CN102445216A - 一种光纤光栅动态变化解调装置及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅动态变化解调装置及其解调方法，属于光纤光栅传感技术领域，本发明主要通过利用光纤半导体镀膜器件的反射光功率和入射光的波长变化呈线性关系，对光纤光栅受到外界调制后中心波长发生左右偏移这一现象进行解调，得到便于测量的光功率信号，从而实现光纤光栅的动态变化解调。

Description

一种光纤光栅动态变化解调装置及其解调方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体的说，涉及光纤光栅动态变化解调领域。

背景技术

随着光纤传感技术的不断发展，光纤光栅由于具有不受电磁干扰、不带电、耐腐蚀、体积小、重量轻、灵敏度高等特点，已经被广泛的应用工业现场，光纤光栅的解调技术也就变的愈发关键。目前光纤光栅的解调主要有光谱分析法、干涉仪解调法、匹配光栅法、可调F-P滤波器法等。但是光谱分析法分辨率较低，价格昂贵，解调速度慢；干涉仪法解调速度有所提高，但容易受到温度等外界因素的影响；匹配光栅法虽然成本低、速度快，但是解调范围窄，不能满足大范围变化的要求；可调F-P滤波器法，虽然精度比光谱分析法要高，但仍不能满足工程要求，而且成本高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种光纤光栅动态解调装置，用于解调光纤光栅由于受到外界调制而产生的中心波长发生左右偏移的情况，解调速度快，仅限于所使用的器件带宽，所检测的参数和得到的结果只与光纤光栅中心波长的变化量有关，与光纤光栅的绝对波长无关，也不受光源功率变化和光路损耗的影响。整套装置成本低，适于产业化生产。

本发明所述的一种光纤光栅动态解调装置，包括光源、光纤分路器件、光纤光栅、解调元件、光电转换器器及电路处理系统，其特征在于：所述的解调元件为光纤半导体镀膜器件，光源发出的光通过光纤分路器件入射到光纤光栅处时发生反射，由于光纤光栅受到外界调制使得光的中心波长发生左右偏移，中心波长发生左右偏移的反射光经过光纤半导体镀膜器件时再次发生反射，反射光进入光电转换器器及电路处理系统，使得光纤光栅处发生偏移的光的变化量解调为易测量的物理量。

本发明的特征在于：宽带光源在驱动的作用下发出连续的宽带光，经过光纤分路器后被光纤光栅3反射回一带有外界环境调制信息的窄带光，从光纤分路器的返回端经另一光纤分路器到光纤半导体镀膜器件，经过光纤半导体镀膜器件反射后，从该光纤分路器的返回端进入光电转换器，把光信号转换为电信号，再由去直流耦合器将直流量去除，只提取具有相对变化特性的交流量，滤波器进行滤波处理，根据需要设定滤波器的带宽，输出给数据处理部分，最后根据电压的变化确定光功率的变化，再由功率与波长的线性关系得出光纤光栅的波长变化，从而实现光纤光栅的动态变化解调。

所述的光纤分路器为具有分光功能的光纤耦合器或者环形器。

本发明的解调原理如图2、3所示，图2是光纤半导体镀膜器件的反射光谱，其反射谱的功率与波长成线性关系，设其线性方程为：

P＝k·λ+b                                1

其中P为反射回来的功率值，λ是波长值，k为斜率或灵敏度，b为截距。

由公式1可得到：

ΔP＝k·Δλ                              2

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{k}---3$

令

则

Δλ＝k′·ΔP                                           4

中心波长为λ₀的光纤光栅，当波长的变化量为Δλ时，会引起从光纤半导体镀膜期间处反射出的光功率变化ΔP，功率的变化引起整个装置输出电压的变化。而光纤半导体镀膜器件的斜率k是固定的，所以，通过检测光电转换器和滤波后的电压变化量，可以得到光功率的变化量，最终根据公式4得到光纤光栅中心波长的变化量，实现解调的目的。

本发明公开了一种光纤光栅动态变化解调装置，其与其他光纤光栅解调方法和装置相比，本发明有如下优点和积极效果：

1、装置结构简单，成本低；

2、该装置解调光纤光栅动态变化量，不受光源功率变化和光路损耗的影响。

3、解调装置输出的电压变化就能解调出光纤光栅的波长变化；

4、由于光纤半导体镀膜器件的反射光谱具有较大的线性范围，所以，该装置的量程和动态范围大

5、解调装置中使用了去直流耦合器措施，消除了因温度对光纤半导体镀膜器件的影响。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图

图2为本发明光纤半导体镀膜器件的反射光谱示意图。

图3为本发明的解调原理图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明装置涉及一种光纤光栅动态变化解调装置，主要包括宽带光源1、耦合器2、光纤光栅3、环形器4、光纤半导体镀膜器件5、光电转换器6、去直流耦合器7、滤波器8、数据处理9、驱动10。宽带光源1的输出端接耦合器2的输入端，耦合器2的输出端接光纤光栅3的输入端，耦合器2的返回端接环形器4的输入端，环形器4的输出端接光纤半导体镀膜器件5的输入端，环形器4的返回端接光电转换器6的输入端，光电转换器6的输出端接去直流耦合器7的输入端，去直流耦合器的输出端接滤波器8的输入端，滤波器8的输出端接接数据处理9的输入端。

宽带光源1在驱动10的作用下发出连续的宽带光，经过耦合器2后被光纤光栅3反射回一带有外界环境调制信息的窄带光，从耦合器2的返回端经环形器4到光纤半导体镀膜器件5，经过光纤半导体镀膜器件5反射后，从环形器4的返回端进入光电转换器6，把光信号转换为电信号，再由去直流耦合器7将直流量去除，只提取具有相对变化特性的交流量，滤波器8进行滤波处理，根据需要设定滤波器8的带宽，输出给数据处理部分9，最后根据电压的变化确定光功率的变化，再由功率与波长的线性关系得出光纤光栅的波长变化，从而实现光纤光栅的动态变化解调。

本发明解决了光纤光栅动态变化的解调问题，并且解调范围宽，能满足光纤光栅的最大变化，检测速度快，实时性好，整套装置结构简单，成本低。

在具体实施时，宽带光源1、耦合器2、光纤光栅3、环形器4、光纤半导体镀膜器件5、光电转换器6之间的连接全部是光纤连接；

在具体实施时，所使用的光源1是宽带光源，其光谱宽度一般为40nm左右，且具有一定的平坦度；

在具体实施时，驱动10的作用是让宽带光源1发出连续稳定的光；

在具体实施时，所使用的光纤光栅3是光纤布拉格光栅，能反射窄带光谱；

在具体实施时，所使用的耦合器2和环形器4可以位置互换或者同时为耦合器或者同时为环形器；

在具体实施时，所述的光电转换器6是光电转换器PIN管，把光信号转换成电信号；

在具体实施时，所述去直流耦合器7采用的是电容耦合，可以去除直流偏置和干扰；

在具体实施时，所述的滤波器8采用的是四阶有源带通滤波器，可根据需要设计带宽；

在具体实施时，所述的数据处理9是具有模数转换功能和计算功能的处理器模块。

本发明的解调原理如图3所示，根据光纤半导体镀膜器件5的光学特性，其反射光谱是波长λ和功率P具有线性关系，把光纤光栅3的波长变化Δλ，转变成了功率变化ΔP，Δλ和ΔP成正比关系，再把光功率的变化用光电转换器6转化成电信号的变化，经处理后可以得出光纤光栅的变化。

本发明采用功率变化检测，比光谱分析法的解调速度跟快；本解调装置只解调光纤光栅的变化量，同时还使用了去直流耦合器以及滤波处理，去除了干涉仪解调法容易受温度等外界的影响因素；本装置中使用宽带光源，且半导体镀膜器件的线性范围较宽，解决了匹配光栅法所受到的解调范围的限制。

Claims (6)

1.一种光纤光栅动态变化解调装置，包括光源、光纤分路器、光纤光栅、解调元件、光电转换器及电路处理系统，其特征在于：所述的解调元件为光纤半导体镀膜器件，光源发出的入射光信号在光纤光栅处发生反射，反射光经过光纤半导体镀膜器件时再次发生反射，此时的反射光经过光电转换器及电路处理系统，得到光纤光栅处波长变化量。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态变化解调装置，其特征在于：所使用的光纤半导体镀膜器件，其反射光的功率随入射光波长的变化而变化，具有一定的线性关系。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态变化解调装置，其特征在于：所使用的光纤光栅是一种可反射窄带光的器件，其光谱宽度一般为零点几纳米。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态变化解调装置，其特征在于：所使用的光源是一种宽带的光源，即光源光谱宽度一般为几十个纳米，且具有一定的平坦性。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态变化解调装置，其特征在于：所使用的光纤分路器可以是光纤耦合器，也可以是光纤环形器等。

6.一种光纤光栅动态解调装置的解调方法，其特征在于：包括如下解调步骤：

a、光源发出的光通过光纤分路器入射到光纤光栅处发生反射，光纤光栅受到外界压力或震动的调制会使得光的中心波长发生左右偏移；

b、波长发生左右偏移的反射光通过光纤分路器进入半导体镀膜器件时再次发生反射，半导体镀膜器件的反射光功率和入射波波长间呈线性关系；

c、从半导体镀膜器件反射出的光通过光纤分路器进入光电转换器，把光信号转换为电信号，再由去直流耦合器将直流量去除，只提取具有相对变化特性的交流量；

d、滤波器进行滤波处理，根据需要设定滤波器的带宽，输出给数据处理部分，最后根据电压的变化确定光功率的变化，再由功率与波长的线性关系得出光纤光栅的波长变化，从而实现光纤光栅的动态变化解调。

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