CN101608932A - 一种分组同步式光纤传感分析仪 - Google Patents

Abstract

一种分组同步式光纤传感分析仪，由光源、光开关、光同步分路器、波长参考模块、光强参考模块、光电探测放大器、多通道同步数据采集器和嵌入式处理器组成。光源光信号经光开关依次切换到多个光同步分路器，每个光同步分路器均与参考模块和一组光纤传感器连接，光纤传感器将入射光转换成表征待测物理量的光信号并输出到光电探测放大器。光电探测放大器将光纤传感器和参考模块各自输出的光信号转换为电压信号，通过分组切换电子开关切换接入到多通道同步数据采集器完成模数转换，模数转换后的数字信号通过嵌入式处理器计算得到实际测量值。嵌入式处理器控制光开关和分组切换电子开关的同步切换，从而实现大规模光纤传感器的分组同步式分析解调。

Description

一种分组同步式光纤传感分析仪

技术领域：

本发明涉及物理领域，尤其涉及光传感技术，特别是一种分组同步式光纤传感分析仪。

背景技术：

随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDM技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。其中，光纤传感器因为在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度、长距离传输等方面具有巨大的技术优势，得到了广泛应用。

光纤光栅传感技术和光纤微机电(MEMS)传感技术是两个典型的光纤传感器技术。

光纤光栅传感技术以在单模石英光纤上照射制作的敏感栅区作为敏感单元，其感测过程可通过外界参量对光纤光栅中心波长或带宽的调制来实现，波长调制(或波长编码)代表着新一代光传感器的发展方向。光纤光栅因具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点，被广泛应用于桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等多种场合。

光纤微机电(MEMS)传感技术则是将采用MEMS微加工工艺的敏感结构与光纤传感信号检测技术相结合，通过加工尺度为微纳米级的敏感结构将温度、应变、压力、振动、流量、气体成分等多种物理、化学量调制成易于远距离传输并不受电磁干扰的光纤信号，具有高灵敏度、体积小、批量生产、成本低的优点，可以广泛应用于电力、石油化工、工业控制、航空航海、土木工程、安全防卫等领域。

光纤光栅传感技术和光纤微机电传感技术都需要利用传感分析仪实现大容量、高精度的信号解调，以实现光纤传感器信号传输距离远、信息容量大、成本低的优势。光纤传感分析仪是光纤传感系统中的关键设备，用于完成对光纤传感器的输入光信号激励和输出信号检测，最终将光纤传感器输出的携带待测物理量信息的光信号转换成为易于直观读取、显示、存储、传送的数字信号。现有技术中，光纤传感分析仪由光源(通常为波长调制光源，也可为非调制光源)、光分路器、光电转换放大器、数据采集器和处理器等构成，其光源功率有局限，高速的高精度同步数据采集器通道数量也有局限，不利于实现容量扩展。现有的光纤光栅解调仪所采用的解调原理主要有匹配光纤光栅滤波法、边缘滤波法、非平衡扫描迈克尔逊干涉法、可调谐F-P滤波法、可调谐窄带光源法以及衍射法等等，扩展容量(也即增加测量通道数量)的方法大都是增加光开关的方式实现，因此，现有光纤光栅解调仪最大能扩展的通道数直接取决于光开关能达到的通道数，目前商用化的具有上亿次切换寿命的光开关通道数一般不超过32，每通道的售价约为200美元左右，因此直接采用光开关进行通道数扩展的方法成本较高，而且随着光开关通道数的增加光开关的插入损耗也直线增加，从而导致光纤传感分析仪与光纤传感器之间的有效传输距离降低，更为重要的是，光开关各通道之间的切换时间及稳定时间通常会使光纤传感分析仪各通道之间的时延增大，影响多通道数据采集的时间同步性。例如，用于桥梁等土木工程结构或发电机等大型机械设备振动测试分析时，通常需要对数十个振动传感器进行同步信号采集和分析，直接借助光开关进行多通道扩展的方式难以满足对光纤传感分析仪测量实时性的要求。此外，在实际工程应用中，还往往需要借助多种光纤传感器，如温度、应变、压力、振动、流量、气体成分等多种物理、化学量，进行组合使用才能实现对被监测或检测对象性能状况的准确评估，例如，大跨度桥梁结构安全监测系统中，除使用数百只光纤光栅应变计进行关键受力部位的应力变形监测外，通常还会用到光纤微机电加速度传感器对桥梁结构整体的振动模态进行分析。而现有的光纤传感分析仪不能同时接入多种类型光纤传感器，也不具备诊断分析能力。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种分组同步式光纤传感分析仪，所述的这种分组同步式光纤传感分析仪要解决现有技术中光纤传感分析仪信号采集通道有局限、不能同时接入多种类型光纤传感器、不具备诊断分析能力的技术问题。

本发明的这种分组同步式光纤传感分析仪由光源、i×n光开关、n个光同步分路器、至少1个参考模块、n×(m+1)路光电探测放大器、n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关、(m+1)通道同步数据采集器和嵌入式处理器组成，所述的i×n光开关具有i路输入通道和n路输出通道，i、n和m均为正整数，其中，任意一个所述的光同步分路器均与m路光纤传感通道连接，，任意一路所述的光纤传感通道中均至少设置有一个光纤传感器组，任意一个所述的光纤传感器组中均至少设置有一个光纤传感器，任意一个光同步分路器均至少与1个所述的参考模块连接，任意一个光同步分路器的输出端均各自与所述的n×(m+1)路光电探测放大器中的一个输入通道连接，任意一个所述的参考模块均与n×(m+1)路光电探测放大器中的一个输入通道连接，n×(m+1)路光电探测放大器的任意一个输出端均各自与所述的n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关的一个输入端连接，n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关的任意一个输出端均各自与所述的(m+1)通道同步数据采集器的一个输入端连接，(m+1)通道同步数据采集器的输出端与所述的嵌入式处理器连接，所述的光源输出的光信号通过所述的i×n光开关依次切换到n个光同步分路器，利用光纤传感器将各自入射光转换成代表待测物理量的反射光或透射光并输出到n×(m+1)路光电探测放大器，n×(m+1)路光电探测放大器将光纤传感器和参考模块各自输出的光信号转换为标准电压信号，通过n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关将当前时刻光电探测放大器中有效的m路传感信号和1路参考信号接入到(m+1)通道同步数据采集器，利用(m+1)通道同步数据采集器完成模/数转换，(m+1)通道同步数据采集器输出的数字信号送入嵌入式处理器，嵌入式处理器经过计算得到对应的光纤传感器的实际测量值，嵌入式处理器控制i×n光开关和n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关的同步切换，依次实现对任意一个光纤传感器组和参考模块的输出光信号的探测、分析处理。

进一步的，所述的光源由i个调制光源和非调制光源构成，或者，光源由i个调制光源或非调制光源构成，任意一个光源各自均各自连接到i×n光开关的i个输入端。

进一步的，所述的非调制光源是ASE、或者FP激光器、或者SLED，所述的调制光源是波长调制或时序调制型光源。

进一步的，利用i×n光开关实现i个光源到n个光同步分路器之间的可选切换。

进一步的，n×(m+1)路光电探测放大器和n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关连接，将n个光纤传感器组和参考模块的光电转换信号分时依次切换，送给(m+1)通道同步数据采集器和嵌入式处理器，任意一个光纤传感器和参考模块均按照波分复用、时分复用的串接方式，或并接方式，或串/并混合方式连接在m根光纤上，参考模块占用1个独立的光纤通道。

进一步的，任意一个光纤传感器组和参考模块的(m+1)路光输入信号均通过光源经i×n光开关切换后输入到光同步分路器进行1×(m+1)分光后获取。

进一步的，任意一个光纤传感器组和参考模块的输出光信号均经过n×(m+1)路光电探测放大器转换为电压输出信号。

进一步的，所述的(m+1)通道同步数据采集器中设置有FPGA芯片，所述的FPGA芯片实现对一片以上数目的高精度模/数转换芯片的时序控制和数据读取，并通过高速数据总线将所采集的数据实时传送给嵌入式处理器。

进一步的，所述的嵌入式处理器是DSP处理器、或者ARM处理器、或者DSP与ARM相组合的处理器结构。

进一步的，所述的嵌入式处理器通过以太网接口、或者USB接口、或者串行通信接口与计算机或网络处理器连接。

本发明的工作原理是：光源发射出的光信号经i入n出型光开关依次切换到n个光同步分路器，每个光同步分路器均与参考模块和一组光纤传感器相连接，各光纤传感器可串接或并接在m根光纤线路上，由光纤传感器将各自入射光转换成代表待测物理量的反射光或透射光并输出到光电探测放大器，光电探测放大器将光纤传感器和参考模块各自输出的光信号转换为易于采集的标准电压信号，通过分组切换电子开关将当前时刻光电探测放大器中有效的m路传感信号和1路参考信号接入到(m+1)通道同步数据采集器完成A/D转换，输出的数字信号通过嵌入式处理器计算分析，得到对应光纤传感器的实际测量值。嵌入式处理器控制光开关和分组切换电子开关的同步切换，依次实现对每一组光纤传感器和参考模块的输出光信号探测、分析处理，从而实现大规模光纤传感器的分组同步式分析解调。由于光开关实现了i个光源到n个光同步分路器之间的可选切换，因此在单台光纤传感分析仪上可以实现对波长调制型、强度型调制等多种类型光纤传感器的信号解调以及i个光源到n组光纤传感器的分时输入。参考模块占用1个独立的光纤通道为传感信号的分析解调提出参考信号，也可根据实际需要增加参考模块所占用的光纤通道的数量，相应减少光纤传感器所占用的光纤通道的数量。每组光纤传感器和参考模块的(m+1)路光输入信号都是通过光源经光开关切换后输入到光同步分路器进行1×(m+1)分光后获取，因此通过比对参考模块和多路光纤传感器输出信号的变化，可以有效消除光源波动的影响，获得实时校准后的光纤传感器准确测量值。

本发明和已有技术相对比，其效果是积极和明显的。本发明利用光开关和多组光同步分路器、分组切换电子开关和多通道同步数据采集器的组合，实现了分组同步式大容量光纤传感信号解调，可以根据监测系统中所需要使用的光纤传感器的类型和数量，灵活配置每组同步测量通道的数量以及光纤传感分析仪测量通道的总数量，并在单台分析仪上实现对光纤光栅传感器、光纤微机电传感器等多种类型光纤传感器的信号解调，也可通过选配多组不同速率的同步数据采集器实现对各光纤传感器的可变速率信号解调。

附图说明：

图1是本发明的分组同步式光纤传感分析仪的结构示意图。

图2是本发明的分组同步式光纤传感分析仪中的光源的示意图。

图3是本发明的分组同步式光纤传感分析仪中的光同步分路器的示意图。

图4是本发明的分组同步式光纤传感分析仪的一个17通道24分组同步式408通道的实施例的结构示意图。

具体实施方式：

如图1、图2、图3和图4所示，图中标号意义为：1表示光源，2表示波长调制光源，3表示非调制光源，4表示光隔离器，5表示i入n出型光开关(i＝1，2，……24；n＝1，2，……24)，6表示光同步分路器、7表示1×(m+1)光纤耦合器，8表示1×2光纤耦合器，9表示波长参考模块(Etalon)，10表示光强参考模块(光功率监测)，11表示n×(m+1)通道光电探测放大器，12表示n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关，13表示(m+1)通道同步数据采集器，14表示嵌入式处理器，15表示波长型光纤传感器，16表示强度型光纤传感器，17表示计算机。

在本发明的实施例中，共计有(17×24)即408个光纤传感器测量通道，其中，通道1~391为波长解调通道，适用于对波长调制型光纤传感器(如光纤光栅传感器等)进行信号解调，共分为23组，每组1 7路光纤传感信号可实现同步采集；通道392~408为光强度解调通道，适用于对光强度调制型光纤传感器(如光纤微机电加速度传感器、光纤微机电温度传感器、半导体吸收式光纤温度传感器等)进行信号解调，共为一组，可实现同步采集。

分组同步式408通道光纤传感分析仪主要包括波长调制光源2，非调制光源3，光隔离器4，2入24出光开关5，1×18光纤耦合器7，1×2光纤耦合器8，波长参考模块(Etalon)9，光强参考模块(光功率监测)10，432通道光电探测放大器(其中，408通道用于光纤传感器返回的光信号探测，其余24通道用于对参考模块返回的光信号探测)11，432选18分组切换电子开关12，18通道同步数据采集器13，嵌入式处理器14和计算机17。

用于对波长型光纤传感器15(如光纤光栅温度、应变、压力等传感器)信号解调时，2入24出光开关5将波长调制光源2切换到第一个光同步分路器6，由第一个光同步分路器6完成对通道1_CH1~1_CH17串接的各光纤传感器15和参考通道1_Ref串接的波长参考模块9的输入光源激励并将各光纤传感器15反射回的光信号和波长参考模块9透射回的光信号送入432通道光电探测放大器11其中的18路，然后由432选18分组切换电子开关12将这18路有效信号选通传送给18路同步数据采集器13，最终由嵌入式处理器14从18路同步数据采集器13中读取A/D转换后的光谱数据并通过将17路光纤传感信号与波长参考通道进行逐一比对运算，获得光纤传感分析仪第1~17通道所串接的各光纤传感器的实际测量值，并通过标准通信接口将数据上传给计算机17进行显示、存储及后续分析。

用于对强度型光纤传感器16(如光纤微机电加速度、温度、电流等传感器)信号解调时，2入24出光开关5将非调制光源3切换到最后一个光同步分路器6，由最后一个光同步分路器6完成对通道24_CH1~24_CH17串接的各光纤传感器16和参考通道1_Ref串接的光强参考模块10的输入光源激励并将各光纤传感器16反射回的光信号和光强参考模块10透射回的光信号送入432通道光电探测放大器11其中的18路，然后由432选18分组切换电子开关12将这18路有效信号选通传送给18路同步数据采集器13，最终由嵌入式处理器14从18路同步数据采集器13中读取A/D转换后的光谱数据并通过将17路光纤传感信号与波长参考通道进行逐一比例运算，获得光纤传感分析仪第392~408通道所串接的各光纤传感器16的实际测量值，并通过标准通信接口将数据上传给计算机17进行显示、存储及后续分析。

通过嵌入式处理器14对2入24出光开关5及432选18分组切换电子开关12的同步切换控制，可依次实现对光纤传感分析仪其他通道进行分组轮询解调，从而实现对24组、每组17个通道的交替测量。

Claims (10)

1.一种分组同步式光纤传感分析仪，由光源、i×n光开关、n个光同步分路器、至少1个参考模块、n×(m+1)路光电探测放大器、n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关、(m+1)通道同步数据采集器和嵌入式处理器组成，所述的i×n光开关具有i路输入通道和n路输出通道，i、n和m均为正整数，其特征在于：任意一个所述的光同步分路器均与m路光纤传感通道连接，任意一路所述的光纤传感通道中均至少设置有一个光纤传感器组，任意一个所述的光纤传感器组中均至少设置有一个光纤传感器，任意一个光同步分路器均至少与1个所述的参考模块连接，任意一个光同步分路器的输出端均各自与所述的n×(m+1)路光电探测放大器中的一个输入通道连接，任意一个所述的参考模块均与n×(m+1)路光电探测放大器中的一个输入通道连接，n×(m+1)路光电探测放大器的任意一个输出端均各自与所述的n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关的一个输入端连接，n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关的任意一个输出端均各自与所述的(m+1)通道同步数据采集器的一个输入端连接，(m+1)通道同步数据采集器的输出端与所述的嵌入式处理器连接，所述的光源输出的光信号通过所述的i×n光开关依次切换到n个光同步分路器，利用光纤传感器将各自入射光转换成代表待测物理量的反射光或透射光并输出到n×(m+1)路光电探测放大器，n×(m+1)路光电探测放大器将光纤传感器和参考模块各自输出的光信号转换为标准电压信号，通过n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关将当前时刻光电探测放大器中有效的m路传感信号和1路参考信号接入到(m+1)通道同步数据采集器，利用(m+1)通道同步数据采集器完成模/数转换，(m+1)通道同步数据采集器输出的数字信号送入嵌入式处理器，嵌入式处理器经过计算得到对应的光纤传感器的实际测量值，嵌入式处理器控制i×n光开关和n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关的同步切换，依次实现对任意一个光纤传感器组和参考模块的输出光信号的探测、分析处理。

2.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：所述的光源由i个调制光源和非调制光源构成，或者，光源由i个调制光源或非调制光源构成，任意一个光源均各自连接到i×n光开关的i个输入端。

3.如权利要求2所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：所述的非调制光源是ASE、或者FP激光器、或者SLED，所述的调制光源是波长调制或时序调制型光源。

4.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：利用i×n光开关实现i个光源到n个光同步分路器之间的可选切换。

5.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：n×(m+1)路光电探测放大器和n×(m+1)选(m+1)分组切换电子开关连接，将n个光纤传感器组和参考模块的光电转换信号分时依次切换，送给(m+1)通道同步数据采集器和嵌入式处理器，任意一个光纤传感器组和参考模块均按照波分复用、时分复用的串接方式，或并接方式，或串/并混合方式连接在m根光纤上，参考模块占用1个独立的光纤通道。

6.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：任意一个光纤传感器组和参考模块的(m+1)路光输入信号均通过光源经i×n光开关切换后输入到光同步分路器进行1×(m+1)分光后获取。

7.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：任意一个光纤传感器组和参考模块的输出光信号均经过n×(m+1)路光电探测放大器转换为电压输出信号。

8.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：所述的(m+1)通道同步数据采集器中设置有FPGA芯片，所述的FPGA芯片实现对一片以上数目的高精度模/数转换芯片的时序控制和数据读取，并通过高速数据总线将所采集的数据实时传送给嵌入式处理器。

9.如权利要求1所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：所述的嵌入式处理器是DSP处理器、或者ARM处理器、或者DSP与ARM相组合的处理器结构。

10.如权利要求9所述的分组同步式光纤传感分析仪，其特征在于：所述的嵌入式处理器通过以太网接口、或者USB接口、或者串行通信接口与计算机或网络处理器连接。

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