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，賦予了光纖傳感器組成傳感網(wǎng)進行大規(guī)模測量的能力。光纖傳感器按照其傳感原理、結(jié)構(gòu)特點和對應的拓撲結(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)境極為嚴苛的條件下對被測物進行全天候?qū)崟r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)點等運行狀態(tài)的實時控制，并且在傳感器或網(wǎng)絡(luò)中其他部分發(fā)生故

2、障時能夠自動定位故障點，且自動恢復故障點的功能。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、拓撲結(jié)構(gòu)簡單、以及無法同時實現(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)境工作時易出現(xiàn)傳感器的損壞，可能導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，對故障傳感器進行保護?；诖?，進行光纖智能傳感網(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)，進行了如下主要工作:
　　1、分析光纖傳感網(wǎng)幾種基本拓撲結(jié)構(gòu)的魯棒性，提出了描述各拓撲結(jié)構(gòu)本征魯棒型的T值計算方法以及用于光纖傳感網(wǎng)魯棒性量化評價的加權(quán)平均魯棒性計算方法。通過模擬傳感器及傳感光纖失效概率分析各基本拓撲結(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)對各拓撲結(jié)構(gòu)下的光纖傳感網(wǎng)魯棒性進行綜合評價，并計算拓撲結(jié)構(gòu)的加權(quán)平均魯棒性，在其基礎(chǔ)上提取描述各拓撲結(jié)構(gòu)本征魯棒性的

4、T值計算方法，得出影響傳感網(wǎng)魯棒性的若干因素，為設(shè)計并優(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變化量而推導出傳感網(wǎng)內(nèi)的故障點位置。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)生時傳感網(wǎng)分別受到的影響，以及此時探測器陣列接收到的強度變化量的分布與故障點的唯一對應關(guān)系，控

5、制系統(tǒng)可據(jù)此對故障位置進行自動診斷。并在實驗中驗證了此對應關(guān)系及該結(jié)構(gòu)的可行性。
　　3、設(shè)計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)由一個中心及多個分控制節(jié)點組成的控制系統(tǒng)下工作，加載分布式或分立式的各類型光纖傳感器，并且具有自動診斷故障位置及自動恢復故障點工作的功能。同時上位機與中心控制節(jié)點實時通信，在人機交互界面中顯示傳感網(wǎng)運行情況，故障發(fā)生時自動發(fā)出報警信息，操作者也可根據(jù)傳感網(wǎng)運行情況通過上位

6、機的人機交互界面對傳感網(wǎng)進行實時管理和控制。為了上述功能的實現(xiàn)，智能控制節(jié)點要包含信號發(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，同時設(shè)計傳感網(wǎng)控制節(jié)點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)點間的通訊協(xié)議、人機交互界面等進行軟件設(shè)計，并完成光纖智能傳感網(wǎng)控制系統(tǒng)整體運行的調(diào)試。進行了分布式光纖振動傳感器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)合加載實驗，并驗證系統(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)進行監(jiān)控，提高軟硬件工作效率，提高拓撲結(jié)構(gòu)魯棒性，同時完善控制系統(tǒng)保證自診斷及自愈功能的實現(xiàn)。實驗中實現(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執(zhí)行光纖分布式擾動傳感器DMZI與FBG溫度傳感器兩項傳感功能，其中使用了特殊封裝的FBG溫度傳感器消除振動