CN103148880B - 基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪 - Google Patents
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Abstract
基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，涉及光纤光栅波长解调技术领域。它是为了解决光纤光栅传感器在现有解调方式下，光谱仪的体积大、解调仪成本高、解调速度慢的问题。本发明所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪在成本低、结构简单的情况下，通过N个连续波长的滤色片对光信号的波长进行对比，快速的确定其波长，再经过PIN光电探测器、信号放大及A/D转换模块将信号输入到单片机中，使其解调频率可以达到500kHz，从而快速准确地对信号进行处理并完成解调工作。本发明所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪可以应用于工业生产中对温度、应力、位移的检测和监测技术领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅解调仪，特别涉及一种利用滤色片分光和光电探测阵列采集的光纤光栅波长解调仪器。属于光纤光栅波长解调技术领域。
背景技术
在许多特殊的场合，光纤光栅传感器具有许多传统传感器不具备的特点。光纤光栅作为智能化结构的传感器，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单等优点，可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量、粘度等物理量进行检测。
对于光纤光栅传感信号的解调核心工作，是依据对光纤光栅不同的中心波长返回值进行读取、变换，进而得到外界信息的变化量。对于采用光谱仪解调方式，由于光谱仪的体积大、价格昂贵、速度慢的缺点，限制了其工程化的推广应用；对于采用扫描激光光源的解调方式，其成本高，解调速率有限，限制了光纤光栅传感的应用范围。
发明内容
本发明为了解决光纤光栅传感器在现有解调方式下，光谱仪的体积大、解调仪成本高、解调速度慢的问题，现提出一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪。
基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，它包括：平坦化ASE宽带光源、3dB耦合器、1×N光开关、N个滤色片、N+1个PIN光电探测器、信号放大及A/D转换模块、单片机和N路传感光纤光栅；
3dB耦合器的一个光信号输入输出端同时连接平坦化ASE宽带光源的光信号输出端和第一个滤色片的光信号输入端，3dB耦合器的另一个光信号输入输出端连接1×N光开关的一个光信号输入输出端，1×N光开关的N个光纤光栅信号输入输出端分别连接N路传感光纤光栅的N路光纤光栅信号输入输出端，1×N光开关的控制信号输入端连接单片机的开关控制信号输出端；
第i个滤色片的反射光输出端连接第i+1个滤色片的光信号输入端，第N个滤色片的反射光输出端通过光纤连接至第N+1个PIN光电探测器的光信号输入端，第i个滤色片的透射光输出端通过光纤连接至第i个PIN光电探测器的光信号输入端，第N个滤色片透射光输出端通过光纤连接至第N个PIN光电探测器的光信号输入端，所述i＝1、2、…N-1；
N+1个PIN光电探测器的电信号输出端分别连接信号放大及A/D转换模块的N+1个信号输入端，信号放大及A/D转换模块的信号输出端连接单片机的信号输入端。
所述平坦化ASE宽带光源是放大自发辐射光源，其发射的光信号的波长为1525nm至1565nm，光强为20mw至200mw。
N个滤色片的反射/透射过度带宽均为2nm，对应光强衰减均为20dB，N个滤色片的滤色片所对应中心波长均不相同，并且每两个相连接的滤色片之间所对应中心波长差为2nm。
第1路传感光纤光栅的中心波长为1525nm，第N路传感光纤光栅的中心波长为1565nm，N路传感光纤光栅中每两路传感光纤光栅之间的中心波长间隔大于等于2nm。
信号放大及A/D转换模块中的A/D转换器为16位的A/D转换器。
本发明所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪在成本低、结构简单的情况下，通过N个连续波长的滤色片对光信号的波长进行对比，快速的确定其波长，再经过PIN光电探测器、信号放大及A/D转换模块将信号输入到单片机中，使其解调频率可以达到500kHz，从而快速准确地对信号进行处理并完成解调工作。本发明可以应用于工业生产中对温度、应力、位移的检测和监测技术领域中。
附图说明
图1虚线框外的部分是基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪的结构示意图；
图2是滤色片以1540nm处为例的滤光光谱特性图，图中实曲线表示透射光，虚曲线表示反射光；
图3是滤色片过滤小于其中心波长的光信号的光谱特性图，图中实曲线1表示以1540nm处为例的透射光的光谱，虚曲线表示以1540nm处为例的反射光的光谱，实曲线2表示滤色片透射光的光谱；
图4是滤色片过滤小于其中心波长的光信号时，透射光的PIN光电管信号图；
图5是滤色片过滤大于其中心波长的光信号的光谱特性图，图中实曲线表示以1540nm处为例的透射光的光谱，虚曲线1表示以1540nm处为例的反射光的光谱，虚曲线2表示滤色片反射光的光谱；
图6是滤色片过滤大于其中心波长的光信号时，透射光的PIN光电管信号图；
图7是滤色片过滤与其中心波长匹配的光信号的光谱特性图，图中实曲线1表示以1540nm处为例的透射光的光谱，虚曲线表示以1540nm处为例的反射光的光谱，实曲线2表示滤色片透射光的光谱；
图8是滤色片过滤与其中心波长匹配的光信号时，透射光的PIN光电管信号图；
图9是第N个滤色片过滤与其中心波长匹配的光信号的光谱特性图，图中实曲线1表示以1540nm处为例的透射光的光谱，虚曲线2表示以1540nm处为例的反射光的光谱，实曲线4表示滤色片透射光的光谱，虚曲线3表示滤色片反射光的光谱；
图10是第N个滤色片过滤与其中心波长匹配的光信号时，对应的两个PIN光电管信号示意图，其中虚线方框表示反射光的PIN光电管信号，实线方框表示透射光的PIN光电管信号。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式。本实施方式所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，它包括：平坦化ASE宽带光源1、3dB耦合器2、1×N光开关3、N个滤色片41至4N、N+1个PIN光电探测器51至5N+1、信号放大及A/D转换模块6、单片机7和N路传感光纤光栅10；
3dB耦合器2的一个光信号输入输出端同时连接平坦化ASE宽带光源1的光信号输出端和第一个滤色片41的光信号输入端，3dB耦合器2的另一个光信号输入输出端连接1×N光开关3的一个光信号输入输出端，1×N光开关3的N个光纤光栅信号输入输出端分别连接N路传感光纤光栅10的N路光纤光栅信号输入输出端，1×N光开关3的控制信号输入端连接单片机的开关控制信号输出端；
第i个滤色片4i的反射光输出端连接第i+1个滤色片4i+1的光信号输入端，第N个滤色片4N的反射光输出端通过光纤连接至第N+1个PIN光电探测器5N+1的光信号输入端，第i个滤色片4i的透射光输出端通过光纤连接至第i个PIN光电探测器5i的光信号输入端，第N个滤色片4N透射光输出端通过光纤连接至第N个PIN光电探测器5N的光信号输入端，所述i＝1、2、…N-1；
N+1个PIN光电探测器51至5N+1的电信号输出端分别连接信号放大及A/D转换模块6的N+1个信号输入端，信号放大及A/D转换模块6的信号输出端连接单片机7的信号输入端。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪作进一步说明，本实施方式中，所述平坦化ASE宽带光源1是放大自发辐射光源，其发射的光信号的波长为1525nm至1565nm，光强为20mw至200mw。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪作进一步说明，本实施方式中，N个滤色片41至4N的反射/透射过度带宽均为2nm，对应光强衰减均为20dB，N个滤色片41至4N的滤色片所对应中心波长均不相同，并且每两个相连接的滤色片之间所对应中心波长差为2nm。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪作进一步说明，本实施方式中，第一路传感光纤光栅的中心波长为1525nm，第N路传感光纤光栅的中心波长为1565nm，N路传感光纤光栅10中每两路传感光纤光栅之间的中心波长间隔大于等于2nm。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪作进一步说明，本实施方式中，信号放大及A/D转换模块6中的A/D转换器为16位的A/D转换器。
本发明所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪的具体结构不局限于上述各个实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。
具体实施方式一、二、三、四或五所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，在实际操作中，可以使本申请所述的多通道光纤光栅解调仪的单片机7通过RJ45端口8使上位机9实现数据交互，来实现该解调仪的应用，参见图1所示。
基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪的原理：
平坦化ASE宽带光源1发出的光信号经过3dB耦合器2进入1×N光开关3中，1×N光开关3由单片机7控制光开关通道的切换，单片机7所输出的开关控制信号用于控制1×N光开关3的N个光纤光栅信号输入输出端中的某一个光纤光栅信号输入输出端与一个光信号输入输出端联通，光信号通过1×N光开关3所限定的通道进入N路传感光纤光栅10，N路传感光纤光栅10使该光信号带有光纤光栅的波长信息，然后该带有光纤光栅的波长信息的光信号从光开关通道返回并通过3dB耦合器2进入第一个滤色片41，带有光纤光栅的波长信息的光信号与第一个滤色片41的波长值进行匹配，滤色片以1540nm处为例的滤光光谱特性，参见图2所示，当该光信号的波长值与第一个滤色片41的波长值匹配时，该光信号进入与第一个滤色片41所连接的PIN光电探测器进行光电转换，则该PIN光电探测器的输出信号值为该滤色片中心波长处所对应的电压值，参见图7和图8所示；当该光信号的波长值与第一个滤色片41的波长值不匹配时，若光信号波长值小于该滤色片的波长值，则该滤色片所连接的PIN光电探测器的输出信号值为该滤色片中心波长处所对应电压值的最大值，参见图3和图4所示，此时所得电信号超出PIN光电探测器的量程；若光信号波长值大于该滤色片的波长值，则该滤色片所连接的PIN光电探测器的输出信号值为该滤色片中心波长处所对应电压值的最小值，参见图5和图6所示，同时该滤色片将光信号反射到下一滤色片，该光信号的波长值与下一个滤色片的波长值进行匹配，......依此类推至最后一个滤色片所连接的两个PIN光电探测器输出信号，若光信号的波长值与最后一个滤色片的波长值匹配，则第N个PIN光电探测器输出的信号为该滤色片中心波长处透射谱所对应的电压值，第N+1个PIN光电探测器输出的信号为该滤色片中心波长处反射谱所对应的电压值的反射值，参见图9和图10所示，N+1个PIN光电探测器5输出的信号经信号放大及A/D转换模块6的放大和转换得到数字信号，该数字信号输入到单片机7中，单片机7将数字信号进行处理，找到与光纤波长对应的滤色片位置及信号强度，得到所连接的若干个光纤光栅的真实波长值，该真实波长值通过RJ45端口8输入到上位机9中，上位机9对该真实波长值进行显示及储存。
Claims (5)
1.基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于，它包括：平坦化ASE宽带光源(1)、3dB耦合器(2)、1×N光开关(3)、N个滤色片(41至4N)、N+1个PIN光电探测器(51至5N+1)、信号放大及A/D转换模块(6)、单片机(7)和N路传感光纤光栅(10)；
3dB耦合器(2)的一个光信号输入输出端同时连接平坦化ASE宽带光源(1)的光信号输出端和第一个滤色片(41)的光信号输入端，3dB耦合器(2)的另一个光信号输入输出端连接1×N光开关(3)的一个光信号输入输出端，1×N光开关(3)的N个光纤光栅信号输入输出端分别连接N路传感光纤光栅(10)的N路光纤光栅信号输入输出端，1×N光开关(3)的控制信号输入端连接单片机的开关控制信号输出端；
第i个滤色片(4i)的反射光输出端连接第i+1个滤色片(4i+1)的光信号输入端，第N个滤色片(4N)的反射光输出端通过光纤连接至第N+1个PIN光电探测器(5N+1)的光信号输入端，第i个滤色片(4i)的透射光输出端通过光纤连接至第i个PIN光电探测器(5i)的光信号输入端，第N个滤色片(4N)透射光输出端通过光纤连接至第N个PIN光电探测器(5N)的光信号输入端，所述i＝1、2、…N-1；
N+1个PIN光电探测器(51至5N+1)的电信号输出端分别连接信号放大及A/D转换模块(6)的N+1个信号输入端，信号放大及A/D转换模块(6)的信号输出端连接单片机(7)的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于，平坦化ASE宽带光源(1)是放大自发辐射光源，其发射的光信号的波长为1525nm至1565nm，光强为20mw至200mw。
3.根据权利要求1所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于，N个滤色片(41至4N)的反射/透射过渡带宽均为2nm，对应光强衰减均为20dB，N个滤色片(41至4N)的滤色片所对应中心波长均不相同，并且每两个相连接的滤色片之间所对应中心波长差为2nm。
4.根据权利要求1所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于，第1路传感光纤光栅的中心波长为1525nm，第N路传感光纤光栅的中心波长为1565nm，N路传感光纤光栅(10)中每两路传感光纤光栅之间的中心波长间隔大于等于2nm。
5.根据权利要求1所述的基于滤色片的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于，信号放大及A/D转换模块(6)中的A/D转换器为16位的A/D转换器。
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