CN104748772B - 定位型光纤光栅传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种定位型光纤光栅传感装置，激光器发出光信号至分光器，所述的分光器将光信号等分成两路光分别输送至环形器a和环形器b，所述的环形器a和环形器b输出端连接光纤光栅传感器的两端，所述环形器a的返回端口经光电探测器a连接数据采集器，所述环形器b的返回端口经光电探测器b连接数据采集器，所述数据采集器经数据处理器连接计算机。该装置采用高速AD采集芯片和专用的数据处理FPGA芯片来做数据采集和处理，提高了光纤传感系统的响应速度。利用本方法，在增加很少的硬件的前提下可以实现对光纤光栅传感器进行定位。系统结构简单，系统总体成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感装置，尤其涉及一种双向定位型光纤光栅传感装置。
背景技术
光纤光栅传感器由于其结构简单，探测距离长，不受电磁干扰等特点，已成为近年来国内外的研究热点。光纤光栅传感器是国防、石油管线、电力等领域迫切需求的技术，该技术可以用来实时监测现场的温度、压力、应力等参数的情况。光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
光纤光栅传感装置中，传感器的定位一直是光纤传感网络的技术难点。现有的技术是采用光时域反射技术(OTDR)和波长调制技术相结合的方法实现光纤传感传感器的传感和定位。采用波长调制技术实现光纤光栅传感器对外界参数的测量，采用光时域反射技术实现对光纤光栅传感器的定位。但是，光时域反射技术(OTDR)的实现，需要复杂并且昂贵的脉冲调制器、函数驱动器等组成的控制电路支撑，整个系统成本很高，价格昂贵，适用于高端应用场合，大大限制了光纤光栅传感装置的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种结构精简、系统成本较低的光纤光栅进行定位传感装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：定位型光纤光栅传感装置，激光器发出光信号至分光器，所述的分光器将光信号等分成两路光分别输送至环形器a和环形器b，所述的环形器a和环形器b输出端连接光纤光栅传感器的两端，所述环形器a的返回端口经光电探测器a连接数据采集器，所述环形器b的返回端口经光电探测器b连接数据采集器，所述数据采集器经数据处理器连接计算机。
本发明在增加很少的硬件的前提下可以实现对光纤光栅传感器进行定位，使得系统结构简单，总体成本较低，并且采用高速数据采集芯片和专用FPGA数据处理芯片，提高了光纤传感系统的响应速度。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为定位型光纤光栅传感装置的结构示意图；
图2为定位型光纤光栅传感装置的定位原理图。
具体实施方式
如图1所示，定位型光纤光栅传感装置包括激光器1、分光器2、环形器、光纤光栅传感器5、光电探测器、数据采集器8、数据处理器9、计算机10。其中计算机10和光纤光栅传感器5是外围设备，其他设备是封闭在一个箱体内，计算机10通过数据通信接口和数据处理器9进行通信读取内部数据，并将数据显示在图形界面上。下面对各个部件详细说明：
激光器1，采用可调谐激光器1，实现一定波长范围内的扫描；
光分器2，用于将激光器1输出的光信号分成两路，两路光的分光比为1∶1；
环形器，采用光纤环形器，用于将光纤中返回的光栅反射光分离出来，输出给光电探测器；
光电探测器，采用高灵敏度APD雪崩二极管来探测激光，将光信号转换电信号；
数据采集器8，采用高速数据采集芯片，运行速度为100Mb/s；
数据处理器9，采用高速FPGA处理芯片，实现对后向散射光进行分析和处理；
计算机10，采用工业级计算机10，实现数据的存储和展示。
激光器1为可调谐光源具有波长匀速线性扫描特性，通过设置可调谐光源的波长扫描顺序，分别从短波扫描到长波，输出波长范围为1525nm-1565nm的激光信号，激光器1输出的光信号被光分器2分成均等的两路光，两路光分别经过两个光纤环形器的输入端口输入到光纤光栅传感段。其中环形器a3从光纤光栅传感段的一端输入，环形器b4从光纤光栅传感段的另一端输入，从环形器a3输出的光信号经由光纤光栅传感器5反射回到环形器a3，并由环形器a3的返回端口输送到光电探测器a7，同理，从环形器b4输出的光信号经由光纤光栅传感器5反射回到环形器b4，并由环形器b4的返回端口输送到光电探测器b6，则通过计算光被同一个光纤光栅反射后到达光电探测器a7和光电探测器b6的时间差就可以计算出该光纤光栅传感器5距离探测器的距离。
如图2所示，设光纤光栅传感段的探测距离为2L，某一光纤光栅传感器5距离探测器的距离为X1，该传感器距离光纤光栅传感末端的距离为X2，则有
X2＝L-X1 (1)
光在光纤中的传输速度为V，则可得
V·t1＝X1 (2)
V·t2＝L+X2 (3)
将公式(3)减去公式(2)得到
V(t2-t1)＝L+X2-X1 (4)
将X2＝L-X1、t2-t1＝△t带入公式(4)得：
V·△t＝L+L-X1-X1＝2L-2 X1 (5)
因此，从公式(5)可得光栅传感器距离探测器的距离X1为：
X1＝(2L-V·△t)/2 (6)
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.定位型光纤光栅传感装置，其特征在于：激光器发出光信号至分光器，所述的分光器将光信号等分成两路光分别输送至环形器a和环形器b，所述的环形器a和环形器b输出端连接光纤光栅传感器的两端，所述环形器a的返回端口经光电探测器a连接数据采集器，所述环形器b的返回端口经光电探测器b连接数据采集器，所述数据采集器经数据处理器连接计算机；
所述定位型光纤光栅传感装置的控制方法：
所述光纤光栅传感器距离探测器的距离为X1；
则X1=(2L-V·△t)/2；
其中2L为光纤光栅传感段的总长度；
V为光在光纤中的传输速度；
△t为光纤光栅传感器反射的光到达探测器a和探测器b的时间差。
2.根据权利要求1所述的定位型光纤光栅传感装置，其特征在于：所述的激光器以扫描的方式输出1525nm-1565nm波长范围的激光信号。
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