CN101216327B - 高精度光纤光栅传感信号解调仪 - Google Patents

Abstract

一种高精度光纤光栅传感信号解调仪，包括设在安装板左上的可调谐激光光源、设在右上的1×N分光耦合器和N路光耦合器，分光耦合器的输出端用光纤接N路光耦合器并输出，设在安装板下部的数据采集卡、多通道探测器、气体吸收池，一路光耦合器一输出端用光纤接多通道探测器的第一输入端、另一输出端用光纤接气体吸收池的输入端，气体吸收池的输出端用光纤接多通道探测器的第二输入端，二路光耦合器的一输出端用光纤接多通道探测器的第三输入端、另一输入端用光纤接多通道探测器的第四输入端，其余几路光耦合器输入端用光纤接多通道探测器的其余输入端，多通道探测器用电缆与数据采集卡连接，计算机接数据采集卡、滤波器、多通道探测器。

Description

高精度光纤光栅传感信号解调仪

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到对多点分布式光纤光栅传感阵列反射回来的光信号进行检测并分析出所探测的物理量装置。

背景技术

光纤光栅作为智能化结构的传感器，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单等优点，可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量、粘度等物理量进行检测。自从20世纪70年代问世以来，受到国内外的普遍关注。由于光纤光栅传感是将待测量信息调制到其窄线宽反射光的波长上，如何精确地检测出传感光栅中心反射波长的微小偏移量，是光纤布拉格光栅(FBG)传感器实用化的关键。

解调的核心任务就是依据外界信息与波长的调制(编码)关系，对光纤光栅传感网络的各传感器进行寻址，精确检测出波长量后，进行存储和显示，通过二次处理分析得到待测环境的状况。其技术难点在于信号光功率微弱、波长位移量微小、多点复用时传感光栅覆盖的波域带宽很宽，要求解调装置引入的噪声小、波长分辨率高以及带宽要宽，增加了解调系统的复杂性和成本。为此，国内外发展了多种用来获得光谱并解调的设备，其中普遍采用的光谱仪，由于光谱仪的体积大、价格昂贵、速度慢等缺点，限制了其工程化的推广应用。传统的解调仪又存在着解调精度低，解调范围窄等缺点，难以实现分布式光纤光栅传感阵列信号的精确解调。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感信号解调仪器的缺点，提供一种分辨率高、测量精度高、可靠性好、寻址数目多、灵敏度可调、用途广、生产成本低的高精度光纤光栅传感信号解调仪。

解决上述技术问题所采用的技术方案是它包括：设置在安装板左侧上部的可调谐激光光源，设置在安装板右侧上部的1×N分光耦合器、N路光耦合器，1×N分光耦合器的光源输入端用光纤与可调谐激光光源连接，所说的分光耦合器的两个输出端用光纤分别与第一路光耦合器和第二路光耦合器相连，设置在安装板下部的数据采集卡、多通道探测器、气体吸收池，一组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到第一路光耦合器，第一路光耦合器的一输出端用光纤与多通道探测器的第一输入端连接，第一路光耦合器的另一输出端用光纤与气体吸收池的输入端连接，气体吸收池的输出端用光纤与多通道探测器的第二输入端连接。另一组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到第二路光耦合器，第二路光耦合器的一输出端用光纤与多通道探测器的第三输入端连接、另一输出端用光纤与多通道探测器的第四输入端连接，多通道探测器通过电缆与数据采集卡相连接。上述的可调谐激光光源为：泵浦激光器用光纤与引入光路耦合器连接，引入光路耦合器的一端用光纤与滤波器的一端连接、另一端与掺铒光纤的一端连接，滤波器的另一端用光纤与前光隔离器的一端连接，掺铒光纤的另一端用光纤与后光隔离器的一端连接，前光隔离器的另一端和后光隔离器的另一端分别用光纤与输出激光耦合器的两端连接。还包括计算机，计算机通过电缆与数据采集卡、滤波器、多通道探测器相连接。上述的气体吸收池为：在气体吸收管的左端设置左准直透镜、右端设置右准直透镜，在左准直透镜和右准直透镜的外端面上设置有光纤。上述的气体吸收管为石英管。上述的N为2。

本发明的左准直透镜和右准直透镜的外端面为平面镜、内端面为凸透镜。

本发明的左准直透镜和右准直透镜内端面凸透镜的曲率半径为1.0～1.5mm。

本发明的左准直透镜和右准直透镜内端面凸透镜的曲率半径相同。

本发明的数据采集卡为16位的数据采集卡。

本发明采用了1×N分光耦合器(N为2)，采用了16位的数据采集卡，大大提高了本发明的分辨率、测量精度和可靠性，与现有的解调仪器相比，测量分辨率提高到了1pm，测量精度提高了一个数量级，测量范围达到了70nm，长期稳定性很好；采用了气体吸收池，对滤波器的输出波长进行实时定标，克服了滤波器的输出波长受外界环境影响而产生漂移的缺点，实现了高精度信号解调。本发明的具有分辨率高、测量精度高、可靠性好、寻址数目多、灵敏度可调、用途广、生产成本低等优点，可作为光纤光栅传感信号的解调仪。

附图说明

图1是发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中气体吸收池11的结构示意图。

图3是发明实施例2的结构示意图。

图4是发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的高精度光纤光栅传感信号解调仪由泵浦激光器1、引入光路耦合器2、滤波器3、掺铒光纤4、前光隔离器5、后光隔离器6、输出激光耦合器7、分光耦合器8，一路光耦合器9、二路光耦合器10、气体吸收池11、多通道探测器12、数据采集卡13、安装板14、计算机15联接构成。

在安装板14的左侧上部依次固定安装有泵浦激光器1、引入光路耦合器2、滤波器3、掺铒光纤4、前光隔离器5、后光隔离器6、输出激光耦合器7，泵浦激光器1用光纤与引入光路耦合器2熔接连接，引入光路耦合器2的一端用光纤与滤波器3的一端熔接连接，引入光路耦合器2的另一端与掺铒光纤4的一端熔接连接，滤波器3的另一端用光纤与前光隔离器5的一端熔接连接，掺铒光纤4的另一端用光纤与后光隔离器6的一端熔接连接，前光隔离器5的另一端和后光隔离器6的另一端分别用光纤与输出激光耦合器7的两端熔接连接。泵浦激光器1、引入光路耦合器2、滤波器3、掺铒光纤4、前光隔离器5、后光隔离器6、输出激光耦合器7用光纤连接构成可调谐激光光源。这种可调谐激光光源具有输出激光线宽窄、输出波长稳定性好、输出光功率大、可调谐范围宽等优点。

在安装板14的右侧上部固定安装有分光耦合器8、一路光耦合器9、二路光耦合器10。本实施例的分光耦合器8的光源输入端用光纤与输出激光耦合器7的输出端熔接连接，分光耦合器8的一输出端用光纤与一路光耦合器9熔接连接并输出、另一输出端用光纤与二路光耦合器10熔接连接并输出。在安装板14的下部从左到右依次固定安装有数据采集卡13、多通道探测器12、气体吸收池11。一组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到一路光耦合器9，一路光耦合器9一输入端用光纤与多通道探测器12的第一输入端熔接连接，一路光耦合器9的另一输出端用光纤与气体吸收池11的输入端熔接连接，气体吸收池11的输出端用光纤与多通道探测器12的第二输入端熔接连接。另一组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到二路光耦合器10，二路光耦合器10的一输入端用光纤与多通道探测器12的第三输入端熔接连接、另一输出端用光纤与多通道探测器12的第四输入端熔接连接。多通道探测器12通过电缆与数据采集卡13相连接，数据采集卡13通过电缆与计算机15相连接，计算机15通过电缆与滤波器3和多通道探测器12相连接。本实施例的数据采集卡13采用16位的数据采集卡，数据采集卡13将所输入的光信号转换成数字信号输出到计算机15，计算机15按照事先设定的程序对数据采集卡13输入的数字信号进行数据处理，对滤波器3和多通道探测器12进行控制，并由显示器显示出结果。由于本发明采用了16位的数据采集卡13，大大提高了本发明的分辨率、测量精度和可靠性，与现有的解调仪器相比，测量分辨率提高到了1pm，测量精度提高了一个数量级，长期稳定性很好。

在图2中，本实施例的气体吸收池11由左准直透镜11-1、气体吸收管11-2、右准直透镜11-3联接构成。本实施例的气体吸收管11-2为石英管，在气体吸收管11-2的左端安装有左准直透镜11-1、右端安装有右准直透镜11-3。左准直透镜11-1和右准直透镜11-3为几何形状完全相同的一种单凸透镜，即外端面为平面镜、内端面为凸透镜，左准直透镜11-1和右准直透镜11-3凸面的曲率半径相同，左准直透镜11-1和右准直透镜11-3外端面凸透镜的曲率半径为1.2mm。将左准直透镜11-1安装在气体吸收管11-2的左端、右准直透镜11-3安装在气体吸收管11-2的右端时，左准直透镜11-1和右准直透镜11-3的平面向外、凸面向内，在左准直透镜11-1和右准直透镜11-3的平面上联接有光纤。由于本发明采用这种结构的气体吸收池11，对滤波器3的输出波长进行实时定标，克服了滤波器3的输出波长受外界环境影响而产生漂移的缺点，实现了高精度信号解调。

实施例2

在图3中，本实施例的分光耦合器8是1×4分光耦合器，分光耦合器8分四路，在安装板14上设置有4路光耦合器，即一路光耦合器9、二路光耦合器10、三路光耦合器16、四路光耦合器17。一路光耦合器9和二路光耦合器10用光纤与分光耦合器8、气体吸收池11、多通道探测器12熔接连接关系与实施例1相同。三组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到三路光耦合器16，三路光耦合器16的另一输入端用光纤与多通道探测器12的第5输入端熔接连接。四组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到四路光耦合器17，四路光耦合器17的另一输入端用光纤与多通道探测器12的第6输入端熔接连接。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在图4中，本实施例的分光耦合器8是1×8分光耦合器，分光耦合器8分八路，在安装板14上设置有8路光耦合器，即一路光耦合器9、二路光耦合器10、三路光耦合器16、四路光耦合器17、五路光耦合器18、六路光耦合器19、七路光耦合器20、八路光耦合器21。一路光耦合器9、二路光耦合器10、三路光耦合器16、四路光耦合器17用光纤与分光耦合器8、气体吸收池11、多通道探测器12熔接连接关系与实施例2相同。五组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到五路光耦合器18，六组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到六路光耦合器19，七组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到七路光耦合器20，八组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到八路光耦合器21，五路光耦合器18、六路光耦合器19、七路光耦合器20、八路光耦合器21的另一输入端用光纤分别与多通道探测器12的第7～10输入端熔接连接。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上实施例1～3中，左准直透镜11-1和右准直透镜11-3外端面凸透镜的曲率半径为1.0mm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例5

在以上实施例1～3中，左准直透镜11-1和右准直透镜11-3外端面凸透镜的曲率半径为1.5mm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

本发明的工作原理如下：

可调谐激光光源经分光耦合器7后被送入多个光路，其中第一路光经一路耦合器9后分为两路，一路通过一路耦合器9的接口与传感器序列相连，一路进入气体吸收池11参考通道，经过气体吸收池11进行气体吸收后进入光电探测器12；第二路光经二路耦合器10后也分为两路，一路与传感器序列相连，另一路直接进入光电探测12，用于后面的数据处理。其余每一路光经过一个3dB耦合器后通过耦合器的接口与传感器序列相连，每个传感器反射回来的光经过耦合器之后被送入光电探测器12。在可调谐激光每次扫描过程中，将多通道探测器12探测到的各路传感信号、气体吸收池11参考通道的光电探测信号以及光源信号，同步交给数据采集卡13采集、处理，记录的两级气体吸收谱线峰值和传感光栅反射谱峰值处的锯齿波电压值(即数据点数)，这些数据再送入计算机15进行数据的处理和显示，计算机15参照事先已知的吸收谱线的波长值，根据谐振频率间距和腔长的恒定关系，对两级谐振波长探测到的气体吸收峰做数据拟合，得出滤波器透射波长与数据点(即电压)的曲线函数关系，最后将传感光栅峰值所对应的锯齿波电压值代入所拟合的曲线函数中，就可精确得出各个光纤光栅传感器的波长值。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的光纤光栅传感信号解调仪与解调模块(型号为sm125，微光公司生产)进行了生产现场对比测试，各种试验情况如下：

实验地点：辽宁省盘锦市欢喜岭采油场的齐24琨23号井作现场试验，井深1100m。

实验时间：2007年7月16日

实验方法：将温度压力同时测量的光纤光栅传感器安装在光纤上，光纤的另一端分为两路，一路通过接口与本发明相连，由计算机15处理并显示探测数据，另一路与解调模块相连，便于进行试验比较。通过绞车控制光纤的下井速度，光纤光栅传感器随着光纤匀速从井口下到井底，下降速度为1km/h。光纤光栅传感器的反射光谱图显示在计算机上，两个反射峰的波长值和井中温度和压力的大小也同时显示在计算机上。同时光纤光栅传感器的两个反射峰的波长值显示在解调模块的显示屏上。

将实验所测得的井下温度变化和压力变化曲线中，取出三组数据与同步测量的解调模块数据进行比较。

实验结果见表1。

表1  用本发明与解调模块对油井下的温度和压力对比测试

由表1可见，本发明的探测精度与解调模块相比十分接近，解调模块的探测精度为1pm，本发明的探测精度也达到1pm。

Claims (5)

1.一种高精度光纤光栅传感信号解调仪，其特征在于它包括：设置在安装板(14)左侧上部的可调谐激光光源，设置在安装板(14)右侧上部的1×N分光耦合器(8)、N路光耦合器，1×N分光耦合器(8)的光源输入端用光纤与可调谐激光光源连接，所说的分光耦合器(8)的两个输出端用光纤分别与第一路光耦合器(9)和第二路光耦合器(10)相连，设置在安装板(14)下部的数据采集卡(13)、多通道探测器(12)、气体吸收池(11)，一组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到第一路光耦合器(9)，第一路光耦合器(9)的一输出端用光纤与多通道探测器(12)的第一输入端连接，第一路光耦合器(9)的另一输出端用光纤与气体吸收池(11)的输入端连接，气体吸收池(11)的输出端用光纤与多通道探测器(12)的第二输入端连接；另一组光纤光栅传感器所接收到的光信号通过光纤到第二路光耦合器(10)，第二路光耦合器(10)的一输出端用光纤与多通道探测器(12)的第三输入端连接、另一输出端用光纤与多通道探测器(12)的第四输入端连接，多通道探测器(12)通过电缆与数据采集卡(13)相连接；

上述的可调谐激光光源为：泵浦激光器(1)用光纤与引入光路耦合器(2)连接，引入光路耦合器(2)的一端用光纤与滤波器(3)的一端连接、另一端与掺铒光纤(4)的一端连接，滤波器(3)的另一端用光纤与前光隔离器(5)的一端连接，掺铒光纤(4)的另一端用光纤与后光隔离器(6)的一端连接，前光隔离器(5)的另一端和后光隔离器(6)的另一端分别用光纤与输出激光耦合器(7)的两端连接；

还包括计算机(15)，计算机(15)通过电缆与数据采集卡(13)、滤波器(3)、多通道探测器(12)相连接；

上述的气体吸收池(11)为：在气体吸收管(11-2)的左端设置左准直透镜(11-1)、右端设置右准直透镜(11-3)，在左准直透镜(11-1)和右准直透镜(11-3)的外端面上设置有光纤；上述的气体吸收管(11-2)为石英管；

上述的N为2。

2.按照权利要求1所述的高精度光纤光栅传感信号解调仪，其特征在于：所说的左准直透镜(11-1)和右准直透镜(11-3)的外端面为平面镜、内端面为凸透镜。

3.按照权利要求2所述的高精度光纤光栅传感信号解调仪，其特征在于：所说的左准直透镜(11-1)和右准直透镜(11-3)内端面凸透镜的曲率半径为1.0～1.5mm。

4.按照权利要求2或3所述的高精度光纤光栅传感信号解调仪，其特征在于：所说的左准直透镜(11-1)和右准直透镜(11-3)内端面凸透镜的曲率半径相同。

5.按照权利要求1所述的高精度光纤光栅传感信号解调仪，其特征在于：所说的数据采集卡(13)为16位的数据采集卡。

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