CN102313559A - 一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置及方法，其特征在于：第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅和测量光栅组成的光纤链路两端相连，光栅链路形成闭环光路探测，本装置通过采用不同通道的两路光栅链路用光纤闭环串联连接成一路，然后两端都可以进行测量，同时在光栅链路的两端设置两个置于恒温槽和恒压槽的参考光栅，每种被测参量通过传感光栅与对应参考光栅对比，从而为每个参量在系统的内部建立一个参照对比系统，消除光纤光栅外部环境温度、应变等物理量变化的干扰和不稳定因素，具有能测多种参量功能、自解调功能，使系统具有更佳的稳定性和准确性，达到提高系统性能的目的。

Description

一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置及方法

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，尤其涉及一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，属于光纤传感领域，特别涉及其内部设备连接结构。

背景技术

光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器。光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，利用光纤光栅制成多种传感器如温度、应变、应力、加速度、压强等传感器。

光纤光栅传感器工作原理：光源发出连续的宽带光，经光缆传输到监测现场布设的光纤光栅传感器，这些传感器内部的测量敏感元件——光纤光栅对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，经同一传输光缆返回到光纤光栅传感分析仪内部探测器来测定出各个传感器所返回的不同窄带光的中心波长，从而解析出各监测点的温度值。

虽然光纤布喇格光栅能够测量许多物理参量如温度、应变、应力、加速度、压强等，并具有一些明显的优势，但也由于普通光纤布喇格光栅所处环境的温度、应变变化时，光栅的反射谱都将随之变化，这将使测量有较大的误差或导致测量失败。

鉴于此，实有必要提供一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，以解决该种传感器的稳定性和准确性不高的缺陷。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置。该传感器装置通过采用增加一参考光纤光栅监测内置标准量源的自补偿结构设计，另一个光纤光栅在被测环境温度、应变等物理量变化下，得到不同光波长的输出结果，再将两者相比，这样在系统的内部建立一个参照对比系统，消除光纤光栅外部环境温度、应变等物理量变化的干扰和不稳定因素，具有能测多种参量功能、自动消除系统主要误差功能、自解调功能的光纤光栅传感系统，使系统具有更佳的稳定性和准确性，达到提高系统性能的目的，克服了现有技术中存在的缺点和不足。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，它包括：宽带光源、测量光栅、第一光栅分析仪、第二光栅分析仪、微处理器，其特征在于：所述宽带光源的输出端与光开关连接，光开关的两个输出端分别连接第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅和测量光栅组成的光纤链路两端相连，光栅链路形成闭环光路探测，第一光纤耦合器另一输出端连接第一光栅分析仪，第二光纤耦合器另一输出端连接第二光栅分析仪，微处理器则与第一光栅分析仪、第二光栅分析仪、光开关的控制端双向连接。

一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，包括：宽带光源、测量光栅、第一光栅分析仪、第二光栅分析仪、微处理器，其特征在于：所述宽带光源的输出端与光开关连接，光开关的两个输出端分别连接第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的第一输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅连接，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的第二输出端分别连接至由测量光栅链接而成的光栅链路的两端，光栅链路形成闭环光路探测，第一光纤耦合器的反馈端连接第一光栅分析仪，第二光纤耦合器的反馈端连接第二光栅分析仪，微处理器则与第一光栅分析仪、第二光栅分析仪、光开关的控制端双向连接。

一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置的工作方法，其特征在于：该装置的使用步骤为：

a、宽带光源发出的光进入光开关，光开关根据微处理器的指令选择与两个光纤耦合器中之一连接；

b、光通过与光开关连接的光纤耦合器依次进入置于恒温槽内的参考光纤、各个测量光栅及置于恒压槽中的参考光栅中，光在经过参考光栅和测量光栅时波长落在该光栅波长范围的将被反射回来；发生反射的光受反射处的光栅周围的的温度、压力等因素的影响，波长会发生变化；

c、微处理器控制光栅分析仪对反射回来的光进行光谱分析，根据不同波长对应的光纤光栅，可以得出此光纤光栅所处地的温度、压力等；

d、光栅分析仪在读取某个波长范围的光时，可以同时分析置于恒温槽或恒压槽的参考光栅处反射回的光波长的变化，通过参考光栅实现对测量光栅的自补偿效应。

本发明公开了一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，相较于现有技术，本发明的有益效果在于：本装置通过采用不同通道的两路光栅链路用光纤闭环串联连接成一路，然后两端都可以进行测量，同时在光栅链路的两端设置两个置于恒温槽和恒压槽的参考光栅，每种被测参量通过传感光栅与对应参考光栅对比，从而为每个参量在系统的内部建立一个参照对比系统，消除光纤光栅外部环境温度、应变等物理量变化的干扰和不稳定因素，具有能测多种参量功能、自解调功能，双向测量自动校准的光纤光栅传感系统，即使探测光缆断裂后仍然可以准确测量探测光纤的各部分，使系统具有更佳的稳定性和准确性，达到提高系统性能的目的。

附图说明

图1为本发明第一实施例结构示意图

图2为本发明第二实施例结构示意图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。

本发明公开了一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，它包括：宽带光源1、测量光栅、第一光栅分析仪5、第二光栅分析仪6、微处理器9，其区别于现有技术在于：所述宽带光源1的输出端与光开关2连接，光开关2的两个输出端分别连接第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4，第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4的输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅和测量光栅组成的光纤链路两端相连，光栅链路形成闭环光路探测，第一光纤耦合器3另一输出端连接第一光栅分析仪5，第二光纤耦合器4另一输出端连接第二光栅分析仪6，微处理器9则与第一光栅分析仪5、第二光栅分析仪6、光开关2的控制端双向连接，所述的光栅分析仪可以根据微处理器9的控制读取所需传感光栅处反射回来的光。所述的两个标准量源分别为温度恒定的恒温槽7和压力恒定的恒压槽8。

宽带光源1输出端连接一个1×2光开关2，1×2光开关2的两个输出端分别连接光纤耦合器3和光纤耦合器4，光纤耦合器3的第一输出端和置于恒温槽3中的参考光栅相连，光纤耦合器3的第二输出端和光栅分析仪5相连，光纤耦合器4的第一输出端和置于恒压槽8内的参考光栅相连，光纤耦合器4的第二输出端和光栅分析仪6相连，两个参考光栅之间连接多个测量光栅；组成光栅链路，光栅链路形成闭环光路探测，两个光纤耦合器的另一输出端分别连接一个光栅分析仪，两个光栅分析仪连接到一台微处理器9上。

在本发明第一实施例中，宽带光源1输出的光进入1×2光开关2后根据1×2光开关2的控制分别进入第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4，当1×2光开关2和第一光纤耦合器3相连时，光从第一光纤耦合器3输出后射入置于恒温槽7内的参考光栅后依次进入光纤链路的各个测量光栅和置于恒压槽8内的参考光栅，光在经过参考光栅和测量光栅时波长落在该光栅波长范围的将被反射回来；反射回来的光信号受发生反射处的光栅周围的的温度、压力等因素的影响，波长会发生变化。通过对反射回来的光信号进行分析可以得到光栅所处位置的温度、压力等信号。

同理，当1×2光开关2和第二光纤耦合器4连接时，宽带光源1发出的光经过1×2光开关2和第二光纤耦合器4进入置于恒压槽8内的参考光栅，后依次进入光纤链路的各个测量光栅和置于恒温槽内的参考光栅，光在经过参考光栅和测量光栅时波长落在该光栅波长范围的将被反射回来；反射回来的光信号受发生反射处的光栅周围的的温度、压力等因素的影响，波长会发生变化。通过对反射回来的光信号进行分析可以得到光栅所处位置的温度、压力等信号。

所述的宽带光源1是一种激光光源，本发明选用输出连续光宽带光源，光源工作谱宽在50nm窗范围内，从1520nm到1570nm。

所述2×2光纤耦合器包括第一输入端和第二输入端、第一输出端和第二输出端，分光比1∶1。

光纤光栅的中心波长是通过光纤光栅分析仪进行解调，转换为数字信号。

本发明公开了一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，包括：宽带光源1、测量光栅、第一光栅分析仪5、第二光栅分析仪6、微处理器9，其区别于现有技术在于：所述宽带光源1的输出端与光开关2连接，光开关2的两个输出端分别连接第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4，第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4的第一输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅11连接，第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4的第二输出端分别连接至由测量光栅链接而成的光栅链路的两端，光栅链路形成闭环光路探测，第一光纤耦合器3的反馈端连接第一光栅分析仪5，第二光纤耦合器4的反馈端连接第二光栅分析仪6，微处理器9则与第一光栅分析仪5、第二光栅分析仪6、光开关2的控制端双向连接，所述的光栅分析仪可以根据微处理器9的控制读取所需传感光栅处反射回来的光，所述的两个标准量源分别为温度恒定的恒温槽7和压力恒定的恒压槽8。

在本发明第二实施例中，宽带光源1输出端连接一个1×2光开关2，1×2光开关2的两个输出端分别连接第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4，第一光纤耦合器3的第一输出端和置于恒温槽3中的参考光栅相连，第一光纤耦合器3的反馈端和第一光栅分析仪5相连，第二光纤耦合器4的第一输出端和置于恒压槽8内的参考光栅相连，第二光纤耦合器4的反馈端和第二光栅分析仪6相连，第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4的第二输出端分别和由测量光栅链接而成的光栅链路两端相连，光栅链路形成闭环光路探测。两台光栅分析仪的控制端均连接到一台微处理器9上。

宽带光源1发出的光进入光开关2，光开关2根据微处理器9的指令选择与两台光纤耦合器中之一连接；光通过与光开关2连接的第一光纤耦合器3或第二4同时进入置于恒温槽7或恒压槽8内的参考光纤及由测量光栅组成的光栅链路中，光在经过参考光栅和测量光栅时波长落在该光栅波长范围的将被反射回来；发生反射的光受反射处的光栅周围的温度、压力等因素的影响，波长会发生变化；微处理器9控制第一光栅分析仪5或第二光栅分析仪6对反射回来的光进行光谱分析，根据不同波长对应的光纤光栅，可以得出此光纤光栅所处地的温度、压力等；光栅分析仪在读取某个波长范围的光时，可以同时分析置于恒温槽或恒压槽的参考光栅处反射回的光波长的变化，通过参考光栅实现对测量光栅的自补偿效应。

在具体实施时，所述的测量光栅10之间的波长范围互不相同，它们的波长范围为1520nm到1570nm之间。

在具体实施时，所述的宽带光源1是一种激光光源，本发明选用输出连续光宽带光源，光源工作谱宽在50nm窗范围内，从1520nm到1570nm。

在具体实施时，所述2×2光纤耦合器2包括第一输入端和第二输入端、第一输出端和第二输出端，分光比1∶1。

光纤光栅的中心波长是通过光纤光栅分析仪进行解调，转换为数字信号。

本发明还公开了一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置的工作方法，其区别于现有技术在于：所述该装置的使用步骤为：

a、宽带光源发出的光进入光开关，光开关根据微处理器的指令选择与两个光纤耦合器中之一连接；

b、光通过与光开关连接的光纤耦合器依次进入置于恒温槽内的参考光纤、各个测量光栅及置于恒压槽中的参考光栅中，光在经过参考光栅和测量光栅时波长落在该光栅波长范围的将被反射回来；发生反射的光受反射处的光栅周围的的温度、压力等因素的影响，波长会发生变化；

c、微处理器控制光栅分析仪对反射回来的光进行光谱分析，根据不同波长对应的光纤光栅，可以得出此光纤光栅所处地的温度、压力等；

d、光栅分析仪在读取某个波长范围的光时，可以同时分析置于恒温槽或恒压槽的参考光栅处反射回的光波长的变化，通过参考光栅实现对测量光栅的自补偿效应。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (6)

1.一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，它包括：宽带光源(1)、测量光栅、第一光栅分析仪(5)、第二光栅分析仪(6)、微处理器(9)，其特征在于：所述宽带光源(1)的输出端与光开关(2)连接，光开关(2)的两个输出端分别连接第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)，第一光纤耦合器(3)和第二光纤耦合器(4)的输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅和测量光栅组成的光纤链路两端相连，光栅链路形成闭环光路探测，第一光纤耦合器(3)另一输出端连接第一光栅分析仪(5)，第二光纤耦合器(4)另一输出端连接第二光栅分析仪(6)，微处理器(9)则与第一光栅分析仪(5)、第二光栅分析仪(6)、光开关(2)的控制端双向连接。

2.一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，包括：宽带光源(1)、测量光栅、第一光栅分析仪(5)、第二光栅分析仪(6)、微处理器(9)，其特征在于：所述宽带光源(1)的输出端与光开关(2)连接，光开关(2)的两个输出端分别连接第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)，第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)的第一输出端分别与置于两个标准量源内的参考光栅(11)连接，第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)的第二输出端分别连接至由测量光栅链接而成的光栅链路的两端，光栅链路形成闭环光路探测，第一光纤耦合器(3)的反馈端连接第一光栅分析仪(5)，第二光纤耦合器(4)的反馈端连接第二光栅分析仪(6)，微处理器(9)则与第一光栅分析仪(5)、第二光栅分析仪(6)、光开关(2)的控制端双向连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，其特征在于：所述的两个标准量源分别为温度恒定的恒温槽(7)和压力恒定的恒压槽(8)。

4.根据权利要求1或2所述的一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，其特征在于：所述的测量光栅(10)之间的波长范围互不相同，它们的波长范围为1520nm到1570nm之间。

5.根据权利要求1或2所述的一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置，其特征在于：所述的光栅分析仪可以根据微处理器(9)的控制读取所需传感光栅处反射回来的光。

6.一种内置标准量源的闭环多功能光纤光栅传感装置的工作方法，其特征在于：该装置的使用步骤为：

a、宽带光源发出的光进入光开关，光开关根据微处理器的指令选择与两个光纤耦合器中之一连接；

b、光通过与光开关连接的光纤耦合器依次进入置于恒温槽内的参考光纤、各个测量光栅及置于恒压槽中的参考光栅中，光在经过参考光栅和测量光栅时波长落在该光栅波长范围的将被反射回来；发生反射的光受反射处的光栅周围的的温度、压力等因素的影响，波长会发生变化；

c、微处理器控制光栅分析仪对反射回来的光进行光谱分析，根据不同波长对应的光纤光栅，可以得出此光纤光栅所处地的温度、压力等；

d、光栅分析仪在读取某个波长范围的光时，可以同时分析置于恒温槽或恒压槽的参考光栅处反射回的光波长的变化，通过参考光栅实现对测量光栅的自补偿效应。

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