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光纤光栅传感技术具有可靠性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻、灵敏度高、抗腐蚀、不受潮湿环境的影响等诸多优点。但受到光源带宽和光纤链路链接的影响不利于实现大规模组网。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的监测网络。它能够实现将数据的采集量化、数据的处理融合以及数据的传输应用诸功能集成于一个传感器节点,并通过节点间无线互连实现大规模的传感网络。本研究在保障光纤光栅传感技术抗干扰、高灵敏度等技术优势的同时,通过结合无线通信技术,设计并实现了基于光纤光栅为传感单元的无线传感器网络。主要研究内容及结果如下:
⑴设计实现了适用于光纤光栅无线传感器网络的振动、压力、温度以及三维应力传感器。其中,温度和压力传感器具有良好的线性响应曲线。温度传感器的感测范围在0~105℃,分辨率为0.5℃,压力传感器的感测范围为0~30kN,分辨率22N;振动传感器具有较宽的探测范围,在0~6kHz的范围内最大误差为0.5%,同时具有温度补偿功能,稳定性高;三维应力传感器通不仅可以探测外力的大小,还可以测量施加外力的方向,力的大小误差不超过1.58%。
⑵设计实现了光纤光栅传感器解调模块。利用掺铒光纤ASE谱形的线性边沿,选用线性滤波解调方法,实现了感测物理量的信息解调。此方案不仅节约了系统设计的成本,而且实现了解调模块的全光纤化,并且可普遍适用于压力,温度,应变,振动等各待测量的解调实现。
⑶合作设计并实现了光纤光栅无线传感器网络节点。结合项目需求,设计出了小型化、低功耗、收发准确的无线传感器节点,并成功的进行了几十个节点的小规模应用。
⑷合作开展了光纤光栅无线传感器网络系统中无线自组织网络协议的研究。结合设计要求的无线传感器网络节点,在研究目前国内外在无线传感器网络协议方案的基础上,设计了一套完整、跨层次、低功耗的无线传感器网络协议,并成功的应用到小规模的网络中,实现了通信节点间通信半径150m,传感节点20个的无线传感器网络。