CN103217182B - 一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，属于光纤光栅波长解调技术领域；本发明的目的是为了解决现有光谱仪解调方式和采用扫描激光光源的解调方式的解调速度慢的问题，本发明所述的ASE光源发出的光经3db耦合器后，进入到1×N光开关，从1×N光开关某通道返回的含有光纤光栅波长信息的光经过3db耦合器进入到1×N分路器，从1×N分路器与N个滤色片相连，从滤色片输出光经PIN光电探测器进行光电转换后，再经放大及A/D转换，最终得到所连接的光纤光栅传感器返回光的真实波长值在上位机上显示及存储；本发明广泛的应用于生产生活的诸多领域，比如进行对温度、应力、位移等的监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，具体讲是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装置，属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，解调速度为0到10Hz之间，由于光谱仪的体积大、价格昂贵、解调速度慢等缺点，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，解调速度为0到200Hz之间，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
本发明的目的是为了解决现有光谱仪解调方式和采用扫描激光光源的解调方式的解调速度慢的问题，本发明提供一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置。
一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，包括ASE(amplified spontaneousemission)光源，3dB耦合器、1×N光开关、N个光纤光栅传感器、1×N分路器、N个滤色片、2N个PIN(positive intrinsic negative)光电探测器、信号放大及A/D(analog/digital)转换模块、单片机、RJ45端口和上位机；2N个PIN光电探测器分成2组，每组内有N个PIN光电探测器；所述的ASE光源的光信号输出端与3dB耦合器的光信号输入端连接，3dB耦合器的光信号输入输出端与1×N光开关的光信号第一输入输出端连接，所述的1×N光开关的其余N个光信号输入输出端分别与N个光纤光栅传感器的输入输出端连接，所述N为大于1的正整数，
所述的3dB耦合器的光信号输出端与1×N分路器的光信号输入端连接，所述的1×N分路器的N个光信号输出端输出的光信号分别入射至N个滤色片，经N个滤色片透射的光信号分别入射至一组PIN光电探测器中的N个PIN光电探测器的光敏面；经N个滤色片反射的光信号分别入射至另一组PIN光电探测器中的N个PIN光电探测器的光敏面，2N个PIN光电探测器的电信号的输出端分别与信号放大及A/D转换模块的2N个模拟电信号的输入端连接，所述的信号放大及A/D转换模块的数字电信号输出端与单片机的电信号输入端连接，所述的单片机的控制信号输出端与1×N光开关的控制信号输入端连接，单片机的数据信号输出端通过RJ45端口与上位机的数据信号输入端连接。
所述的单片机的控制信号输出端与1×N光开关的控制信号输入端连接，用于实现选择1×N光开关中的某一路开关的打开和闭合。
所述的信号放大及A/D转换模块中的A/D转换器是16位。
所述的单片机通过100M以太网模块与上位机端监控软件进行数据交换。
所述的1×N分路器的N个光信号输出端输出的N路光信号相同。
所述的ASE光源是放大自发辐射光源，其波长范围从1525nm到1565nm，光强为20～200mW。
所述的N个滤色片的波长范围均是从1525nm到1565nm。
所述的N个滤色片的中心波长按从小到大的顺序排列，且相邻的滤色片对应的中心波长差为2nm，每个滤色片的反射/透射过度带宽为2nm，对应光强衰减为20dB。
所述的滤色片的中心波长是其波长范围的中间值。
所述的N为小于等于20的正整数。
所述的1×N光开关采用高速半导体光开关，通道切换时间为ns级。
具体地说，ASE光源发出的光经3dB耦合器后，进入到1×N光开关，从1×N光开关某通道返回的含有光纤光栅波长信息的光经过3dB耦合器进入到1×N分路器，从1×N分路器输出的N路光信号分别进入N个滤色片，当光信号的波长值与滤色片的中心波长值匹配时，与此滤色片连接的两个PIN光电探测器输出的电信号值非最小值，非最大值；当光信号的波长值与滤色片的中心波长值不匹配时，与此滤色片连接的两个PIN光电探测器输出的电信号值分别为最小值和最大值，单片机将2N个PIN光电探测器输出的数字电信号进行处理，得到所连接的光纤光栅传感器返回光的真实波长值。
本发明带来的有益效果是其解调速度可以达到500KHz、成本低，监测方法简单且实用，可以广泛的应用于生产生活的诸多领域，比如温度、应力、位移等的监测。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明所用滤色片的滤光光谱特性图，以滤色片的中心波长是1540nm处为例；图中实线表示透射光的光谱特性，虚线表示反射光的光谱特性。
图3是本发明所用滤色片的过滤光波长小于该滤色片波长范围的光谱特性图，以滤色片的中心波长是1540nm处为例；图中附图标记12表示透射光的光谱特性，附图标记13表示滤色片的透射光谱，虚线表示反射光的光谱特性。
图4是本发明所用滤色片过滤光波长大于该滤色片波长范围的光谱特性图，以滤色片的中心波长是1540nm处为例；图中附图标记16表示反射光的光谱特性，附图标记17表示滤色片的反射光谱，实线表示透射光的光谱特性。
图5是本发明所用滤色片过滤光波长处于该滤色片波长范围之内的光谱特性图，以滤色片的中心波长是1540nm处为例；图中图中附图标记21表示反射光的光谱特性，附图标记20表示透射光的光谱特性，附图标记23表示滤色片的反射光谱，附图标记22表示滤色片的透射光谱。
图6是与图3所对应的、滤色片所连接的两个PIN光电探测器输出的电信号的幅值示意图；图中附图标记14表示经滤色片反射的光信号发送至PIN光电探测器后，该PIN光电探测器输出的电信号幅值，附图标记15表示经滤色片透射出的光发送至PIN光电探测器后，该PIN光电探测器输出的电信号幅值。
图7是与图4所对应的滤色片所连接的两个PIN光电探测器输出的电信号的幅值示意图；图中附图标记18表示经滤色片反射的光发送至PIN光电探测器后，该PIN光电探测器输出的电信号幅值，附图标记19表示经滤色片透射出的光发送至PIN光电探测器后，该PIN光电探测器输出的电信号幅值。
图8是与图5所对应的滤色片所连接的两个PIN光电探测器输出的电信号的幅值示意图；图中附图标记24表示经滤色片发射的光发送至PIN光电探测器后，该PIN光电探测器输出的电信号幅值，图中附图标记25表示滤色片透射出的光发送至PIN光电探测器后，该PIN光电探测器输出的电信号幅值。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，包括ASE光源1，3dB耦合器2、1×N光开关3、N个光纤光栅传感器4、1×N分路器5、N个滤色片6、2N个PIN光电探测器、信号放大及A/D转换模块8、单片机9、RJ45端口10和上位机11；2N个PIN光电探测器分成2组，每组内有N个PIN光电探测器，所述的ASE光源1的光信号输出端与3dB耦合器2的光信号输入端连接，3dB耦合器2的光信号输入输出端与1×N光开关3的光信号第一输入输出端连接，所述的1×N光开关3的其余N个光信号输入输出端分别与N个光纤光栅传感器4的输入输出端连接，所述N为大于1的正整数，
所述的3dB耦合器2的光信号输出端与1×N分路器5的光信号输入端连接，所述的1×N分路器5的N个光信号输出端输出的光信号分别入射至N个滤色片6，经N个滤色片6透射的光信号分别入射至一组PIN光电探测器中的N个PIN光电探测器7-1的光敏面；经N个滤色片6反射的光信号分别入射至另一组PIN光电探测器中的N个PIN光电探测器7-2的光敏面，2N个PIN光电探测器的电信号的输出端分别与信号放大及A/D转换模块8的2N个模拟电信号的输入端连接，所述的信号放大及A/D转换模块8的数字电信号输出端与单片机9的电信号输入端连接，所述的单片机9的控制信号输出端与1×N光开关3的控制信号输入端连接，单片机9的数据信号输出端通过RJ45端口10与上位机11的数据信号输入端连接。
所述的单片机9的控制信号输出端与1×N光开关3的控制信号输入端连接，用于实现选择1×N光开关3中的某一路开关的打开和闭合。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的信号放大及A/D转换模块8中的A/D转换器是16位。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的单片机9通过100M以太网模块与上位机11端监控软件进行数据交换。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的1×N分路器5的N个光信号输出端输出的N路光信号相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的ASE光源1是放大自发辐射光源，其波长范围从1525nm到1565nm，光强为20～200mW。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的N个滤色片6的波长范围均是从1525nm到1565nm。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的区别在于，所述的N个滤色片6的中心波长按从小到大的顺序排列，且相邻的滤色6片对应的中心波长差为2nm，每个滤色片6的反射/透射过度带宽为2nm，对应光强衰减为20dB。
所述的滤色片6的中心波长是其波长范围的中间值。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的区别在于，所述的N为小于等于20的正整数。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的1×N光开关3采用高速半导体光开关，通道切换时间为ns级。
原理分析：
ASE光源1发出的光信号经3dB耦合器2后发送至此时1×N光开关3某通道所在的光纤光栅传感器4，经此光纤光栅传感器4传感器反射回的光信号经3dB耦合器2发送至1×N分路器5，从1×N分路器5输出的N路光信号分别进入N个滤色片6；
当1×N分路器5输出的光信号的波长值小于滤色片6的波长范围值时，光信号透射滤色片6至与此滤色片6的光信号的输出端连接的一个PIN光电探测器7-1，此PIN光电探测器7-1输出的电信号值为最大值，与此滤色片6链接的另一个PIN光电探测器7-2输出模拟电信号值为最小值，具体参见图3；
当1×N分路器5输出的光信号的波长值大于滤色片6的波长范围值时，光信号经此滤色片6反射至与此滤色片6光信号的输出端所连接的一个PIN光电探测器7-2，此PIN光电探测器7-2输出的电信号值为最大值，与此滤色片6链接的另一个PIN光电探测器7-1输出的电信号值为最小值，具体参见图4；
当1×N分路器5输出的光信号的波长值处于滤色片6的波长范围值之内时，此光信号平均分成两路后，一路光信号透射此滤色片6，一路光信号经此滤色片6反射，与此滤色片6所连接的两个PIN光电探测器输出的电信号值均是非最大值和非最小值，具体参见图5；
每个PIN光电探测器的输出电信号经信号放大及A/D转换模块8后，将PIN光电探测器输出的电信号转换成数字电信号，数字电信号经单片机9处理变换为光纤光栅传感器4的真实波长值，通过RJ45端口10，传输到上位机11上，进行显示及存储。
Claims (7)
1.一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于它包括ASE光源(1)，3dB耦合器(2)、1×N光开关(3)、N个光纤光栅传感器(4)、1×N分路器(5)、N个滤色片(6)、2N个PIN光电探测器、信号放大及A/D转换模块(8)、单片机(9)、RJ45端口(10)和上位机(11)；2N个PIN光电探测器分成2组，每组内有N个PIN光电探测器；所述的ASE光源(1)的光信号输出端与3dB耦合器(2)的光信号输入端连接，3dB耦合器(2)的光信号输入输出端与1×N光开关(3)的光信号第一输入输出端连接，所述的1×N光开关(3)的其余N个光信号输入输出端分别与N个光纤光栅传感器(4)的输入输出端连接，所述N为大于1的正整数，
所述的3dB耦合器(2)的光信号输出端与1×N分路器(5)的光信号输入端连接，所述的1×N分路器(5)的N个光信号输出端输出的光信号分别入射至N个滤色片(6)，经N个滤色片(6)透射的光信号分别入射至一组PIN光电探测器中的N个PIN光电探测器(7-1)的光敏面；经N个滤色片(6)反射的光信号分别入射至另一组PIN光电探测器中的N个PIN光电探测器(7-2)的光敏面，2N个PIN光电探测器的电信号的输出端分别与信号放大及A/D转换模块(8)的2N个模拟电信号的输入端连接，所述的信号放大及A/D转换模块(8)的数字电信号输出端与单片机(9)的电信号输入端连接，所述的单片机(9)的控制信号输出端与1×N光开关(3)的控制信号输入端连接，单片机(9)的数据信号输出端通过RJ45端口(10)与上位机(11)的数据信号输入端连接；
所述的N个滤色片(6)的波长范围均是从1525nm到1565nm；
所述的N个滤色片(6)的中心波长按从小到大的顺序排列，且相邻的滤色片(6)对应的中心波长差为2nm，每个滤色片(6)的反射/透射过度带宽为2nm，对应光强衰减为20dB。
2.根据权利要求1所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于，所述的信号放大及A/D转换模块(8)中的A/D转换器是16位。
3.根据权利要求1所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于，所述的单片机(9)通过100M以太网模块与上位机(11)端监控软件进行数据交换。
4.根据权利要求1所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于，所述的1×N分路器(5)的N个光信号输出端输出的N路光信号相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于，所述的ASE光源(1)是放大自发辐射光源，其波长范围从1525nm到1565nm，光强为20～200mW。
6.根据权利要求1所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于，所述的N为小于等于20的正整数。
7.根据权利要求1所述的一种基于滤色片的多通道光纤光栅解调装置，其特征在于，所述的1×N光开关(3)采用高速半导体光开关，通道切换时间为ns级。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20150520 |
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