CN103512510B - 基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法,本系统可调激光器输出的波长周期性变化的窄带光波激光束中一路分为N路入射N个传感器通道,各传感器通道中波长变化范围不重叠的FBG按特征波长从短到长、位置由近到远排列。另一路进入校准通道的标准具,各传感器通道的反射光和标准具的透射光分别经各光电探测器、信号调理电路接入FPGA,FPGA的输出端接工控机,控制信号接可调激光器。其运行方法为可调激光器周期性扫描的窄带激光进入各传感器通道、当与某个FBG的特征波长相同时被反射,另一路激光透射标准具,二者转为电信号进入工控机,得该FBG波长变化量。本发明可连续扫描,实时波长校准精度达1με,FPGA并行采集处理,解调速度高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术,具体为一种基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法。
背景技术
目前多数光纤光栅传感系统是由宽带光源、光分束器、光纤光栅传感器、可调滤波器件、光电探测器和相应的电路系统构成。光纤光栅传感器在环境条件的应变或温度变化的影响下,反射波长发生改变,经可调谐滤波器件后,通过光电探测器接收,由电路系统解调得出当前的反射波长,对比初始波长,根据当前反射波长的变化即可得到光纤光栅传感所处位置的应变或温度变化量。
由于现有的光纤光栅传感系统每个时刻宽带光源只有一小部分被使用,所以光源的利用率低,传感信号信噪比差。且由于后端每次进行扫频时只能扫描一个通道,难以实现光纤光栅传感器的复用和实时波长的校准,直接影响可解调的传感器数量和解调精度。现有的光纤光栅传感系统解调的速度主要取决于数据处理速度和波长扫描速度,波长扫描速度受光信号发出返回的时间限制,目前一般在Hz量级。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,包括可调激光器、耦合器和多个光纤光栅传感器通道,可调激光器输出周期变化的窄带扫描激光,对各传感器通道的光纤光栅传感器扫描,待测传感器反射的光波经光纤环形器接入光电探测器,光电探测器的输出端经信号调理电路,连接FPGA(Field-ProgrammableGateArray的缩写,即现场可编程门阵列)电路,FPGA电路的输出端接工控机。
本发明的另一目的是设计上述基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法,可调激光器输出周期变化的窄带扫描激光,对各传感器通道的光纤光栅传感器扫描,待测传感器反射的光波经光纤环形器或耦合器进入光电探测器,所得电信号经信号调理电路放大、调理及模数转换,由FPGA采集,送工控机处理,解调出光纤光栅的波长变化,从而得到环境物理参数的变化。
本发明的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,包括激光器、耦合器、环形器、光电探测器和N个传感器通道,N为1~16的整数,每个传感器通道为串联的1~20个布拉格光纤光栅传感器,各个布拉格光纤光栅传感器的特征波长不同、且波长变化范围不重叠,激光器输出的激光束经1×N耦合器分为N路,分别经环形器或2×1耦合器入射N个传感器通道,每个传感器通道的反射光返回环形器或2×1耦合器,由环形器或2×1耦合器的另一输出端分别接入各自的光电探测器,本发明的激光器为可调激光器,输出波长周期性变化的窄带光波,其波长变化范围覆盖本系统各布拉格光纤光栅传感器的波长变化范围。各传感器通道中的光纤光栅传感器按特征波长从短波长到长波长、其位置由近到远排列。各光电探测器分别经各信号调理电路接入FPGA电路,FPGA电路的输出端接工控机,FPGA电路的控制信号输出端接可调激光器。
所述可调激光器为基于F-P滤波器的环形腔可调激光器,基于光纤光栅的可调谐激光器,基于体光栅的可调谐激光器中的任一种。
本系统还有波长校准的标准具,可调激光器输出的激光束先接入1×2耦合器分为2路,一路接入1×N耦合器分为N路传感器通道,另一路则接入标准具为校准通道,透射标准具的激光束接入其光电探测器,该光电探测器的输出电信号经一个信号调理电路也接入FPGA电路。
所述基于F-P滤波器的环形腔可调激光器,包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、激光器1×2耦合器、可调谐F-P滤波器及光纤隔离器;泵浦激光器输出的激光连接波分复用器,波分复用器的输出端顺序连接掺铒光纤、激光器1×2耦合器、可调谐F-P滤波器(可调谐法布里-柏罗滤波器)及光纤隔离器,光纤隔离器的输出端也接入波分复用器的输入端,构成的环腔。激光器1×2耦合器的另一输出端为本例可调激光器的输出端,输出可调谐激光束。FPGA电路的控制信号输出端接可调激光器的可调谐F-P滤波器。
所述标准具为F-P(Fabry-Perot法布里-柏罗)标准具或者为气体吸收腔。
为保证精度,所述标准具置于温控模块上。
为保证精度,所述可调谐F-P滤波器置于温控模块上。
N个传感器通道的N个环形器为规格相同的环形器,或者N个2×1耦合器为规格相同N个2×1耦合器。
所述N个传感器通道中的一个或多个传感器通道可接光开关或分路器,一个接光开关或分路器的传感器通道扩展为n个传感器通道,n为2~16的整数。
所述N个环形器或者N个2×1耦合器所接的光电探测器,以及标准具所接的光电探测器为相同的光电探测器。
各光电探测器所接的信号调理电路为相同的信号调理电路。
可调激光器输出的激光束所接的1×2耦合器分光比为90/10,90%的激光束接入1×N耦合器,10%的激光束接入标准具。
本发明的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法如下:
根据FPGA电路的信号,可调激光器输出周期性扫描的窄带激光,其每个周期扫描的窄带激光波长与各布拉格光纤光栅传感器的特征波长相对应,其扫描波长是从短波长到长波长;该激光束经过1×2耦合器分为2路,其中一路透射标准具进入其对应的光电探测器,光电探测器的输出电信号接入其对应的信号调理电路;1×2耦合器分出的另一路激光经1×N耦合器分成N路,分别经过环形器或2×1耦合器入射各传感器通道中待测的布拉格光纤光栅传感器,当扫描的入射光与某个布拉格光纤光栅传感器的特征波长相同时被反射,反射回的光波经环形器或2×1耦合器进入该传感器通道对应的光电探测器,各相关光电探测器将转换得到的电信号送入对应的信号调理电路,各信号调理电路对接收的电信号进行放大、调理及模数转换,FPGA电路采集各信号调理电路所得数字信号,发送到其所连接的工控机,工控机对各路信号进行波峰检测。
进入校准通道的激光束透射标准具,在一个扫描周期中,标准具滤波器透射100个等间隔的波峰,经过其光电探测器所得的在时域上的电信号就呈现出波长确定的100个波峰,电信号经过其信号调理电路被FPGA电路采集,发送到工控机,工控机根据标准具的电信号确定当前布拉格光纤光栅传感器返回的电信号峰值所对应的时间,即得到该布拉格光纤光栅传感器此刻的波长值,进而得到波长变化量。之后根据所得波长变化量按公式计算出该布拉格光纤光栅传感器所处位置的温度或应变值。
与现有技术相比,本发明基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法的优点为:1、可实现高速、高信噪比的光纤光栅传感器的信号解调;可调激光器的扫描波长是从短波长到长波长,各传感器通道中的光纤光栅传感器按特征波长由短波长到长波长、位置的设置由近到远,而且各个光纤光栅传感器的波长变化范围不重叠;当扫描波长是从短波长到长波长时,距离远的光纤光栅传感器反射返回的波长在时域上会被拉开,在工控机对某个传感器的数据进行处理时,减掉该传感器与环形器之间的距离传输所需的时间即可;因而不会有不同的光纤光栅传感器反射光重叠的现象,就不必等到所有的反射信号光返回后再进行下一个周期的扫描,而是可以连续扫描,大大提高了扫描的速度,可达kHz量级;2、FPGA电路为并行采集处理电路,可同时采集多个传感通道信号采集,工控机同时对多路信号解调,更提高了系统解调速度;3、本系统可容纳多个通道,每个通道通过进一步复用都可扩展为4个传感通道,每个通道最多可携带20个光纤光栅传感器,因此本系统的容量达数百个光纤光栅传感器,适用于大型工程和建筑等各种大型结构体的长期实时健康安全监测;4、可调谐激光器在温度和环境影响下会发生波长漂移;本系统的标准具可实时波长校准,消除了激光器波长漂移的影响,实现高信噪比解调,波长校准精度达到1με,可达到1pm的解调精度。
附图说明
图1为本基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统实施例1的结构示意图;
图2为本基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统实施例2的结构示意图。
图内标号为:1、可调激光器,2、1×2耦合器,3、标准具,4、1×4耦合器,5、环形器,6、光开关,7、传感器通道,8、光电探测器,9、信号调理电路,10、FPGA电路,11、工控机,12、温控模块,13、2×1耦合器;
1-1、泵浦激光器,1-2、波分复用器,1-3、掺铒光纤,1-4、激光器1×2耦合器,1-5、可调F-P滤波器,1-6、光纤隔离器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及使用方法实施例1
本基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统实施例1如图1所示,包括可调激光器1、1X2耦合器2、1×4耦合器4、环形器5、光电探测器8和16个传感器通道7,本例的可调激光器1为基于光纤光栅的可调谐激光器,采用基于体光栅的可调谐激光器与本例情况相同。可调激光器1输出的波长周期性变化的窄带光波的波长变化范围覆盖本系统内各光纤光栅传感器的波长变化范围,其输出的激光束先接入1×2耦合器2分为2路,本例的1×2耦合器2分光比为90/10,90%的激光束接入1×4耦合器4,10%的激光束接入标准具3。1×2耦合器2分出的2路激光中一路接入1×4耦合器4分为4路传感器通道7,另一路则接入标准具3为校准通道,本例的标准具3为气体吸收腔。1×4耦合器4分出的4路激光,分别进入4个环形器5,各环形器5相同,每个环形器5的一个输出端接光开关6,又分为4路,即共16路传感器通道7;每个传感器通道7串联1~20个布拉格光纤光栅传感器,各个布拉格光纤光栅传感器的特征波长不同、且波长变化范围不重叠。各传感器通道7中的布拉格光纤光栅传感器按特征波长从短波长到长波长、其位置由近到远排列。每个传感器通道7的反射光返回环形器5,由环形器5的另一输出端分别接入各自的光电探测器8;接入标准具3的激光透射标准具3后接入其光电探测器8,环形器5和标准具3所接的各光电探测器8均相同。各光电探测器8输出的电信号分别经各信号调理电路9接入FPGA电路10,本例得信号调理电路9均相同。FPGA电路10为并行采集电路,FPGA电路8的输出端接工控机11,FPGA电路10的控制信号输出端接可调激光器1。
本基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统运行方法实施例1如下:
根据FPGA电路10的信号,可调激光器1输出周期性扫描的窄带激光,其每个周期扫描的窄带激光波长与本系统各布拉格光纤光栅传感器的特征波长相对应,其扫描波长是从短波长到长波长;该激光束经过1×2耦合器2分为2路,其中一路透射标准具3进入其对应的光电探测器8,光电探测器8的输出电信号接入其对应的信号调理电路9;1×2耦合器2分出的另一路经1×4耦合器4分成4路,分别经过环形器5进入光开关6,每一路再分为4路,可调激光器1输出的周期性扫描的窄带激光入射16路传感器通道7中待测的布拉格光纤光栅传感器,当扫描的入射光与某个布拉格光纤光栅传感器的特征波长相同时被反射,反射回的布拉格光波经环形器5进入该传感器通道7对应的光电探测器8,各相关光电探测器将转换得到的电信号送入对应的信号调理电路9,各信号调理电路9对接收的电信号进行放大、调理及模数转换,FPGA电路10采集各信号调理电路9所得数字信号,发送到其所连接的工控机11,工控机11对各路信号进行波峰检测,并根据标准具3的光电探测器8所得的电信号确定当前布拉格光纤光栅传感器返回的电信号峰值所对应的时间,得到该布拉格光纤光栅传感器此刻的波长值,进而得到波长变化量;之后根据所测得的该传感器通道7反射光的波长变化量按公式计算出该布拉格光纤光栅传感器所处位置的温度或应变值。
基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及使用方法实施例2
本基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统实施例2如图2所示,其基本结构与实施例1相似,其4个环行器用4个相同的2×1耦合器13代替,本例的标准具3为F-P是(Fabry-Perot法布里-柏罗)标准具。
所述可调激光器1为基于F-P滤波器的环形腔可调激光器,包括泵浦激光器1-1、波分复用器1-2、掺铒光纤1-3、激光器1×2耦合器1-4、可调谐F-P滤波器1-5及光纤隔离器1-6;泵浦激光器1-1输出的激光连接波分复用器1-2,波分复用器1-2的输出顺序连接掺铒光纤1-3、激光器1×2耦合器1-4、可调谐F-P滤波器1-5及光纤隔离器1-6,光纤隔离器1-6的输出端也接入波分复用器1-2的输入端,构成的环腔。激光器1×2耦合器1-4的另一输出端为本例可调激光器1的输出端,输出可调谐激光束。FPGA电路10的控制信号输出端接可调激光器1的可调谐F-P滤波器1-5。
本例泵浦激光器1-1为980nm的泵浦激光器,本例的波分复用器为980nm/1550nm的波分复用器。
本例的标准具3和可调谐F-P滤波器1-5置于温控模块12上,保持恒温工作,以提高系统精度。
本基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法实施例2如下:
本例的泵浦激光器1-1、波分复用器1-2、掺铒光纤1-3、激光器1×2耦合器1-4、可调谐F-P滤波器1-5、光纤隔离器1-6构成环腔可调激光器1,在FPGA电路10的调谐控制信号的周期作用下,可调谐F-P滤波器1-5的输出为与之对应波长的窄带光波。这个周期性扫描的窄波光波经过1X2耦合器2被分成两路。其中一路经1×4耦合器4分成4路路后,经2×1耦合器13入射到4路传感器通道7的布拉格光纤光栅传感器,当入射光扫描到某个布拉格光纤光栅传感器的特征波长时,反射回的布拉格光波经2×1耦合器13返回,送入光电探测器8;1X2耦合器2分出的另一路激光入射到标准具3,标准具3透射的等间隔波峰进入其光电探测器8,用于对可调谐F-P滤波器1-5的光波进行校准。各光电探测器8输出的电信号分别经信号调理电路9进行进一步的放大、调理和模数转换,FPGA电路10采集各信号调理电路所得数字信号,发送到其所连接的工控机11,工控机11对各路信号进行波峰检测。在一个扫描周期中,标准具3透射100个等间隔的波峰,将扫描光谱范围分成了100段,对这些波峰点进行拟合,得到可调谐F-P滤波器1-5的扫描控制光波转换的电信号和波长的关系曲线,根据当前的布拉格光纤光栅传感器返回的电信号峰值所对应的标准具3的电信号,即可知道该布拉格光纤光栅传感器此刻的波长值,进而按公式计算出该布拉格光纤光栅传感器所处位置的温度或应变值。
上述实施例,仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例,本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,包括激光器、耦合器、环形器(5)、光电探测器(8)和N个传感器通道(7),N为1~16的整数,每个传感器通道(7)为串联的1~20个布拉格光纤光栅传感器,各个布拉格光纤光栅传感器的特征波长不同、且波长变化范围不重叠,激光器输出的激光束经1×N耦合器分为N路,分别经环形器(5)或2×1耦合器入射N个传感器通道(7),每个传感器通道(7)的反射光返回环形器(5)或2×1耦合器(13),由环形器(5)或2×1耦合器(13)的另一输出端分别接入各自的光电探测器(8),所述激光器为可调激光器(1),输出波长周期性变化的窄带光波,其波长变化范围覆盖本系统各布拉格光纤光栅传感器的波长变化范围;各传感器通道(7)中的布拉格光纤光栅传感器按特征波长从短波长到长波长、其位置由近到远排列;各光电探测器(8)分别经各信号调理电路(9)接入FPGA电路(10),FPGA电路(10)的输出端接工控机(11),FPGA电路(10)的控制信号输出端接可调激光器(1);
本系统还有波长校准的标准具(3),可调激光器(1)输出的激光束先接入1×2耦合器(2)分为2路,一路接入1×N耦合器(4)分为N路传感器通道(7),另一路则接入标准具(3)为校准通道,透射标准具(3)的激光束接入其光电探测器(8),该光电探测器(8)的输出电信号经一个信号调理电路(9)也接入FPGA电路(10);
所述可调激光器(1)为基于F-P滤波器的环形腔可调激光器,基于光纤光栅的可调谐激光器,基于体光栅的可调谐激光器中的任一种;其特征在于:
所述基于F-P滤波器的环形腔可调激光器包括泵浦激光器(1-1)、波分复用器(1-2)、掺铒光纤(1-3)、激光器1×2耦合器(1-4)、可调谐F-P滤波器(1-5)及光纤隔离器(1-6);泵浦激光器(1-1)输出的激光连接波分复用器(1-2),波分复用器(1-2)的输出端顺序连接掺铒光纤(1-3)、激光器1×2耦合器(1-4)、可调谐F-P滤波器(1-5)及光纤隔离器(1-6),光纤隔离器(1-6)的输出端也接入波分复用器(1-2)的输入端,构成的环腔;激光器1×2耦合器(1-4)的另一输出端为本可调激光器(1)的输出端,输出可调谐激光束;FPGA电路(10)的控制信号输出端接可调激光器(1)的可调谐F-P滤波器(1-5)。
2.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
所述标准具(3)为F-P标准具,或者为气体吸收腔。
3.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
所述标准具(3)置于温控模块(12)上。
4.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
所述可调谐F-P滤波器(1-5)置于温控模块(12)上。
5.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
N个传感器通道(7)的N个环形器(5)为规格相同的环形器,或者N个2×1耦合器(13)为规格相同N个2×1耦合器(13)。
6.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
所述N个传感器通道(7)中的一个或多个通道接光开关(6)或分路器,一个接光开关(6)或分路器的通道扩展为n个传感器通道(7),n为2~16的整数。
7.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
所述N个环形器(5)或者N个2×1耦合器(13)所接的光电探测器(8),以及标准具(3)所接的光电探测器(8)为相同的光电探测器;各光电探测器(8)所接的信号调理电路(9)为相同的信号调理电路。
8.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统,其特征在于:
所述可调激光器输出的激光束所接的1×2耦合器(2)分光比为90/10,90%的激光束接入1×N耦合器(4),10%的激光束接入标准具(3)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法,其特征在于:
根据FPGA电路(10)的信号,可调激光器(1)输出周期性扫描的窄带激光,其每个周期扫描的窄带激光波长与各布拉格光纤光栅传感器的特征波长相对应,其扫描波长是从短波长到长波长;该激光束经过1×2耦合器(2)分为2路,其中一路透射标准具(3)进入其对应的光电探测器(8),光电探测器(8)的输出电信号接入其对应的信号调理电路(9);1×2耦合器(2)分出的另一路激光经1×N耦合器(4)分成N路,分别经过环形器(5)或2×1耦合器(13)入射各传感器通道(7)中待测的布拉格光纤光栅传感器,当扫描的入射光与某个布拉格光纤光栅传感器的特征波长相同时被反射,反射回的光波经环形器(5)或2×1耦合器(13)进入该传感器通道(7)对应的光电探测器(8),各相关光电探测器(8)将转换得到的电信号送入对应的信号调理电路(9),各信号调理电路(9)对接收的电信号进行放大、调理及模数转换,FPGA电路(10)采集各信号调理电路(9)所得数字信号,发送到其所连接的工控机(11),工控机(11)对各路信号进行波峰检测;进入校准通道的激光束透射标准具(3),在一个扫描周期中,标准具(3)滤波器透射100个等间隔的波峰,经过其光电探测器(8)所得的在时域上的电信号呈现出波长确定的100个波峰,电信号经过其信号调理电路(9)被FPGA电路(10)采集,发送到工控机(11),工控机(11)根据标准具(3)的电信号确定当前布拉格光纤光栅传感器返回的电信号峰值所对应的时间,得到该布拉格光纤光栅传感器此刻的波长值,进而得到波长变化量;之后根据所得波长变化量按公式计算出该布拉格光纤光栅传感器所处位置的温度或应变值。
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