基于FBG光栅传感器的智能变频路基位移监测与预警装置

摘要

本发明提供了一种基于FBG光栅传感器的智能变频路基位移监测与预警装置，包括：终端数据采集单元、无线网络协调器单元、和远程控制中心；所述终端数据采集单元包括：依次连接的ASE宽带光源、隔离器、F‑P滤波器、耦合器和FBG光栅位移传感器，所述耦合器依次通过F‑P标准具、PIN光电转换器、程控放大器、AD转换器、第一无线收发器、和三角波信号发生器后与所述F‑P滤波器连接。本发明可自动检测公路路基内部位移信号，发送至无线网络协调器汇总，通过智能网关发送至远程控制中心，综合分析、比较研判发生路基坍塌的可能及时发出预警信号，实施交通管制并立即处理，有效排除了安全隐患，防止安全事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及道路公共安全监测与预警领域，特别涉及一种基于FBG光栅传感器的智能变频路基位移监测与预警装置。

背景技术

随着经济社会的发展，我国综合实力日益增强，汽车已经成为人们日常交通运输的主要工具，汽车承载重量不断增加动辄上百吨，公共道路维护成本和频率急剧上升，维护稍有不慎容易发生重大安全事故，造成严重后果。另外，我国地形复杂丘陵山区面积广阔，山区道路有沿江、沿河的分布特点，由于路基长期浸泡水中，汛期水流湍急、冲击力大，特别是河流拐弯处路基在水流冲击与重型货车碾压相互作用下极易发生塌方，造成车毁人亡等重大安全事故，该路段交通中断并且修复时间难以估计，经济损失严重。

发明内容

本发明提供了一种基于FBG光栅传感器的智能变频路基位移监测与预警装置，以解决至少一个上述技术问题。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种基于FBG光栅传感器的智能变频路基位移监测与预警装置，包括：终端数据采集单元、无线网络协调器单元、和远程控制中心；

所述终端数据采集单元包括：依次连接的ASE宽带光源、隔离器、F-P滤波器、耦合器和FBG光栅位移传感器，所述耦合器依次通过F-P标准具、PIN光电转换器、程控放大器、AD转换器、第一无线收发器、和三角波信号发生器后与所述F-P滤波器连接，所述AD转换器输出的数字信号通过所述第一无线收发器转发给所述无线网络协调器单元，所述第一无线收发器控制所述程控放大器的放大倍数；

所述无线网络协调器单元包括用于管理无线传感器网络的无线网络协调器、第一数字信号处理器、和智能网关；所述无线网络协调器将接收到的来自所述终端数据采集单元的路基位移电压信号发送至所述第一数字信号处理器，所述第一数字信号处理器实时处理所述路基位移电压信号以生成路基预警信号，所述智能网关将所述路基位移电压信号和路基预警信号发送给所述远程控制中心；

所述远程控制中心包括GSM远程接收模块、第二数字信号处理模块、和声光报警器，所述GSM远程接收模块将接收到的所述路基位移电压信号和路基预警信号发送给所述第二数字信号处理模块，所述第二数字信号处理模块根据所述路基位移电压信号和路基预警信号开启所述声光报警器。

优选地，所述第一无线收发器和无线网络协调器均包括下载调试接口。

优选地，所述第一无线收发器和无线网络协调器均包括时钟电路和复位电路。

优选地，所述智能网关包括GSM远程数据收发装置。

优选地，所述第一数字信号处理器和第二数字信号处理器均包括数字信号处理器、和TFT液晶显示器，所述TFT液晶显示器与所述数字信号处理器电连接。

优选地，所述终端数据采集单元还包括用于供电的第一电源模块。

优选地，所述无线网络协调器单元还包括用于供电的第二电源模块。

优选地，所述远程控制中心还包括用于供电的第三电源模块。

本发明解决了公路路基位移监测与预警，自动检测公路路基内部位移信号，发送至无线网络协调器汇总，通过智能网关发送至远程控制中心，及时发出预警信号，实施交通管制并立即处理，有效排除了安全隐患，防止安全事故的发生。本发明控制简单、方便、高效、快捷，同时也适用于隧道、桥梁、山地等地方位移监测，不仅适用范围广，而且成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明的一个方面，提供了一种基于FBG光栅传感器的智能变频路基位移监测与预警装置，包括：终端数据采集单元、无线网络协调器单元、和远程控制中心；

所述终端数据采集单元包括：依次连接的ASE宽带光源、隔离器、F-P滤波器、耦合器和FBG光栅位移传感器，所述耦合器依次通过F-P标准具、PIN光电转换器、程控放大器、AD转换器、第一无线收发器、和三角波信号发生器后与所述F-P滤波器连接，所述AD转换器输出的数字信号通过所述第一无线收发器转发给所述无线网络协调器单元，所述第一无线收发器控制所述程控放大器的放大倍数。

其中，ASE宽带光源、F-P滤波器、三角波信号发生器、隔离器、耦合器、FBG光栅位移传感器、F-P标准具构成光路处理模块。优选地，ASE宽带光源用于发射可调功率的C波段基础光源，为光路提供能量；隔离器与所述ASE宽带光源连接，用于抑制反射光，保证发射光信号沿单一方向传输，防止光信号反射；F-P滤波器与所述隔离器连接，用于保证谱宽1525-1567nm的光信号能通过滤波器进入耦合器，其它波长的光信号被滤除；三角波信号发生器与所述F-P滤波器连接，用于根据三角波电压设定通过F-P滤波器入射光的波长；耦合器，与所述F-P滤波器、FBG光栅位移传感器、F-P标准具连接用于光信号的分路与合路，将入射光和反射光分成两路进行传输；FBG光栅位移传感器与所述用耦合器连接，用于反射一定波长的光栅信号，当FBG光栅发生微小的位移时，反射光的波长发生相应的变化；F-P标准具，与所述用耦合器连接，用于对输出的光信号进行矫正标定，锁定FBG光栅位移传感器反射光栅中心波长，降低F-P滤波器的迟滞性和非线性关系对光栅解调系统带来的影响。

优选地，所述FBG光栅位移传感器发生位移反射不同波长的光栅信号，通过所述耦合器和F-P标准具，用于锁定FBG光栅位移传感器反射光栅中心波长，对输出的光信号进行矫正标定，降低F-P滤波器的迟滞性和非线性关系对光栅解调系统带来的影响。优选地，所述ASE宽带光源发射可调功率的C波段基础光源，经过隔离器用于防止光波信号反射，通过F-P滤波器保证谱宽1525-1567nm的光信号通过滤波器进入耦合器。例如，谱宽小于1525nm或大于1567nm的光信号不能通过F-P滤波器。

PIN光电转换器、程控放大器、高速AD转换器、第一无线收发器构成电路处理模块，优选地，其中，PIN光电转换器与所述耦合器连接，用于将FBG光栅位移传感器反射光栅信号转换为电信号，送入程控放大器；程控放大器与所述PIN光电转换器连接，用于放大PIN光电转换器输出的电信号；高速AD转换器与所述程控放大器连接，用于将程控放大器输出的模拟电压信号转换为数字信号，送入第一无线收发器；第一无线收发器与所述高速AD转换器连接，用于无线发送高速AD转换器输出数字信号，同时控制程控放大器电压放大倍数。

优选地，所述PIN光电转换器将光信号转换为电信号；由所述程控放大器放大送放入所述高速AD转换电路，将位移信号转换为电信号后由无线传感器网络发送至所述无线网络协调单元。

在一个优选实施例中，例如，ASE宽带光源可以采用江西旭锋光电技术有限公司AS4400宽带光源；F-P滤波器可以采用上海昊量光电设备有限公司LLTF基于布拉格光栅的可调谐滤波器，100V-240V供电；隔离器可以采用四川成都北亿纤通科技有限公司单级隔离器；耦合器可以采用福建迈可博电子科技集团股份有限公司D10B020180-10dB双定向耦合器；FBG光栅位移传感器采用北京迪恩康硕科技发展有限公司FBG-D位移传感器；F-P标准具可以采用Micro Optic公司的PETM1标准具模块；PIN光电转换器可以采用美国硅国际Silicon的APD型光纤耦合型光电探测器C30921；程控放大器可以采用美国德州仪器VCA824程控增益放大器；高速AD转换器可以采用美国德州仪器ADS124S06，24位高精度AD转换器；第一无线收发模块可以采用美国德州仪器CC2530，作为无线传感器网络终端数据发送节点；三角波信号发生器可以采用亚德诺ADI半导体直接数字频率合成器AD9833，根据三角波电压设定通过F-P滤波器入射光的波长。

所述无线网络协调器单元包括用于管理无线传感器网络的无线网络协调器、第一数字信号处理器、和智能网关；所述无线网络协调器将接收到的来自所述终端数据采集单元的路基位移电压信号发送至所述第一数字信号处理器，所述第一数字信号处理器实时处理所述路基位移电压信号以生成路基预警信号，所述智能网关将所述路基位移电压信号和路基预警信号发送给所述远程控制中心。

其中，无线网络协调器用于管理无线传感器网络，负责组网、终端节点加入与退出，用于接收终端数据采集单元发送的路基位移电压信号并上行至第一数字信号处理器；智能网关用于远程发送路基位移信号与预警信号至远程控制中心；第一数字信号处理器与所述无线网络协调器、智能网关连接，用于实时处理无线网络协调器接收的数字电压信号，输出路基预警信号。优选地，所述智能网关包括GSM远程数据收发装置。

在一个优选的实施例中，无线网络协调器的无线收发模块可以采用美国德州仪器CC2530组成无线传感器网络；第一数字信号处理器可以采用美国德州仪器C6678S高速数字信号处理器，智能网关可以采用华为MH5000全网通工业级5G模块，远程传输数据，+5V直流供电。

所述远程控制中心包括GSM远程接收模块、第二数字信号处理模块、和声光报警器，所述GSM远程接收模块将接收到的所述路基位移电压信号和路基预警信号发送给所述第二数字信号处理模块，所述第二数字信号处理模块根据所述路基位移电压信号和路基预警信号开启所述声光报警器。

其中，GSM远程接收模块用于接收无线网络协调器单元发送的路基位移信号与报警信号；第二数字信号处理器与所述GSM远程接收模块连接，用于实时处理GSM远程接收信号，输出声光电预警信号。优选地，所述远程控制中心由所述GSM远程接收模块接收网络协调单元发送多点路基位移信号，利用现有技术中的任何方式综合分析、和/或比较研判发生路基坍塌的可能及时发出预警信号，实施交通管制并立即处理，有效排除了安全隐患，防止安全事故的发生。

在一个优选实施例中，远程控制中心的GSM模块可以采用华为MH5000全网通工业级5G模块，远程传输数据；第二数字信号处理器可以采用美国德州仪器C6678S高速数字信号处理器。

当路基内部发生位移，所述FBG光栅位移传感器反射回所述耦合器的波长发生变化，通过所述F-P标准具校正后输入所述PIN光电转换器，将FBG光栅位移传感器反射光栅信号转换为电信号，不同波长的光栅信号转换的电压信号不同，经过所述程控放大器后输入所述高速AD转换器输出路基位移数字信号，并由第一无线收发器发送至所述无线网络协调器单元。经所述无线网络协调单元与所述第一数字信号处理器存储位移阈值进行比较，输出声光电报警，通过智能网关远程发送位移信号、报警信号至所述远程控制中心。所述远程控制中心的GSM模块接收到信号后立即上行至第二数字信号处理，通过对路基内部位移综合研判发生路基坍塌等险情的可能性，及时处理输出声光电报警信号，并组织实施交通管制，防止重大事故发生。

由于采用了上述技术方案，本发明可通过FBG光栅位移传感器实时采集路基内部位移信号及时预警，有效监测了公路路基内部发生位移防止路基坍塌，并采用声光电信号报警，预防由路基坍塌应发的道路交通事故，具有结构简单、智能、安全、成本低的特点。

优选地，所述第一无线收发器和无线网络协调器均包括下载调试接口。优选地，所述第一无线收发器和无线网络协调器均包括时钟电路和复位电路。

优选地，所述第一数字信号处理器和第二数字信号处理器均包括数字信号处理器、和TFT液晶显示器，所述TFT液晶显示器与所述数字信号处理器电连接。例如，TFT液晶显示器可以采用南京罗姆液晶显示技术有限公司WYM10BH707-40A，10.1寸TFT-LCD液晶显示器，液晶亮度可调，2.7V-3.3V供电。

优选地，所述终端数据采集单元还包括用于供电的第一电源模块。优选地，所述无线网络协调器单元还包括用于供电的第二电源模块。优选地，所述远程控制中心还包括用于供电的第三电源模块。在一个实施例中，第一电源模块可以采用美国德州仪器TPS628512降压电源管理模块和TPS65130正负双路电源输出模块，TPS628512降压电源管理模块输入+5V输出+3.3V，其中+5V光电探测器C30921供电，+3.3V为高速AD转换器ADS124S06、终端节点无线数据收发器CC2530供电,TPS65130正负双路电源输出，为电路模块VCA824程控增益放大器和三角波发生器供电。第二电源模块可以采用TPS628512降压电源管理模块，输入+5V输出+3.3V。第三电源模块可以采用TPS628512降压电源管理模块，输入+5V输出+3.3V。

本发明中的FBG光栅位移传感器路装入路基预埋孔中，当FBG光栅位移传感器反射光波长发生变化，并将FBG光栅位移信号转换为电信号，提示路基内部发生位移等异常情况，并由无线传感器发送位移信号至无线网络协调器，由无线网络协调单元智能网关将路基位移信号上传至远程控制中心，可利用现有技中已知的任何方式通过综合分析、和/或比较研判发生路基坍塌的可能及时发出预警信号，对路基存在安全隐患的路段实施交通管制，应及时处理安全隐患，防止道路安全事故发生。

这样，本发明通过FBG光栅位移传感器实时采集路基内部位移信号，通过无线传感器网络将路基位移信号发送至终端协调器，由智能网关的GSM模块发送至远程控制中心；当终端采集单元发送的数据与标定数据相同时，说明该路基目前不存在位移，终端传感器发送至第一数字信号处理器、第一数字信号处理器接收数据不必存储，而且终端数据采集间隔可以适当变长；采集数据一旦发生变化则采集的周期缩短，当终端数据变化越频繁数据采集周期越短，实现数据采接收、存储的自动智能变频。通过综合分析、比较研判发生路基坍塌的可能及时发出预警信号，实施交通管制并立即处理，有效排除了安全隐患，防止安全事故的发生。

本发明解决了公路路基位移监测与预警，自动检测公路路基内部位移信号，发送至无线网络协调器汇总，通过智能网关发送至远程控制中心，综合分析、比较研判发生路基坍塌的可能及时发出预警信号，实施交通管制并立即处理，有效排除了安全隐患，防止安全事故的发生。本发明控制简单、方便、高效、快捷，同时也适用于隧道、桥梁、山地等地方位移监测，不仅适用范围广，而且成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。