǎng)內(nèi)的故障點(diǎn)位置。全光纖是指傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)全部由傳感光纖構(gòu)成，不含有電子設(shè)備等有源器件。文中詳細(xì)講解了該系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，討論了單一故障及多處故障發(fā)生時(shí)傳感網(wǎng)分別受到的影響，以及此時(shí)探測器陣列接收到的強(qiáng)度變化量的分布與故障點(diǎn)的唯一對應(yīng)關(guān)系，控

5、制系統(tǒng)可據(jù)此對故障位置進(jìn)行自動(dòng)診斷。并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了此對應(yīng)關(guān)系及該結(jié)構(gòu)的可行性。
　　3、設(shè)計(jì)并搭建具有自診斷及自愈功能的總線型光纖智能傳感網(wǎng)?？偩€型的光纖傳感網(wǎng)由一個(gè)中心及多個(gè)分控制節(jié)點(diǎn)組成的控制系統(tǒng)下工作，加載分布式或分立式的各類型光纖傳感器，并且具有自動(dòng)診斷故障位置及自動(dòng)恢復(fù)故障點(diǎn)工作的功能。同時(shí)上位機(jī)與中心控制節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)通信，在人機(jī)交互界面中顯示傳感網(wǎng)運(yùn)行情況，故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，操作者也可根據(jù)傳感網(wǎng)運(yùn)行情況通過上位

6、機(jī)的人機(jī)交互界面對傳感網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和控制。為了上述功能的實(shí)現(xiàn)，智能控制節(jié)點(diǎn)要包含信號發(fā)送及接收、光開關(guān)控制、信號處理等模塊的外圍電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)間一對多的無線通訊系統(tǒng)，解決因光纖完全斷裂造成的控制中斷等問題，調(diào)試無線通訊模塊收發(fā)、無線模塊與控制芯片通訊等軟件程序。此外，還需要對節(jié)點(diǎn)間的通訊協(xié)議、人機(jī)交互界面等進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，并完成光纖智能傳感網(wǎng)控制系統(tǒng)整體運(yùn)行的調(diào)試。進(jìn)行了分布式光纖振動(dòng)傳感器DMZI、頻域干涉?zhèn)鞲衅鱋

7、FDR及分立式傳感器光纖光柵FBG的聯(lián)合加載實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證系統(tǒng)的自診斷及自愈功能。
　　4、提出了基于中心控制的環(huán)型光纖智能傳感網(wǎng)，在系統(tǒng)智能控制方面采用唯一的控制芯片對傳感網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，提高軟硬件工作效率，提高拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)魯棒性，同時(shí)完善控制系統(tǒng)保證自診斷及自愈功能的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了光纖傳感網(wǎng)的混合式傳感:即在一根傳感光纖中同時(shí)執(zhí)行光纖分布式擾動(dòng)傳感器DMZI與FBG溫度傳感器兩項(xiàng)傳感功能，其中使用了特殊封裝的FBG溫度傳感器消除振動(dòng)