基于功能化光纤和具有无线询问能力的跨阻放大器电路的低成本感测系统
本发明涉及用于感测例如工业/商业或住宅系统/环境中的各种参数（诸如但不限于温度、气体浓度或磁场水平）的感测系统，并且特别地，涉及利用基于功能化光纤的传感器和具有无线询问能力的跨阻放大器电路来测量一个或多个关注的参数的感测系统。
背景技术：
1、温度监测一直是电力装备正常操作优化和即将发生的故障的检测不可或缺的一部分。除了热监测之外，对电气资产内部（包括绝缘油上方或内部、电池单元内部、绝缘纸附近等）的气相化学分析也可以提供资产健康状况的早期指标。为此，如今大型电力变压器通常采用溶解气体分析采样或实时监测。最终，对诸如磁场和电场之类的电气参数的监测也是所关注的，以便直接测量资产或电气系统内电流或存储电荷形式的电力流。众所周知，光纤传感器可以克服常规电气传感器在电气资产紧凑、化学腐蚀和电磁干扰条件中遇到的挑战。光纤的这些优势使内部测量具有高灵敏度，并且结果更准确。
2、此前，光纤布拉格光栅（fbg）传感器和法布里-珀罗干涉仪已嵌入在锂离子电池单元中，用于探测充电/放电期间的内部温度升高。内部测量降低了与电池内部状态估计相关联的不确定性，从而避免了电池模块尺寸过大并最大限度地提高了单个电池单元的有用容量。除了点温度感测外，还使用准分布式fbg网络展示了模块级的热映射，以识别可能导致热失控的异常热点。但是，制造fbg传感器需要昂贵的装备，诸如准分子激光器或co2激光器，这导致此类传感器的成本相对较高。
3、此外，由于需要探测器的精细波长分辨率和调谐波长的窄带高强度光源，光学询问系统的成本相当高。另一方面，分布式光纤温度传感器（诸如基于瑞利背向散射的光频域反射仪（ofdr））已被部署用于监测商用电力变压器的内部温度分布。但是，现有的分布式和准分布式光纤传感器的光纤技术需要高昂的传感器制造成本和昂贵的询问系统，这会导致巨大的经济负担，除了非常高价值的资产和系统外，这可能会使部署变得难以承受。例如，这些分布式/准分布式询问器的成本通常在15000美元到50000美元之间。难以证明低压和中压电气资产的这些成本是合理的，除非公用事业规模的能源系统被认为能够支持极其庞大的资本投资，并将成本分摊到多个空间分布的感测点上，考虑到电力传输和配电系统的经济和监管现实，这种情况极不可能发生。
技术实现思路
1、在一个实施例中，提供了一种感测系统，其包括：基于功能化光纤的传感器，包括工程化感测层；光源，被构造为生成光并将光耦合到基于功能化光纤的传感器的输入端中；以及询问器，包括耦合到基于功能化光纤的传感器以接收透射或反射光的光电探测器、耦合到光电探测器的输出端的跨阻放大器（tia）电路、耦合到tia电路的输出端的控制器、以及耦合到控制器的发射器，诸如但不限于无线发射器。
2、在另一个实施例中，提供了一种基于光纤的感测方法，其包括：生成入射光并将入射光耦合到基于功能化光纤的传感器的输入端中，基于功能化光纤的传感器包括工程化感测层；在耦合到基于功能化光纤的传感器的光电探测器中接收透射光或反射光；在tia电路中接收光电探测器的输出；以及基于并响应于tia电路的输出生成并（例如，无线地）传输参数信号，参数信号指示由基于功能化光纤的传感器监测的参数。
技术特征：
1.一种感测系统，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器是光电二极管。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源包括耦合到透镜系统的led。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述透镜系统包括球透镜。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述工程化感测层由纳米复合材料组成。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述纳米复合材料包括遍及其中分散有纳米颗粒的基质。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述基质是氧化物基质。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述纳米颗粒是等离子体活性纳米颗粒。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述纳米颗粒是au纳米颗粒。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器、所述tia电路、所述控制器和所述无线发射器设置在单个印刷电路板上。
11.根据权利要求1所述的系统，其中从所述tia电路输出的电压连接到所述控制器的模拟输入引脚，其中所述控制器的输出引脚被构造和配置为向所述无线发射器提供基于所述输出的电压的数字放大的电压信号，其中所述无线发射器被构造和配置为以无线方式发送所述数字放大的电压信号。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述发射器是无线发射器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述无线发射器是nrf24l01+rf发射器或lorarf发射器。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为反射感测几何结构，并且其中基于功能化光纤的传感器包括循环器。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述tia电路中，tia增益由输出电压的最大差值与输入光电流的最大差值之间的比率定义，并且其中所述tia电路包括反馈电阻器和补偿电容器以控制tia增益。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述tia电路包括用于控制所述tia电路的dc偏移的高增益放大器和低增益放大器，以及具有由电阻器定义的截止频率的低通滤波器，用于捕获来自基于功能化光纤的传感器的低频光学响应。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述tia电路包括多个运算放大器，用于提供改进的信噪比（snr）性能。
18.根据权利要求1所述的系统，还包括用于为所述光源和所述询问器供电的能量收集电路。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述能量收集电路包括与多个电池和电池充电集成电路集成的多个串联光伏（pv）电池单元，以及开关电路，所述开关电路被构造和配置为当pv电池单元达到特定电压时允许pv电池单元为所述tia电路供电，所述开关电路包括齐纳二极管和pmos晶体管。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述能量收集电路包括电流变压器（ct）组，其被构造和配置为从由基于功能化光纤的传感器监测的能量系统获得冗余电力。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于功能化光纤的传感器包括第二工程化感测层，其中所述工程化感测层和所述第二工程化感测层具有其相应lspr峰的不同波长位置。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述工程化感测层被构造和配置为具有与不同波长位置对应的多个不同的lspr峰。
23.一种基于光纤的感测方法，包括：
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述生成并传输所述参数信号包括无线传输所述参数信号。
技术总结
基于光纤的感测系统和方法包括：基于功能化光纤的传感器，其包括工程化感测层；光源，其被构造为生成光并将光耦合到基于功能化光纤的传感器的输入端；以及询问器，其包括耦合到基于功能化光纤的传感器以接收透射光或反射光的光电探测器、耦合到光电探测器的输出端的跨阻放大器（TIA）电路、耦合到TIA电路的输出端的控制器、以及耦合到控制器的发射器（例如，有线或无线发射器）。
技术研发人员：小P·R·欧赫德尼奇,蘇洋端,N·R·拉莱姆,J·G·阿塔,C·N·莱瑟曼
受保护的技术使用者：匹兹堡大学高等教育联邦体系
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23