CN103017804A - 高时间同步多通道光纤光栅传感系统 - Google Patents

Abstract

一种高时间同步多通道光纤光栅传感系统，由宽带荧光源、三端环形器、光分路器、1*4光开关组、光纤光栅传感器组、传感信号解调装置以及计算机组成。本发明在现有多通道光纤光栅传感系统具有波长分辨精度高、解调速度快等特点的基础上，可实现多通道多测点传感测量时，各通道信号采集和处理的高时间同步，同时其测量系统具有较高的可靠性。

Description

高时间同步多通道光纤光栅传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感，特别是一种主要用于高速高时间同步多测点的结构工程应用的高时间同步多通道光纤光栅传感系统。

背景技术

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。其原理是当应变、温度、振动等外部物理参量改变时，影响到光纤光栅的栅区折射率及光栅间距发生变化，进使其反射的光波长改变，利用探测到光波长的变化量可计算得到需要测量的物理量改变量，实现传感。

光纤光栅传感器因为其体积、精度高、反应快、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀且易于组网实现分布式测量等优点，已经被广泛应用在大坝、桥梁和隧道等建筑结构的应变和温度预警等安全监测中。

在测量较大范围的被测物的应力时，为了准确反应被测物整体结构的受力情况，往往利用光纤光栅的特点，将系统设计为多通道，每通道串联多光纤光栅传感器的方案实现一套设备对整个区域进行测量，有效节省了成本。但是由于目前的多通道测量是由光开关实现切换的，对整个被测区域分属不同通道的测点测量会由于光开关的切换时间而不同步。对通道越多的情况，每测量一遍各测点的不同步越严重，而对于需要进行高速动态信号监测的情况，传统的多通道传感系统方案难以满足需要。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于需要进行高速动态应变、温度等信号的测量监测的高时间同步多通道光纤光栅传感系统。

本发明的目的实现方案如下：

一种高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特点在于由宽带荧光源、三端环形器、光分路器、1*4光开关组、光纤光栅传感器组、传感信号解调装置和计算机组成，其连接关系是：所述的宽带荧光源输出端经光纤连接三端环形器第一端；三端环形器的第二端经光纤连接到所述的光分路器的输入端；光分路器的四个输出端分别连接到所述的1*4光开关组的四个光开关的输入端；每个光开关的四个输出端分别连接到所述的光纤光栅传感器组中的一组；经过光纤光栅传感器组反射回的光信号经过1*4光开关组和光分路器后，回到三端环形器并从其第三端经进入到所述的传感信号解调装置的输入端；传感信号解调装置的第一输出端连接并控制1*4光开关组；传感信号解调装置(6)的第二输出端连接到计算机。

本发明的优点在于：

三端环形器、光分路器和1*4光开关组的顺序使用实现了多通道多测点时各测点数据测量的高时间同步性；光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器相结合，系统软件进行实时温度补偿的计算，直接得到去除应变-温度交叉影响后的高精度的测量结果；传感器最多可分为16个光纤通道，任一光纤光栅传感器若发生损坏，其它通道的传感器测量不受影响，提高了测量系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明高时间同步多通道光纤光栅传感系统的结构框图。

图2为本发明中光传感信号解调装置的结构框图。

图3为本发明中电信号采集处理模块的结构框图。

图4为本发明中计算机的软件流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参见图1，图1为本发明高时间同步多通道光纤光栅传感系统的结构框图，由图可见，本发明高时间同步多通道光纤光栅传感系统由宽带荧光源1、三端环形器2、光分路器3、1*4光开关组4、光纤光栅传感器组5、传感信号解调装置6和计算机7组成，其连接关系是：所述的宽带荧光源1输出端经光纤连接三端环形器2的第一端；三端环形器2的第二端经光纤连接到所述的光分路器3的输入端；光分路器3的四个输出端分别连接到所述的1*4光开关组4的四个光开关的输入端；每个光开关的四个输出端分别连接到所述的光纤光栅传感器组5中的一组(分组最多可达16组：5-1～5-16)，每组串联有若干光纤光栅作为应变传感器或温度传感器；经过光纤光栅传感器组(5)反射回的光信号经过1*4光开关组4和光分路器3后，回到三端环形器2的第二端并从其第三端进入到所述的传感信号解调装置6的输入端；传感信号解调装置6的第一输出端连接并控制1*4光开关组4；传感信号解调装置6的第二输出端连接到计算机7。

参见图2，所述的传感信号解调装置6由高精度FP干涉仪6-1、温度控制器6-2、锯齿波发生器6-3、光电转换模块6-4和电信号采集处理模块6-5组成，所述的三端环形器2中返回的光信号从第三端进入到传感信号解调装置6中的高精度FP干涉仪6-1;温度控制器通过连接到高精度FP干涉仪6-1的热敏电阻探测干涉仪的环境温度，并使用热电冷却器来调节这一环境温度；锯齿波发生器6-3产生锯齿波来为FP干涉仪6-1的扫描工作提供驱动电压；高精度FP干涉仪6-1进行扫描时与返回光信号中特定波长的光产生干涉极大后，它输出的光波经过光电转换模块(6-4)转变为电信号进入电信号采集处理模块6-5；电信号采集处理模块6-5选取电信号的极大值并转为数字信号后作为数据进入计算机7进行计算并显示出结果；电信号采集处理模块6-5与1*4光开关组4和锯齿波发生器6-3分别连接并对它们进行控制。

参见图3，所述的电信号采集处理模块6-5由现场可编程门阵列(简称为FPGA)、高速数模转换器DAC、高速模数转换器ADC、RAM存储器和DSP芯片组成，其连接关系是：ADC连接并接收光电转换模块6-4转换后的电信号，转换成数字信号后发送给FPGA进行数据的采集和初步处理，之后数据被存储到RAM中，DSP连接并读取RAM中的数据进行进一步处理，再通过串行通信接口把处理好的光栅返回波长数字信号发送给计算机，FPGA通过DAC连接并控制锯齿波发生器(6-3)的工作，FPGA同时连接到温度控制器和光开关并对它们进行控制。

参见图4，本发明中计算机的软件部分流程如下：系统的计算机在开机时自动标定和光纤光栅传感器反射回波长信号的初始状态，若发现有某个光纤光栅传感器对应信号缺失，则对其所在光纤通道进行报错。软件对各光纤光栅返回波长信号与其对应的初始值计算差值。若温度传感器差值未超过预设的温差阈值则直接将应变传感器的差值结果作为真实应变相关波长差值；若温度传感器的测量差值超过温差阈值则对应变传感器的差值结果进行温度补偿计算得到真实应变相关波长差值。计算得到各测量点应变值后进行数据存储并做图显示在软件界面上，若记录数据已满提示人工取出。

本发明的工程过程：

宽带荧光源1采用高功率的C波段宽带ASE光源，输出的带宽为40nm，增益高度平坦的宽带荧光经过光纤输入三端环形器2，再经过1*4分路器3分成四束1：1：1：1强度的荧光后，分别进入四个1*4光开关4输出到光纤光栅传感器组5，经过测量点反射的光波长发生改变，反射光原路返回到三端环形器的第三端进入，锯齿波发生器6-3通过它产生的锯齿波来驱动高精度FP干涉仪6-1，它的光波长扫描范围在1527nm~1567nm之间。FP干涉仪作为一个窄带滤波器，利用压电陶瓷改变FP腔长，只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。利用F-P腔的这个特性测量并记录透过光强极大时的腔长来检测光纤光栅传感器的反射中心波长。光电转换模块6-4由光电二极管PIN构成，它把从高精度FP干涉仪6-1解调出的光波干涉极大值各光栅中心波长信号转换为电信号输入到电信号采集处理模块6-5中，经高速ADC转换为数字信号再进行采集处理后输入计算机7，进行相关公式计算和温度补偿等软件处理，最后以图表等形式显示被测结构整体以及具体测点的实时应力分布情况。

光纤光栅传感器反射回光波的中心波长λ_B满足

λ_B＝2n_effΛ,    (1)

其中：n_eff是光栅的有效折射率，Λ是光栅的栅格周期。在光纤光栅传感器受到应力、温度影响时λ_B发生偏移，偏移量可表示为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε_FBG+λ_BξΔT,    (2)

其中：P_e是弹光常数,ξ是热光系数,ΔT是环境温度的改变量，Δε_FBG是光纤光栅传感器受到的应变改变量。

总数为N的光纤光栅传感器各自拥有处在宽带光源波段(1525nm～1565nm)范围内不同的中心反射波长λ₁、λ₂...λ_N，在事前对各光纤光栅进行标定。测量时可根据测到第n个光栅反射回光信号波峰波长λ′_n确定区分具体的光纤光栅传感器测量点，同时在计算与显示模块中计算出其中心波长偏移量Δλ_n＝λ′_n-λ_n，再由上面的公式(2)，光纤光栅温度传感器测得的温度改变量用来剔除光纤光栅应变传感器测量结果中温度改变量对真实应变测量结果的影响，最后计算出第n个光栅测量点的应变变化量。

电信号采集处理模块6-5通过高速DAC对锯齿波发生器进行反馈和控制，同时与温度控制器6-2连接控制并测量温度信号。电信号采集处理模块6-5也连接到四个1*4光开关4以实现对其开关状态的直接控制。同时在一般测量状态下，1*4光开关组4可自动对各通道进行依次扫描，光开关切换时间小于10ms。

由于本发明采用拥有30mW较高功率的ASE宽带荧光源1，并将三端环形器2、光分路器3和1*4光开关组4的顺序使用，在不明显降低信号强度的情况下实现了多通道(多至16通道)、多测点测量时各测点数据的高时间同步性。在光开关切换时间小于10ms的情况下，多通道所有测点一次测量时间间距小于50ms。多通道的设置使测量系统拥有较高的可靠性。

实验表明，本发明具有波长分辨精度高、解调速度快等特点的基础上，可实现多通道多测点传感测量时，各通道信号采集和处理的高时间同步，同时其测量系统具有较高的可靠性。

Claims (8)

1.一种高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于它由宽带荧光源(1)、三端环形器(2)、光分路器(3)、1*4光开关组(4)、多个光纤光栅传感器组成的光纤光栅传感器组(5)、传感信号解调装置(6)和计算机(7)组成，其连接关系是：所述的宽带荧光源(1)输出端经光纤连接所述的三端环形器(2)的第一端；该三端环形器(2)的第二端经光纤连接到所述的光分路器(3)的输入端；该光分路器(3)的四个输出端分别连接到所述的1*4光开关组(4)的四个光开关的输入端；每个光开关的四个输出端分别连接到单根光纤通道中串联的光纤光栅传感器，经过光纤光栅传感器(5－i)反射回的光信号经过1*4光开关组(4)和光分路器(3)后，回到所述的三端环形器(2)第二端并从其第三端进入到所述的传感信号解调装置(6)的输入端；该传感信号解调装置(6)的第一输出端与所述的1*4光开关组(4)的控制端连接；该传感信号解调装置(6)的第二输出端连接到所述的计算机(7)。

2.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的传感信号解调装置(6)由高精度FP干涉仪(6-1)、温度控制器(6-2)、锯齿波发生器(6-3)、光电转换模块(6-4)和电信号采集处理模块(6-5)组成，所述的三端环形器(2)中返回的光信号从第三端进入到所述的传感信号解调装置(6)中的高精度FP干涉仪(6-1);所述的温度控制器(6-2)通过连接到高精度FP干涉仪(6-1)的热敏电阻探测干涉仪的环境温度，并使用热电冷却器来调节这一环境温度；所述的锯齿波发生器(6-3)是基于TI公司生产的NE555的锯齿波发生电路，它所的产生锯齿波电压为FP干涉仪(6-1)的扫描工作提供驱动；高精度FP干涉仪(6-1)进行波长扫描时与返回光信号中特定波长的光产生干涉后，它输出的光波经过光电转换模块(6-4)转变为电信号进入电信号采集处理模块(6-5)；电信号采集处理模块(6-5)选取电信号的极大值并转为数字信号后作为数据进入计算机(7)进行计算并显示出结果；电信号采集处理模块(6-5)与1*4光开关组(4)和锯齿波发生器(6-3)分别连接并对它们进行控制。

3.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的电信号采集处理模块(6-5)由现场可编程门阵列(FPGA)、高速数模转换器DAC、高速模数转换器ADC、RAM存储器和DSP芯片组成，其连接关系是：ADC连接并接收光电转换模块(6-4)转换后的电信号，转换成数字信号后发送给FPGA进行数据的采集和初步处理，之后数据被存储到RAM中，DSP连接并读取RAM中的数据进行进一步处理，再通过串行通信接口把处理好的光栅返回波长数字信号发送给计算机，FPGA通过DAC连接并控制锯齿波发生器(6-3)的工作，FPGA同时连接到温度控制器和光开关并对它们进行控制。

4.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的三端环形器(2)、光分路器(3)和1*4光开关组(4)的顺序使用实现了多通道多测点时各测点数据测量的高时间同步性。

5.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的光分路器有四个输出端，并且其输出比为1:1:1:1。

6.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的光纤光栅传感器组(5)根据具体使用需要，最多可分为每个光开关4组，总共16组，即逻辑上16个传感通道(5-1～5-16)，每个通道包括若干串联光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器。

7.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的光纤光栅传感器组(5)任一光纤光栅传感器拥有不同的中心波长。

8.根据权利要求1所述的高时间同步多通道光纤光栅传感系统，其特征在于所述的计算机(7)包含对测试数据进行分析计算的软件部分和所需结果的显示界面；光纤光栅传感器组(5)中的光纤光栅温度传感器对应变传感器的温度补偿作用的计算包含在软件计算中。

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