一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀的製作方法

2023-09-15 00:42:55

專利名稱：一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光纖傳感、光學測量技術領域，具體涉及一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀。
背景技術：
光纖光柵傳感器作為智能化結構的傳感器，具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁幹擾能力強、易集成、結構簡單、可靠性高等優點，早已作為有效的無損檢測技術成功應用於航天、航空領域中，同時還可在水利水電、煤礦、材料工業、船舶、化學醫藥領域中應用，並可埋設在土木工程領域的混凝土結構和組件裡，對結構的完整性和應變狀態進行健康監測。尤其是其波長編碼特性以及能在單根光纖上實現準分布式測量的優點更是其它傳感器所無法比擬的，具有廣闊的應用前景。光纖光柵是一種製作在光纖上的具有窄帶反射特性的光學濾波器，其工作原理如附圖1所示，根據光纖耦合模理論，寬帶光在光纖光柵中傳輸的時候，會產生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射:入B=2.neffA (I)式中，A B為布拉格中心波長，neff為有效折射率，A為光柵周期。在光纖光柵傳感系統中，外界物理量即待測量信息是以光纖光柵的反射波長為載體來傳遞的。A和neff都會因外界環境的變化而改變，從而引起布拉格反射波長也發生相應偏移，而光纖布拉格光柵的纖芯折射率neff和光柵周期A又將隨著外界溫度或應變的變化而變化。光纖布拉格光柵在應力作用下會因為光柵周期的伸縮及彈光效應導致光柵中心反射波長的變化，而溫度對中心波長的影響則是由熱膨脹效應和熱光效應引起。光纖光柵中心波長的變化量A X,在一定 的範圍內和應變e、溫度變化AT存在如下的線性關係:A 入 B/ 入 B= e 1- Y (2)A A B/ A B= ( a +e) A T (3)式中:e為光纖的應變，Y為光纖材料的彈光係數，a為光纖材料的熱脹係數，AT為溫度變化量，e=l/n(dn/dT)為熱光係數。通過測量波長的變化根據上述的關係就能確定需感知的溫度和應力。因此，波長解調技術一直是該領域的研究熱點，高精度、快速、低成本的實現解調，是光纖光柵傳感器大規模工程化應用的一個重要前提。目前，對光纖光柵波長進行解調的方法主要有光譜儀檢測法、匹配光柵法、邊緣濾波法、可調諧光纖F-PFabry-Perot濾波法、非平衡M-Z光纖幹涉儀法、麥可遜幹涉儀解調法、波長掃描光纖雷射器解調法等。這些方法歸納起來可分為:寬帶光源/寬帶濾波接收、寬帶光源/可調窄帶接收、寬帶光源/幹涉接收以及可調諧窄帶光源/寬帶接收四類方案。目前，世界上實用化解調技術主要採用以下三種方案:1採用寬帶光源和可調諧F-P濾波器對傳感光纖光柵的反射譜進行掃描；2採用色散原件和陣列相結合的光譜成像技術進行波長分析；3採用大功率可調諧窄帶雷射源對傳感光纖光柵進行波長掃描，參考如下相關的國內外專利:[0011]高精度光纖光柵傳感信號解調儀中國實用新型專利CN 101216327 B基於FPGA的CCD光纖光柵傳感解調系統中國實用新型，CN 201680848 U一種高精度光纖光柵波長解調系統中國實用新型專利CN 101586986 B一種多通道光纖光柵解調儀中國實用新型專利CN 101718942 B高速高精度多通道布拉格光柵解調儀中國實用新型專利CN 102252704 A一種光纖布拉格光柵傳感系統中國實用新型專利CN 102183267 A一種可調雷射型光纖光柵波長解調裝置中國實用新型專利CN 102494874 A一種布拉格光柵傳感系統(Fiber Bragg Grating Sensor System)(美國專利US7333680B2)採用寬帶光源的波長解調系統，由於Bragg反射波長的光僅佔整個光譜的極小一部分，故其信噪比很低，而前期採用全模擬技術，即光源連續掃描，探測器連續接收，用硬體進行峰值檢測，提取峰值信息，這種方法雖然簡單直接，但是無法通過算法獲得更高的精度；後期隨著激 光器技術的發展，大功率可調諧雷射器問世，光源採用可調諧窄帶雷射器代替寬帶光源，大大提高了其信噪比，且改進接收方式，通過採用數位化接收方式，即光源連續掃描，在探測器端使用AD轉換，把接收到的模擬信號轉換成數位訊號，對數位訊號序列進行運算，從而得到峰值信息，這種方法的優點是對於接收到的數字序列可以進行各種算法，比如擬合法，質心算法等，對光柵的光譜形狀更有適應性，進一步提高了測試精度。但缺點是:在AD採樣保持時間內，光源波長還在改變，測到的是平均波長的結果，容易帶來測試誤差。到目前為止，國內外公開的所有關於高精度波長解調儀的文獻或專利，均是採用以上所述的解調方法，即光源連續掃描法，不論是採用寬帶光源還是採用可調的窄帶光源。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題在於克服上述光纖光柵解調儀的不足，提供一種基於全數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀。解決上述技術問題所採用的技術方案包括:一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其不同之處在於:其包括數位化可調諧光源、光耦合器或環形器、光電轉換模塊、數據採集單元、計算控制單元；數位化可調諧光源的輸出端接光耦合器或環形器的輸入端，光率禹合器或環形器的一輸出端串接N個布拉格光柵,另一輸出端經光電轉換模塊後接入數據採集單元，最終進入計算控制單元。以上方案中，所述數位化可調諧光源採用非連續掃描光源，可以任意設定波長和功率，並可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設置某一波長的停留時間，獲得更高的波長精度。以上方案中，所述數位化可調諧光源、數據採集單元和計算控制單元之間用同步數據線連接。這樣，數據採集和光源波長設定可以做到完全同步，可以消除傳統掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，進一步提高了波長解調的精度。以上方案中，所述數位化可調諧光源或由寬帶光源、可調諧濾波器、程控電路構成；或由各種半導體集成的可調諧窄帶光源、程控電路構成；或由環形腔雷射器、程控電路構成，所述環形腔雷射器或由EDFA、可調諧濾波器構成，所述環形腔雷射器或由S0A、可調諧濾波器構成；或由半導體外腔雷射器、程控電路構成，半導體外腔雷射器由半導體增益晶片、衍射光柵、MEMS反射構成。以上方案中，所述光耦合器或環形器2分別選用理論分光比為50:50的光耦合器，或選用10:90、20:80、30:70、40:60等多種分光比的光耦合器。以上方案中，所述光電轉換模塊由探測器PIN、光電轉換、濾波、放大、整形電路構成。以上方案中，所述數據採集單元是由高精度模數A/D轉換電路構成的數據採集電路。以上方案中，所述計算控制單元包括同步信號發生模塊、數位訊號處理模塊、通訊接口，所述計算控制單元可以是單片機、ARM或工控機、計算機中的任一種。對比現有技術，本實用新型的原理及有益效果如下:本實用新型採用數位化可調諧光源，該數位化可調諧光源不是連續掃描的光源，而是離散的，可以任意設置波長和功率，同時數位化可調諧光源，可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設置某一波長的停留時間；數據採集和光源波長設定可以做到完全同步，可以消除傳統掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，獲得更高的波長精度。

圖1為布拉格光纖光柵的工作原理不意圖；圖2為本實用新型的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀結構示意圖；圖3為本實用新型的數位化可調諧光源與傳統掃描光源波長與時間關係的對比示意圖。
具體實施方式
本實用新型的主要思想是提出一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，SP採用數位化可調諧光源代替傳統的掃面光源做光纖光柵解調儀的光源，因數位化可調諧光源是離散的，可以任意設置波長和功率，且可隨意改變波長的間隔和排列順序，增加了波長測試的靈活性；另數位化可調諧光源、數據採集單元和計算控制單元之間用同步數據線連接，這樣，數據採集和光源波長設定可以做到完全同步，可以消除傳統掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，進一步提高了波長解調的精度。現結合附圖對本實用新型做進一步描述:參閱附圖2，本實用新型的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀包括數位化可調諧光源1、光耦合器或環形器2、光電轉換模塊4、帶同步信號的數據採集單元5、計算控制單元6。其間的連接關係為:數位化可調諧光源I的輸出端接光耦合器或環形器2的
輸入端，光I禹合器或環形器2的一輸出端串接N個布拉格光柵3-1,3-2......3-N,另一輸出
端經光電轉換模塊4後接入數據採集單元5，最終進入計算控制單元6。優選的，所述數位化可調諧光源I採用非連續掃描光源，可以任意設定波長和功率，並可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設置某一波長的停留時間，獲得更高的波長精度。優選的，所述數位化可調諧光源1、數據採集單元5和計算控制單元6之間用同步數據線連接。這樣，數據採集和光源波長設定可以做到完全同步，可以消除傳統掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，進一步提高了波長解調的精度。優選的，所述數位化可調諧光源I或由寬帶光源、可調諧濾波器、程控電路構成；或由各種半導體集成的可調諧窄帶光源、程控電路構成；或由環形腔雷射器、程控電路構成，所述環形腔雷射器或由EDFA、可調諧濾波器構成，所述環形腔雷射器或由S0A、可調諧濾波器構成；或由半導體外腔雷射器、程控電路構成，半導體外腔雷射器由半導體增益晶片、衍射光柵、MEMS反射構成。優選的，所述光耦合器或環形器2分別選用理論分光比為50:50的光耦合器，或選用10:90,20:80,30:70,40:60等多種分光比的光耦合器。優選的，所述光電轉換模塊4由探測器PIN、光電轉換、濾波、放大、整形電路構成。優選的，所述數據採集單元5是由高精度模數(A/D)轉換電路構成的數據採集電路。優選的，所述計算控制單元6包括同步信號發生模塊、數位訊號處理模塊、通訊接口，所述計算控制單元6可以是單片機、ARM或工控機、計算機中的任一種。光路原理如下:數位化可調諧光源I發出的光經過耦合器或者環行器2進入測試光纖3內，經測試光纖上的光纖光柵3-1，3-2....3-N反射，攜帶被測信息的光反向通過耦合器或者環行器2，入射到光電轉換模塊4上，經同步的數據採集單元5採集信號，送入計算和控制單元6，根據不同波長的反射率，計算出光纖光柵反射的波長，從而得到待測光纖光柵溫度或應變的信息。圖3為數位化可調諧光源與傳統掃描光源的對比示意圖，上圖為傳統掃描光源波長與時間關係示意圖，圖中 其掃描波長與時間關係為連續關係，這樣，在數據採集過程中，特別在AD採樣保持時間內，光源波長還在改變，測到的是平均波長，容易帶來測試誤差。下圖為本實用新型用的數位化可調諧光源，其波長與時間關係是離散的，在某一段採集時間內，可以設定一個固定波長，待採集完成後，根據同步信息指令，隨機設定下一個波長進行測試，只要不做人為中斷，上述採集過程將會一直持續，最終採集數據匯總到計算和控制單元中，由計算和控制單元進行分析處理。以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關技術領域的技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案，都落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:其包括數位化可調諧光源(I)、光耦合器或環形器(2)、光電轉換模塊(4)、數據採集單元(5)、計算控制單元(6)；數位化可調諧光源(I)的輸出端接光耦合器或環形器(2 )的輸入端，光耦合器或環形器(2 )的一輸出端串接N個布拉格光柵(3-1, 3-2,......, 3-N),另一輸出端經光電轉換模塊(4)後接入數據採集單元(5)，最終進入計算控制單元(6)。
2.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述數位化可調諧光源(I)採用非連續掃描光源，可以任意設定波長和功率，並可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設置某一波長的停留時間，獲得更高的波長精度。
3.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述數位化可調諧光源(I)、數據採集單元(5)和計算控制單元(6)之間用同步數據線連接。
4.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述數位化可調諧光源(I)或由寬帶光源、可調諧濾波器、程控電路構成；或由各種半導體集成的可調諧窄帶光源、程控電路構成；或由環形腔雷射器、程控電路構成，所述環形腔雷射器或由EDFA、可調諧 濾波器構成，所述環形腔雷射器或由SOA、可調諧濾波器構成；或由半導體外腔雷射器、程控電路構成，半導體外腔雷射器由半導體增益晶片、衍射光柵、MEMS反射構成。
5.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述光耦合器或環形器(2)分別選用理論分光比為50:50的光耦合器，或選用10:90、20:80、30:70、40:60等多種分光比的光耦合器。
6.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述光電轉換模塊(4)由探測器PIN、光電轉換、濾波、放大、整形電路構成。
7.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述數據採集單元(5)是由高精度模數A/D轉換電路構成的數據採集電路。
8.如權利要求1所述的一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於:所述計算控制單元(6)包括同步信號發生模塊、數位訊號處理模塊、通訊接口。
專利摘要本實用新型提供了一種基於數位化可調諧光源的光纖光柵解調儀，其特徵在於包括一個可以任意設定波長和功率的數位化可調諧光源，一個耦合器或者環行器，一個光電轉換模塊，一個帶同步信號的數據採集單元，以及一個計算和控制單元。數位化可調諧光源光源發出的光經過耦合器或者環行器進入測試光纖，經測試光纖上的光纖光柵反射，攜帶被測信息的光反向通過耦合器或者環行器，入射到光電轉換模塊上，經同步的數據採集單元採集信號，送入計算和控制單元，根據不同波長的反射率，計算出光纖光柵反射的波長，從而得到待測光纖光柵溫度或應變的信息。本實用新型光纖光柵解調儀的優點在於，可以消除傳統掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題。
文檔編號G01D5/38GK203100750SQ201220696599
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者張麗, 邵軍 申請人:張麗