CN102645235B - 一种基于rsoa的fbg传感解调装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RSOA的FBG传感解调装置，包括可调谐激光器，光环形器，光电探测器，处理及控制单元，所述可调谐激光器包括依次连接的反射式半导体光放大器(RSOA)、光耦合器和可调谐光纤光栅FBG单元。本发明还公开了一种基于RSOA的FBG传感解调方法。本发明实现了高速、低成本、结构简单的FBG传感解调。

Description

一种基于RSOA的FBG传感解调装置及方法
技术领域
本发明涉及FBG传感解调技术领域，尤其涉及一种FBG传感解调装置及方法。
背景技术
光传感尤其是基于光纤光栅技术的光传感因其具有无源化、抗电磁干扰、精度高、体小质轻等特点，目前在土木建筑、石油、电力、交通、矿业、医学等诸多领域获得了越来越广泛的应用。基于可调谐激光器的光纤光栅传感解调系统结构如图1所示，一般由可调谐激光器、FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅，简称为光纤光栅)传感器(FBG1～FBG4)、光电探测器及光无源器件(图1中为光耦合器)等部分构成。其中，待测物理量通过FBG传感器对其反射光波长进行编码，可调谐激光器发出的窄带光信号经光耦合器耦合，并经光纤传输至FBG传感器，调谐可调谐激光器的输出光波长，当输出光波长与FBG传感器反射波长一致时，光电探测器可探测得FBG传感器的反射光，从而实现对FBG传感器布拉格周期的解调，进而实现对待测物理量的测量。
在目前的可调谐激光器式FBG传感解调系统中，激光器调谐一般是基于热调谐或光纤F-P腔腔长调谐两种方式。其中热调谐方式受限于热效应的响应速度，调谐速度比较慢，从而难以实现对FBG传感器的高速动态测量。光纤F-P腔腔长调谐方式是通过对光纤端面镀高反射膜，利用光纤端面形成F-P腔，通过调谐F-P腔长实现激光器输出光波长的调谐，此方法存在光纤端面镀膜复杂，成本较高等不足。因此，目前所使用的方法存在成本高、制造工艺复杂，或者调谐速度低、难以支持高速动态测量等不足，极大地制约了FBG传感技术的发展与应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现高速、低成本的FBG传感解调。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于RSOA的FBG传感解调装置，包括可调谐激光器，所述可调谐激光器包括依次连接的反射式半导体光放大器RSOA、光耦合器和可调谐光纤光栅FBG单元。
其中，所述装置还包括与所述光耦合器连接的光环形器。
其中，所述装置包括与所述光环形器连接的光电探测器。
其中，所述装置还包括处理及控制单元、与可调谐FBG单元连接的可调电源，所述处理及控制单元用于控制所述可调电源，以使得所述可调谐FBG单元的外加电压周期性变化，还用于接收光电探测器探测到的所述FBG传感器反射的光信号，并根据该光信号和光电探测器输出的光电流最大时刻可调谐FBG单元的外加电压值，计算所述可调谐FBG单元的布拉格周期，得到解调结果。
其中，所述可调谐FBG单元包括相互连接的FBG应变计和压电陶瓷。
其中，所述装置还包括输出及显示单元，用于显示和输出所述解调结果。
本发明还提供了一种利用所述的装置进行FBG传感解调方法，包括以下步骤：
S1、将所述光环形器依次连接可调谐激光器和待测的FBG传感器；
S2、所述处理及控制单元控制可调电源以一定规律使可调谐FBG单元的外加电压产生周期性变化，所述可调谐FBG单元在周期性外加电压的作用下，布拉格周期产生周期性变化，从而使得可调谐激光器输出至光环形器的光的波长周期性变化；
S3、所述光电探测器实时地探测所述FBG传感器反射的光信号，并将探测到的光信号发送给所述处理及控制单元；当所述可调电源的输出电压变化至一定值时，所述可调谐激光器输出的光的中心波长与所述FBG传感器反射的光的中心波长重合，此时光电探测器接收到的光信号最强，从而光电探测器输出光的电流最大；
S4、所述处理及控制单元根据所述光电探测器输出的光电流最大时刻可调谐FBG单元的外加电压值，以及可调谐FBG单元的外加电压与其布拉格周期之间的线性关系，计算所述可调谐FBG单元的布拉格周期，再根据所述光电探测器输出的光电流最大时刻所述FBG传感器与可调谐FBG单元的布拉格周期相同，从而得到待测FBG传感器的布拉格周期，即解调结果。
其中，在步骤S4之后还包括将所述解调结果输出并显示。
其中，所述处理及控制单元控制电源产生周期性电压输出，从而使可调谐FBG单元的外加电压产生周期性变化。
其中，所述周期性电压为锯齿形电压或正弦形电压，相应地，所述周期性变化为锯齿形或正弦形变化。
(三)有益效果
本发明通过在光电探测器输出光电流最大时刻，由可调谐FBG单元外加电压值，即可计算出可调谐FBG单元的布拉格周期，进而得到待测FBG传感器的布拉格周期，从而实现了对待测FBG传感器的探测解调，也即FBG传感解调。进一步，利用压电陶瓷调谐可调谐FBG单元的布拉格周期(也即FBG应变计的周期)实现了对可调谐激光器输出光的波长进行调谐，从而实现了利用低成本的光电探测器，通过探测FBG传感器的反射光强来对FBG传感器进行高速探测解调。另外，将FBG应变计直接用在可调谐FBG单元中，具有制作简单，性能稳定，可调谐范围长等特点。
附图说明
图1是现有技术中基于可调谐激光器的FBG传感解调系统结构示意图；
图2是本发明的装置及其实施场景结构示意图；
图3是本发明的装置中可调谐FBG单元的结构示意图；
图4是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图2、3所示，本发明提供了一种基于RSOA的FBG传感解调装置，包括可调谐激光器，所述可调谐激光器包括依次连接的反射式半导体光放大器RSOA、光耦合器和可调谐光纤光栅FBG单元。
其中，所述装置还包括与所述光耦合器连接的光环形器。
其中，所述装置包括与所述光环形器连接的光电探测器。
其中，所述装置还包括处理及控制单元、与可调谐FBG单元连接的可调电源，所述处理及控制单元用于控制所述可调电源，以使得所述可调谐FBG单元的外加电压周期性变化，还用于接收光电探测器探测到的所述FBG传感器反射的光信号，并根据该光信号和光电探测器输出的光电流最大时刻可调谐FBG单元的外加电压值，计算所述可调谐FBG单元的布拉格周期，得到解调结果。
其中，所述可调谐FBG单元包括相互连接的FBG应变计和压电陶瓷，所述压电陶瓷牵引FBG应变计。
其中，所述装置还包括输出及显示单元，用于显示和输出所述解调结果。
上述可调谐FBG单元是将FBG(本实施例中为图3所示的FBG应变计)沿着压电陶瓷应变方向固定到压电陶瓷上形成的结构，用于通过外加电压控制FBG的反射波长产生变化，所述外加电压的大小与FBG的反射波长变化大小成线性关系。当在压电陶瓷上外加电压时，顺着其应变方向可产生相应的应变，且应变大小与所加电压成线性比例关系。由于FBG与压电陶瓷固定到一起，因此当压电陶瓷产生应变时，FBG也产生相同的应变，从而导致其反射波长(或称布拉格周期)发生变化。
图3中的FBG应变计是FBG的一种典型应用形式，将FBG应变计直接用在可调谐FBG单元中，具有制作简单，性能稳定，可调谐范围大等特点。
如图4所示，本发明还提供了一种利用所述的装置进行FBG传感解调方法，包括以下步骤：
S1、将所述光环形器依次连接可调谐激光器和待测的FBG传感器；
S2、所述处理及控制单元控制可调电源产生周期性锯齿形电压或正弦形电压输出，使可调谐FBG单元的外加电压产生周期性锯齿形或正弦形变化，所述可调谐FBG单元在周期性外加电压的作用下，布拉格周期产生周期性变化，从而使得可调谐激光器输出至光环形器的光的波长周期性变化；
S3、所述光电探测器实时地探测所述FBG传感器反射的光信号，并将探测到的光信号发送给所述处理及控制单元；当所述可调电源的输出电压变化至一定值时，所述可调谐激光器输出的光的中心波长与所述FBG传感器反射的光的中心波长重合，此时光电探测器接收到的光信号最强，从而光电探测器输出光的电流最大；
S4、所述处理及控制单元根据所述光电探测器输出的光电流最大时刻可调谐FBG单元的外加电压值，以及可调谐FBG单元的外加电压与其布拉格周期之间的线性关系，计算所述可调谐FBG单元的布拉格周期，再根据所述光电探测器输出的光电流最大时刻所述FBG传感器与可调谐FBG单元的布拉格周期相同，从而得到待测FBG传感器的布拉格周期，即解调结果。
其中，在步骤S4之后还包括将所述解调结果输出并显示。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于RSOA的FBG传感解调装置，包括可调谐激光器，其特征在于，所述可调谐激光器包括依次连接的反射式半导体光放大器RSOA、光耦合器和可调谐光纤光栅FBG单元；
其中，所述可调谐FBG单元包括相互连接的FBG应变计和压电陶瓷；
所述装置还包括与所述光耦合器连接的光环形器；
所述装置包括与所述光环形器连接的光电探测器；
所述装置还包括处理及控制单元、与可调谐FBG单元连接的可调电源，所述处理及控制单元用于控制所述可调电源，以使得所述可调谐FBG单元的外加电压周期性变化，还用于接收光电探测器探测到的所述FBG传感器反射的光信号，并根据该光信号和光电探测器输出的光电流最大时刻可调谐FBG单元的外加电压值，计算所述可调谐FBG单元的布拉格周期，得到解调结果。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括输出及显示单元，用于显示和输出所述解调结果。
3.一种利用权利要求1～2任一项所述的装置进行FBG传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将所述光环形器依次连接可调谐激光器和待测的FBG传感器；
S2、所述处理及控制单元控制可调电源以一定规律使可调谐FBG单元的外加电压产生周期性变化，所述可调谐FBG单元在周期性外加电压的作用下，其布拉格周期产生周期性变化，从而使得可调谐激光器输出至光环形器的光的波长周期性变化；
S3、所述光电探测器实时地探测所述FBG传感器反射的光信号，并将探测到的光信号发送给所述处理及控制单元；当所述可调电源的输出电压变化至一定值时，所述可调谐激光器输出的光的中心波长与所述FBG传感器反射的光的中心波长重合，此时光电探测器接收到的光信号最强，从而光电探测器输出光的电流最大；
S4、所述处理及控制单元根据所述光电探测器输出的光电流最大时刻可调谐FBG单元的外加电压值，以及可调谐FBG单元的外加电压与其布拉格周期之间的线性关系，计算所述可调谐FBG单元的布拉格周期，再根据所述光电探测器输出的光电流最大时刻所述FBG传感器与可调谐FBG单元的布拉格周期相同，从而得到待测FBG传感器的布拉格周期，即解调结果。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括将所述解调结果输出并显示。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述处理及控制单元控制电源产生周期性电压输出，从而使可调谐FBG单元的外加电压产生周期性变化。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述周期性电压为锯齿形电压或正弦型电压，相应地，所述周期性变化为锯齿形或正弦形变化。
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