光纤智能传感网理论及关键技术研究

发布时间：2019-05-06 07:04

【摘要】：近年来,光纤传感器以其独特的优势在许多重要领域内发挥不可替代的作用。由于光纤具有频带宽、传输低损耗、体积小质量轻等优点,赋予了光纤传感器组成传感网进行大规模测量的能力。光纤传感器按照其传感原理、结构特点和对应的拓扑结构形成光纤智能传感网,在航空航天、桥梁、隧道、储油罐等环境极为严苛的条件下对被测物进行全天候实时监测。光纤传感网的智能化是指传感网的控制中心对于传感网中传感器及控制节点等运行状态的实时控制,并且在传感器或网络中其他部分发生故障时能够自动定位故障点,且自动恢复故障点的功能。目前针对光纤智能传感网的研究还存在一定问题,例如传感器种类单一、拓扑结构简单、以及无法同时实现传感器故障的自诊断及自愈。由于光纤本身较为脆弱,尤其是在恶劣环境工作时易出现传感器的损坏,可能导致故障传感器和与其同一通道内的其他传感器无法继续工作,这就需要传感网具备自诊断及自愈功能,对故障传感器进行保护。基于此,进行光纤智能传感网理论及关键技术的研究意义重大。本文针对光纤智能传感网理论及关键技术,进行了如下主要工作:1、分析光纤传感网几种基本拓扑结构的鲁棒性,提出了描述各拓扑结构本征鲁棒型的T值计算方法以及用于光纤传感网鲁棒性量化评价的加权平均鲁棒性计算方法。通过模拟传感器及传感光纤失效概率分析各基本拓扑结构的传感器工作概率分布情况,对比冗余光纤增加前后传感网鲁棒性的变化,结合不同参数对各拓扑结构下的光纤传感网鲁棒性进行综合评价,并计算拓扑结构的加权平均鲁棒性,在其基础上提取描述各拓扑结构本征鲁棒性的T值计算方法,得出影响传感网鲁棒性的若干因素,为设计并优化传感网结构奠定理论基础。2、提出全光纤自诊断传感网系统,该系统能够通过分析判断传感网内探测器阵列所接收到的光强变化量而推导出传感网内的故障点位置。全光纤是指传感网结构全部由传感光纤构成,不含有电子设备等有源器件。文中详细讲解了该系统的构成及工作原理,讨论了单一故障及多处故障发生时传感网分别受到的影响,以及此时探测器阵列接收到的强度变化量的分布与故障点的唯一对应关系,控制系统可据此对故障位置进行自动诊断。并在实验中验证了此对应关系及该结构的可行性。3、设计并搭建具有自诊断及自愈功能的总线型光纤智能传感网。总线型的光纤传感网由一个中心及多个分控制节点组成的控制系统下工作,加载分布式或分立式的各类型光纤传感器,并且具有自动诊断故障位置及自动恢复故障点工作的功能。同时上位机与中心控制节点实时通信,在人机交互界面中显示传感网运行情况,故障发生时自动发出报警信息,操作者也可根据传感网运行情况通过上位机的人机交互界面对传感网进行实时管理和控制。为了上述功能的实现,智能控制节点要包含信号发送及接收、光开关控制、信号处理等模块的外围电路的设计,同时设计传感网控制节点间一对多的无线通讯系统,解决因光纤完全断裂造成的控制中断等问题,调试无线通讯模块收发、无线模块与控制芯片通讯等软件程序。此外,还需要对节点间的通讯协议、人机交互界面等进行软件设计,并完成光纤智能传感网控制系统整体运行的调试。进行了分布式光纤振动传感器DMZI、频域干涉传感器OFDR及分立式传感器光纤光栅FBG的联合加载实验,并验证系统的自诊断及自愈功能。4、提出了基于中心控制的环型光纤智能传感网,在系统智能控制方面采用唯一的控制芯片对传感网进行监控,提高软硬件工作效率,提高拓扑结构鲁棒性,同时完善控制系统保证自诊断及自愈功能的实现。实验中实现了光纤传感网的混合式传感:即在一根传感光纤中同时执行光纤分布式扰动传感器DMZI与FBG温度传感器两项传感功能,其中使用了特殊封装的FBG温度传感器消除振动的影响,最终实现振动和温度的多参量传感,实验结果证明对于分布式传感器来说,沿分布式光纤传感器的布设区域的温度测量可以满足精度要求。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.11;TP212

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本文编号：2469976