CN102607613A - 一种光纤传感波长解调设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤传感波长解调设备，尤其涉及一种具有宽温工作范围的光纤传感波长解调设备，属于光纤传感技术领域。解调设备由宽带光源1、光源散热器2、光纤环形器3、波长解调光路5、波长解算电路6、光路驱动电路8、驱动电源控制电路7、温度传感器9、温度采集控制模块10和微型加热保温元件11组成；将测量光纤传感器4返回的光信号经过波长解调光路5送入解算电路6解调出光纤传感器的波长变化量，光路5的光器件放入微型加热保温元件11，在温度传感器9和温度采集控制模块10的作用下，使光器件工作于可承受的工作温度范围内。本发明采用局部控温的方式，能够适应宽温工作，同时具有小型化、低功耗及高可靠性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感波长解调设备，尤其涉及一种具有宽温工作范围的光纤传感波长解调设备，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤传感器具有传感探头小、抗电磁干扰能力强、可植入或附着在结构表面、易于组建网络进行分布式测量等优点，已被广泛应用于桥梁、隧道等建筑结构的安全监测中，在海洋石油、航空航天等领域的应用也受到了越来越多的关注。
然而航空航天及某些工业应用领域的现场环境十分复杂，对设备应用环境的要求也非常苛刻，为了保证能够在恶劣特别是低温的环境下使用光纤传感波长解调设备，就要求光纤传感波长解调设备必须有很宽的工作温度范围。目前国内外市场上大部分光纤传感波长解调设备的工作温度在0～50℃之间，极个别可以达到-15～55℃，在环境温度低于-15℃时，光纤传感波长解调设备无法正常工作，解调设备工作环境问题极大的制约了光纤传感器在工业现场的大规模应用。
为了在恶劣环境下使用光纤传感测量系统，传统的方法是将光纤传感波长解调设备放置于一个温控箱里，但这种方式大大增加了设备的体积、重量与功耗，很难在航空航天领域进行应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有光纤传感波长解调设备的缺陷，能够实现解调设备的小型化、低功耗和宽温工作范围，提出一种光纤传感波长解调设备。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种光纤传感波长解调设备，其外围设备为待测量光纤传感器，解调设备由宽带光源、光源散热器、光纤环形器、波长解调光路、波长解算电路、光路驱动电路、驱动电源控制电路、温度传感器、温度采集控制模块和微型加热保温元件组成；
宽带光源通过螺钉紧固于光源散热器上，宽带光源发出的光经光纤环形器后入射到待测量光纤传感器，待测量光纤传感器返回的光信号再经光纤环形器后由波长解调光路接收，经过波长解调光路后输出的信号送入波长解算电路，由波长解算电路解调出光纤传感器的波长变化量；
波长解调光路中需控温的器件放置在微型加热保温元件中，微型加热保温元件的加热层与波长解调光路中需控温器件表面紧密接触，温度传感器粘贴于需控温器件表面无加热层的部位用于采集波长解调光路中需控温器件的温度，温度传感器将采集到的温度信息送入温度采集控制模块，由温度采集控制模块通过控制微型加热保温元件的工作状态，来调节波长解调光路的工作温度，使波长解调光路工作于可承受的工作温度范围内；
驱动电源控制电路在波长解算电路的指令下控制光路驱动电路为波长解调光路提供供电电源；
所述波长解算电路又包括光电模拟信号采集处理电路和主控制器，由光电模拟信号采集处理电路采集波长解调光路输出的信号，并将采集结果送入主控制器；
上述波长解调光路可采用基于FP滤波法的解调光路或者衍射分光法解调光路。
有益效果
本发明提供了一种宽温工作范围的光纤传感波长解调设备，可实现-40℃～70℃环境温度范围内正常工作，同时具有小型化、低功耗及高可靠性等特点，可应用于航空航天等对环境恶劣同时对环境要求又较高的领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中的温度控制反馈回路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种光纤传感波长解调设备，如图1所示，其外围设备为待测量光纤传感器4，解调设备由宽带光源1、光源散热器2、光纤环形器3、波长解调光路5、波长解算电路6、光路驱动电路8、驱动电源控制电路7、温度传感器9、温度采集控制模块10和微型加热保温元件11组成；波长解算电路6又包括光电模拟信号采集处理电路601和主控制器602；
宽带光源1通过螺钉紧固于光源散热器2上，宽带光源1发出的光经光纤环形器3后入射到待测量光纤传感器4，待测量光纤传感器4返回的光信号再经光纤环形器3后由波长解调光路5接收，经过波长解调光路5后输出的电信号送入波长解算电路6，由波长解算电路6解调出光纤传感器的波长变化量。
实施例1
波长解调光路5采用基于FP滤波法的解调光路，此时波长解调光路5中又包括FP滤波解调光组件501和光电二极管探测组件502，光路驱动电路8是对FP滤波解调光组件501中的FP滤波器503提供驱动信号。
将FP滤波解调光组件501中的FP滤波器503放置在微型加热保温元件11中，微型加热保温元件11的加热层与FP滤波器503表面紧密接触，温度传感器9粘贴于FP滤波器503无加热层的部位用于采集FP滤波器503壳体温度，温度传感器9将采集到的温度信息送入温度采集控制模块10，由温度采集控制模块10通过控制微型加热保温元件11的工作状态，来调节FP滤波器503的工作温度，使FP滤波器503工作于可承受的工作温度范围内。
上述温度采集控制模块10对FP滤波器503的温度调节步骤如下：
1)整套设备上电启动时，光路驱动电路8在驱动电源控制电路7的控制下处于断开状态，FP滤波器503处于未工作状态，此时先由温度传感器9检测FP滤波器503的壳体温度，若壳体温度低于设定的FP滤波器503最低工作温度，则温度采集控制模块10控制微型加热保温元件11对FP滤波器503做加热处理，当温度传感器9检测到的温度达到设定的FP滤波器503最低工作温度时，温度采集控制模块10将温度信息传送给主控制器602，主控制器602发出指令使驱动电源控制电路7打开光路驱动电路8的供电电源，使FP滤波器503进入工作状态；
2)温度采集控制模块10控制微型加热保温元件11继续对FP滤波器503加热，当温度传感器9检测到的温度达到设定的FP滤波器503上限温度时，停止对FP滤波器加热；
3)当温度传感器9检测到的温度低于设定的FP滤波器503下限温度时，温度采集控制模块10控制微型加热保温元件11开始加热；
4)重复步骤2)和步骤3)，使FP滤波器的温度始终处于设定的FP滤波器503工作温度之间，直至解调设备停止工作。
为了进一步提高温度采集控制模块10的可靠性，保护波长解调光路5中的光器件，加入了温度反馈控制回路以实现防误加热控制功能；
如图2所示，温度采集控制模块10中又包含温度检测电路101、比较电路102、继电器103、电源采集电路104、温度采集电路105、加热电源106和开关107，结合FP滤波器503、微型加热保温元件11、波长解算电路6中的主控制器602、驱动电源控制电路7和光路驱动电路8构成温度反馈控制回路；
由比较电路102控制的继电器103和主控制器602控制的开关107共同来控制加热保温元件11的加热电源106的通、断状态，继电器103和开关107同时处于接通状态时，才能接通加热保温元件11的加热电源106，使加热保温元件11处于加热状态；
温度检测电路101输出的模拟电压信号送给比较电路102，当温度检测电路101输出的模拟电压低于设定的FP滤波器503下限温度对应的电压时，比较电路102输出高电平，接通继电器103，当温度检测电路101输出的模拟电压高于设定的FP滤波器503下限温度对应的电压时，比较电路102输出低电平，关断继电器103；
温度检测电路101输出的模拟电压信号同时经温度采集电路105将温度信息发送给主控制器602，主控制器602结合该温度信息和电源采集电路104发送来的电源电平信息，进行软件比较，产生防误加热控制逻辑来控制开关107的通、断状态，所述电源采集电路104用于采集加热电源106经继电器103和开关107后的电源输出状态，当检测到电源输出后电源采集电路104输出高电平，否则输出低电平；
温度反馈控制回路的防误加热控制逻辑如下：
(1)主控制器602从温度采集105获得的温度高于设定的上限温度，且从电源采集104获得的信号为低电平时，开关107维持原断开或原闭合状态；
(2)主控制器602从温度采集电路105获得的温度高于设定的上限温度，且从电源采集电路104获得的信号为高电平时，开关107断开；
(3)主控制器602从温度采集电路105获得的温度低于设定的下限温度，且从电源采集104电路获得的信号为高电平时，开关107维持原断开或闭合状态；
(4)主控制器602从温度采集电路105获得的温度低于设定的下限温度，且从电源采集电路104获得的信号为低电平时，开关107打开；
(5)主控制器602从温度采集105获得的温度在设定的上下限温度之间，开关107维持原断开或闭合状态。
实施例2
如图1所示，波长解调光路5采用基于衍射分光法的解调光路，此时波长解调光路5中又包括衍射分光光路501和线阵探测器502，光路驱动电路8为线阵探测器502提供驱动信号；
为了保证光谱分光和探测的正确性，将衍射分光光路501和线阵探测器502封装成一个解调光路器件，将该解调光路器件放入微型加热保温元件11中，微型加热保温元件11的加热层与解调光路器件表面紧密接触，温度传感器9粘贴于解调光路器件上安装有入射光纤的侧面，通过温度传感器9和温度采集控制模块10来控制微型加热保温元件11的工作状态，来调节解调光路器件的工作温度，使解调光路器件工作于可承受的工作温度范围内。
上述温度采集控制模块10对解调光路器件的温度调节步骤如下：
1)整套设备上电启动时，光路驱动电路8在驱动电源控制电路7的控制下处于断开状态，线阵探测器502处于未工作状态，此时先由温度传感器9检测解调光路器件的壳体温度，若壳体温度低于设定的解调光路器件最低工作温度，则温度采集控制模块10控制微型加热保温元件11对解调光路器件做加热处理，当温度传感器9检测到的温度达到设定的解调光路器件最低工作温度时，温度采集控制模块10将温度信息传送给主控制器602，主控制器602发出指令使驱动电源控制电路7打开光路驱动电路8的供电电源，线阵探测器502进入工作状态；
2)温度采集控制模块10控制微型加热保温元件11继续对解调光路器件加热，当温度传感器9检测到的温度达到设定的解调光路器件上限温度时，停止对解调光路器件加热；
3)当温度传感器9检测到的温度低于设定的解调光路器件下限温度时，温度采集控制模块10控制微型加热保温元件11开始加热；
4)重复步骤2)和步骤3)，使解调光路器件的温度始终处于设定的解调光路器件工作温度之间，直至解调设备停止工作。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种光纤传感波长解调设备，其外围设备为待测量光纤传感器(4)，其特征在于，解调设备由宽带光源(1)、光源散热器(2)、光纤环形器(3)、波长解调光路(5)、波长解算电路(6)、光路驱动电路(8)、驱动电源控制电路(7)、温度传感器(9)、温度采集控制模块(10)和微型加热保温元件(11)组成；
宽带光源(1)通过螺钉紧固于光源散热器(2)上，宽带光源(1)发出的光经光纤环形器(3)后入射到待测量光纤传感器(4)，待测量光纤传感器(4)返回的光信号再经光纤环形器(3)后由波长解调光路(5)接收，经过波长解调光路(5)后输出的电信号送入波长解算电路(6)，由波长解算电路(6)解调出光纤传感器的波长变化量；
波长解调光路(5)中需控温的器件放置在微型加热保温元件(11)中，微型加热保温元件(11)的加热层与波长解调光路(5)中需控温器件表面紧密接触，温度传感器(9)粘贴于需控温器件表面无加热层的部位用于采集波长解调光路(5)中需控温器件的温度，温度传感器(9)将采集到的温度信息送入温度采集控制模块(10)，由温度采集控制模块(10)通过控制微型加热保温元件(11)的工作状态，来调节波长解调光路(5)需控温的器件的工作温度，使波长解调光路(5)工作于可承受的工作温度范围内；
驱动电源控制电路(7)在波长解算电路(6)的指令下控制光路驱动电路(8)为波长解调光路(5)提供供电电源；
所述波长解算电路(6)又包括光电模拟信号采集处理电路(601)和主控制器(602)，由光电模拟信号采集处理电路(601)采集波长解调光路(5)输出的信号，并将采集结果送入主控制器(602)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述波长解调光路(5)中包括FP滤波解调光组件(501)和光电二极管探测组件(502)，波长解调光路(5)中需控温的器件为FP滤波器(503)，光路驱动电路(8)是对FP滤波解调光组件(501)中的FP滤波器(503)提供驱动信号。
3.根据权利要求1所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述波长解调光路(5)包括衍射分光光路(501)和线阵探测器(502)，波长解调光路(5)中需控温的器件为由衍射分光光路(501)和线阵探测器(502)封装成的解调光路器件，光路驱动电路(8)为线阵探测器(502)提供驱动信号。
4.根据权利要求2所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述调节波长解调光路(5)中FP滤波器(503)工作温度的具体步骤如下：
1)整套设备上电启动时，光路驱动电路(8)在驱动电源控制电路(7)的控制下处于断开状态，FP滤波器(503)处于未工作状态，此时先由温度传感器(9)检测FP滤波器(503)的壳体温度，若壳体温度低于设定的FP滤波器(503)最低工作温度，则温度采集控制模块(10)控制微型加热保温元件(11)对FP滤波器(503)做加热处理，当温度传感器(9)检测到的温度达到设定的FP滤波器(503)最低工作温度时，温度采集控制模块(10)将温度信息传送给主控制器(602)，主控制器(602)发出指令使驱动电源控制电路(7)打开光路驱动电路(8)的供电电源，使FP滤波器(503)进入工作状态；
2)温度采集控制模块(10)控制微型加热保温元件(11)继续对FP滤波器(503)加热，当温度传感器(9)检测到的温度达到设定的FP滤波器(503)上限温度时，停止对FP滤波器加热；
3)当温度传感器(9)检测到的温度低于设定的FP滤波器(503)下限温度时，温度采集控制模块(10)控制微型加热保温元件(11)开始加热；
4)重复步骤2)和步骤3)，使FP滤波器的温度始终处于设定的FP滤波器(503)工作温度之间，直至解调设备停止工作。
5.根据权利要求3所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述调节波长解调光路(5)中由衍射分光光路(501)和线阵探测器(502)封装成的解调光路器件的工作温度的具体步骤如下：
1)整套设备上电启动时，光路驱动电路(8)在驱动电源控制电路(7)的控制下处于断开状态，线阵探测器(502)处于未工作状态，此时先由温度传感器(9)检测解调光路器件的壳体温度，若壳体温度低于设定的解调光路器件最低工作温度，则温度采集控制模块(10)控制微型加热保温元件(11)对解调光路器件做加热处理，当温度传感器(9)检测到的温度达到设定的解调光路器件最低工作温度时，温度采集控制模块(10)将温度信息传送给主控制器(602)，主控制器(602)发出指令使驱动电源控制电路(7)打开光路驱动电路(8)的供电电源，线阵探测器(502)进入工作状态；
2)温度采集控制模块(10)控制微型加热保温元件(11)继续对解调光路器件加热，当温度传感器(9)检测到的温度达到设定的解调光路器件上限温度时，停止对解调光路器件加热；
3)当温度传感器(9)检测到的温度低于设定的解调光路器件下限温度时，温度采集控制模块(10)控制微型加热保温元件(11)开始加热；
4)重复步骤2)和步骤3)，使解调光路器件的温度始终处于设定的解调光路器件工作温度之间，直至解调设备停止工作。
6.根据权利要求2所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述温度采集控制模块(10)中带有温度反馈控制回路。
7.根据权利要求6所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述温度反馈控制回路由温度采集控制模块(10)中温度检测电路(101)、比较电路(102)、继电器(103)、电源采集电路(104)、温度采集电路(105)、加热电源(106)和开关(107)、以及温度采集控制模块(10)外部的FP滤波器(503)、微型加热保温元件(11)、波长解算电路(6)中的主控制器(602)、驱动电源控制电路(7)和光路驱动电路(8)构成。
由比较电路(102)控制的继电器(103)和主控制器(602)控制的开关(107)共同来控制加热保温元件(11)的加热电源(106)的通、断状态，也即只有当继电器(103)和开关(107)同时处于接通状态时，加热保温元件(11)的加热电源(106)接通，使加热保温元件(11)处于加热状态；
温度检测电路(101)输出的模拟电压信号送给比较电路(102)，当温度检测电路(101)输出的模拟电压低于设定的FP滤波器(503)下限温度对应的电压时，比较电路(102)输出高电平，接通继电器(103)，当温度检测电路(101)输出的模拟电压高于设定的FP滤波器(503)下限温度对应的电压时，比较电路(102)输出低电平，关断继电器(103)；
温度检测电路(101)输出的模拟电压信号同时经温度采集电路(105)将温度信息发送给主控制器(602)，主控制器(602)结合该温度信息和电源采集电路(104)发送来的电源电平信息，进行软件比较，产生防误加热控制逻辑来控制开关(107)的通、断状态；
所述电源采集电路(104)用于采集加热电源(106)经继电器(103)和开关(107)后的电源输出状态，当检测到电源输出后电源采集电路(104)输出高电平，否则输出低电平。
8.根据权利要求7所述的一种光纤传感波长解调设备，其特征在于，所述防误加热控制逻辑具体为：
(1)主控制器(602)从温度采集(105)获得的温度高于设定的上限温度，且从电源采集(104)获得的信号为低电平时，开关(107)维持原断开或原闭合状态；
(2)主控制器(602)从温度采集电路(105)获得的温度高于设定的上限温度，且从电源采集电路(104)获得的信号为高电平时，开关(107)断开；
(3)主控制器(602)从温度采集电路(105)获得的温度低于设定的下限温度，且从电源采集(104)电路获得的信号为高电平时，开关(107)维持原断开或闭合状态；
(4)主控制器(602)从温度采集电路(105)获得的温度低于设定的下限温度，且从电源采集电路(104)获得的信号为低电平时，开关(107)打开；
(5)主控制器(602)从温度采集(105)获得的温度在设定的上下限温度之间，开关(107)维持原断开或闭合状态。
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