[發明專利]無線光子壓力傳感系統和方法

有效

• 申請號: 201810228576.1
• 申請日: 2018-03-20
• 公開（公告）號: CN108548620B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 洪俊;李祖林;彭志強;劉海波;湯群芳
• 申請（專利權）人: 湖南工學院
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G08C17/02
• 代理公司: 43205 長沙星耀專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 龍騰;黃麗

1.無線光子壓力傳感方法，包括以下步驟：

1)采集壓力信號：

通過壓電晶體接受壓力，壓電晶體承受壓力F后產生感應電壓，將該感應電壓作為壓控放大器的偏置電壓用于控制壓控放大器的電壓增益G(F)，壓力F與電壓增壓G(F)之間的關系式為：

其中，g為壓電晶體的壓電常數，h為壓控放大器的壓控增益系數，S為壓電晶體的受力面積；

2)壓力－振蕩信號功率的轉換：

步驟1)中的壓控放大器接入光電振蕩環路中，環路內部的噪聲通過電光強度調制器對光載波強度實現強度調制，再通過光纖延時線延時后在光電探測器進行解調還原成電信號，該電信號經過耦合器實現部分輸出，另一部分通過壓控放大器與窄帶濾波器實現放大與濾波的信號處理過程，最終返回到電光強度調制器的交流輸入端進行下一次循環；調節電光強度調制器的直流偏置電壓，讓電光強度調制器工作在正交工作點，使閉合光電環路產生自激振蕩，此時，耦合器輸出的信號即為攜帶壓力傳感信息的振蕩信號，振蕩信號的功率P_OSC與壓控放大器的電壓增壓G(F)之間的關系式為：

其中，ρ表示光電探測器的響應度；R表示光電探測器輸出端的匹配阻抗；P_in表示輸入光載波功率；V_π即為電光強度調制器的半波電壓；

3)發送、接收信號：

將步驟2)中攜帶壓力傳感信息的振蕩信號通過匹配網絡輸入至發射天線，再通過無線電技術傳送至接收端，接收端通過接收天線接收該傳感信號；

4)信號處理與計算：

接收端將接收到的傳感信號先通過濾波器進行濾波，再通過放大器進行放大，接著通過功率計讀取該傳感信號的功率值P_R，傳感信號在傳輸與處理過程中有部分功率損耗，采用衰減因子β來表征：

P_R＝β·P_osc

該衰減因子通過系統校準來獲得，綜合上述公式得到：

計算機通過該公式計算出壓力F的最終值，從而實現壓力傳感。

2.采用權利要求1中所述的無線光子壓力傳感方法進行壓力傳感的無線光子壓力傳感系統，其特征在于：包括發射端和接收端，所述發射端用于產生傳感信號并通過無線電技術向空氣信道發射電磁波，所述接收端用于接收含傳感信息的無線電信號并通過信號處理、校準與計算還原成壓力值。

3.根據權利要求2所述的無線光子壓力傳感系統，其特征在于：所述發射端包括依次連接的傳感信號發生器、匹配網絡以及發射天線，所述傳感信號發生器用于將壓力信號轉換成電信號，所述匹配網絡用于實現傳感信號發生器與發射天線的電路匹配，保證傳感信號發生器發射信號的輸出功率能夠全部進入發射天線，而無反射回波，所述發射天線接收匹配網絡傳送的傳感信號并發送至空氣信道。

4.根據權利要求3所述的無線光子壓力傳感系統，其特征在于：所述接收端包括接收天線、濾波器、放大器、功率計以及計算機，所述接收天線與發射天線用于無線通信，所述濾波器的輸入端與接收天線連接，所述濾波器的輸出端與放大器的輸入端連接，所述放大器的輸出端與功率計的輸入端連接，所述功率計的輸出端與計算機連接，無線電信號通過所述接收天線進入接收端，然后通過所述濾波器進行噪聲與雜散抑制，再通過所述放大器進行信號放大后進入功率計實現功率測量，最后通過所述計算機進行校準、計算得出壓力值的大小。

5.根據權利要求4所述的無線光子壓力傳感系統，其特征在于：所述傳感信號發生器包括激光器、電光強度調制器、光纖延時線、光電探測器、耦合器、壓力感應放大器和窄帶濾波器；所述激光器連接至電光強度調制器的光輸入端，所述電光強度調制器的光輸出端通過光纖延時線與光電探測器的光輸入端連接，所述光電探測器的電輸出端與耦合器的輸入端連接，所述耦合器的輸出端與壓力感應放大器的輸入端連接，所述壓力感應放大器的輸出端與窄帶濾波器的輸入端連接，所述窄帶濾波器的輸出端與電光強度調制器的電輸入端連接，所述匹配網絡的輸入端與耦合器的輸出端連接，所述匹配網絡的輸出端與發射天線連接，所述壓力感應放大器用于感受壓力作用并由該壓力作用的變化控制其自身的電壓增益。