CN108332877A - 一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置及方法 - Google Patents

一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置及方法。其中，该光纤光栅测量方法的实现包括光路系统和电路系统。光路系统包括扫描激光器、电光调制器、光纤环行器、探测器、弱反射光纤光栅及传输光缆。电路系统主要包括二次电源电路、扫描激光器驱动及控制电路、探测器及解调测量电路。本发明的脉冲扫描激光器和光时域反射结合的光纤光栅测量方法可实现上千个光纤光栅测点的同时测量，便于光纤光栅传感技术实现对大型结构的分布式精准测量。

Description

一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置及方法
技术领域
本发明属于光纤光栅测量技术领域，具体的，涉及一种光纤光栅的测量装置和方法。
背景技术
光纤光栅传感系统与传统电学传感系统相比具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电气绝缘、多传感器复用等优点。光纤光栅传感系统的优点使它在工程结构监测、电力、石油化工、海洋、医学等多领域都得到了广泛应用。
在工程应用中，由于受到光信号宽度、光信号衰减等技术因素限制，单台光纤光栅测量设备，通常仅能实现对几十至百个左右光纤光栅的同时测量；难于实现几百至上千个测点的光纤光栅测点的同时测量。严重影响光纤光栅传感技术对大型结构的分布式测量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对大规模光纤光栅的测量应用需求，提供一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置及方法，以实现几百至上千个光纤光栅测点同时测量的工程应用需求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，包括：光学系统和电学系统；
所述电学系统实现电源的滤波和电压转换，为所述整个测量装置提供电源，同时电学系统对脉冲扫描激光器进行驱动和控制，对光学系统的弱反射光纤光栅传感器探头反射回的光信号信号进行光电转换及解调运算；
所述光学系统实现光信号的产生、传输、温度或应变量信息的测量，并将包含温度或应变量信息的光信号返回给电路系统。
所述光学系统包括：扫描激光器、光纤环行器、光开关、电光调制器、光纤连接器、弱反射光纤光栅传感器探头和传输光缆；
所述扫描激光器为所述光学系统提供频域窄线宽信号；所述电光调制器将所述扫描激光器输出的频域窄线宽信号进一步调制成时域上的光脉冲信号；所述光纤环行器对来自所述电光调制器的光功率进行分配，传输给所述光开关，并将反射光信号传输给电路系统；所述光开关对来自所述光纤环行器的光信号进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光信号传输给所述光纤连接器；所述光纤连接器进一步将光信号传输给所述传输光纤和弱反射光纤光栅传感器探头；所述传输光缆用于实现所述弱反射光纤光栅传感器探头的光信号传输；所述弱反射光纤光栅传感器探头用于测量待测结构的温度或应变量，并将测量结果通过所述传输光缆传输回所述电路系统进行处理。
所述电路系统包括二次电源电路、扫描激光器驱动及控制电路、探测器及解调测量电路；所述二次电源电路实现电源的滤波和电压转换，为所述整个测量装置提供合适电源；所述扫描激光器驱动及控制电路对脉冲扫描激光器进行驱动和控制；所述探测器及解调测量电路用于对所述弱反射光纤光栅传感器探头反射回的光信号信号进行光电转换及解调运算。
所述二次电源电路包括：滤波器、电源模块、继电器；其中，所述滤波器对外部电源进行滤波处理；所述电源模块实现电源电压的转换；所述继电器接收外部信号，实现所述光纤光栅解调仪的开关机控制。
所述扫描激光器驱动及控制电路包括：FPGA芯片、电流驱动芯片；其中，所述FPGA芯片为所述扫描激光器提供控制信号，为所述电光调制器提供控制信号，并为所述探测器及解调电路提供触发信号；所述电流驱动芯片为所述扫描激光器提供驱动电流。
所述探测器及解调电路包括：FPGA芯片、DSP芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、FPGA配置芯片、程序存储器、光开关驱动电路；其中，所述FPGA芯片为所述电路系统提供控制信号；所述模数转换电路对所述光电二极管的模拟电信号进行采集，并将模拟电信号转换为数字电信号发送给所述FPGA芯片；所述FPGA芯片接收到所述模数转换电路的数字电信号，进行预处理后，发送给所述DSP芯片进行解调运算处理，并将运算结果通过所述通信接口电路发送给外部设备；所述FPGA配置芯片在所述探测器及解调电路通电时将配置信息传输给所述FPGA；所述程序存储器在所述探测器及解调电路通电时将运行程序传输给所述DSP芯片；所述光开关驱动电路对所述光开关进行驱动控制，实现光路通道的切换。
一种利用上述装置进行光纤光栅测量的方法，步骤如下：
1)扫描激光器驱动及控制电路为所述扫描激光器和所述光电调制器提供控制和驱动信号，使所述扫描激光器为所述光学系统输出不同波长的频域窄线宽光信号；
2)光脉冲信号经过所述光纤环行器，传输至光开关；所述探测器及解调测量电路控制所述光开关，选通需要测量的光学通道；
3)光脉冲信号经过光纤连接器、传输光缆，到达光纤上的所述弱反射光纤光栅；所述弱反射光纤光栅将含有温度或应变信息的光信号沿光纤返回至所述探测器及解调电路；
4)所述探测器及解调测量电路对所述弱反射光纤光栅传感器探头反射回的光信号信号进行光电转换；同时记录光信号发出到接受到反射光信号的时间间隔，即确定每个弱反射光纤光栅在传感光纤上的具体位置；当测量系统收集到光纤上不同位置的弱反射光纤光栅的光信号信息后，对不同位置的弱反射光纤光栅的光信号进行独立的判别和解调运算，解算出不同位置的弱反射光纤光栅的测量信息。
所述步骤1)中，所述输出的频域窄线宽光信号的波长间隔为20pm，在进行进一步调制，使所述电光调制器将所述扫描激光器输出的频域窄线宽信号进一步调制成在时域上时间宽度为5ns的光脉冲信号。
一种终端设备，包括存储器、执行机构、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述执行机构和处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述方法的步骤。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)采用弱反射光纤光栅作为测量敏感元件，以便增加同一根光纤上的光纤光栅测点数量。
(2)实现了扫描激光器光信号谱线时域和频域的脉冲化，拓展了扫描激光器在光纤分布式测量中的应用。
(3)采用脉冲扫描激光器和光时域反射相结合的方法实现光纤光栅测量，有效的将扫描激光器对光信号谱线精细测量的优势与光时域反射的时域大长度多光纤光栅测量的优势相融合，既保证了测量方法对上千个光纤光栅测点的同时测量，又保证了光纤光栅测量的精准度。
(4)有效拓展光纤光栅测量的应用范围，弥补了先前光纤光栅测量方法难于实现大范围，分布式测量的不足。
附图说明
图1为本发明一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置的组成示意图。
图2为本发明一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，本发明一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，包括：光学系统和电路系统。
其中，光路系统包括扫描激光器、电光调制器、光纤环行器、光电探测器、弱反射光纤光栅及传输光缆。扫描激光器主要为本测量方法提供频域窄线宽光信号，所述输出的频域窄线宽光信号的波长间隔为20pm。电光调制器将频域窄线宽光信号在时域上调制为时间宽度为5ns的光脉冲。光纤环行器起到将光信号分配到不同光纤的作用。光电探测器用于将弱光纤光栅反射回来的光信号转换为电信号。电路系统主要包括二次电源电路、扫描激光器驱动及控制电路、探测器及解调测量电路。
扫描激光器为所述测量方法提供频域窄线宽光信号，光信号宽度不小于40nm。
光纤环行器对来自所述扫描激光器的光功率进行分配，分别传输给测量光纤，插入损耗不大于1dB。
光开关对来自所述光纤环行器的光信号进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光信号传输给所述光纤连接器。
光纤连接器进一步将光信号传输给所述传输光纤和弱反射光纤光栅。
传输光缆用于实现软反射光纤光栅的光信号传输。
软反射光纤光栅用于测量待测结构的温度或应变量，并将测量结果通过所述传输光缆传输回所述光电探测器进行转换处理，弱反射光纤光栅的反射率约为1％。
具体地，二次电源电路包括：滤波器、电源模块、继电器。滤波器对外部电源进行滤波处理；电源模块实现电源电压的转换；继电器接收外部信号，实现测量系统的开关机控制。
具体地，所述探测器及解调测量电路包括：光电二极管、FPGA芯片、DSP芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、FPGA配置芯片、程序存储器。
FPGA芯片为所述测量方法提供控制信号。
模数转换电路对所述光电探测器的模拟电信号进行采集，并将模拟电信号转换为数字电信号发送给FPGA芯片。
FPGA芯片接收到模数转换电路的数字电信号，进行预处理后，发送给DSP芯片进行解调运算处理，并将运算结果通过所述通信接口电路发送给外部设备。
FPGA配置芯片在探测器及解调电路通电时将配置信息传输给FPGA。
程序存储器在探测器及解调电路通电时将运行程序传输给DSP芯片。
扫描激光器驱动及控制电路对扫描激光器及电光调制器进行驱动控制，实现频域窄线宽光脉冲信号的时序及波长控制。
本发明的测量方法是：测量系统开机工作时，扫描激光器控制电路启动，控制扫描激光器输出不同波长的频域窄线宽光信号，输出频域窄线宽光信号的波长间隔为20pm，窄线宽光信号应覆盖整个激光器光信号宽度。输出每个频域窄线宽光信号后，电路控制电光调制器，使传输到后续光路的频域窄线宽光在时域上调制为时间宽度为5ns的光脉冲。频域窄线宽光脉冲信号沿光路系统传播，遇到光路上的任一个弱反射光纤光栅，光信号将沿光路反射回光电探测器，光电探测器电路实现反射光信号到电信号的转换，同时记录下，光信号发出到接受到反射光信号的时间间隔，即可确定每个弱反射光纤光栅在传感光纤上的具体位置。当测量系统收集到光纤上不同位置的弱反射光纤光栅的光信号信息后，即可对不同位置的弱反射光纤光栅的光信号进行独立的判别和解调运算，解算出不同位置的弱反射光纤光栅的测量信息。测量系统工作流程图如图2。
在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，其特征在于：包括：光学系统和电学系统；所述电学系统实现电源的滤波和电压转换，为所述整个测量装置提供电源，同时电学系统对脉冲扫描激光器进行驱动和控制，对光学系统的弱反射光纤光栅传感器探头反射回的光信号信号进行光电转换及解调运算；所述光学系统实现光信号的产生、传输、温度或应变量信息的测量，并将包含温度或应变量信息的光信号返回给电路系统。
2.根据权利要求1所述的一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，其特征在于：所述光学系统包括：扫描激光器、光纤环行器、光开关、电光调制器、光纤连接器、弱反射光纤光栅传感器探头和传输光缆；
所述扫描激光器为所述光学系统提供频域窄线宽信号；所述电光调制器将所述扫描激光器输出的频域窄线宽信号进一步调制成时域上的光脉冲信号；所述光纤环行器对来自所述电光调制器的光功率进行分配，传输给所述光开关，并将反射光信号传输给电路系统；所述光开关对来自所述光纤环行器的光信号进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光信号传输给所述光纤连接器；所述光纤连接器进一步将光信号传输给所述传输光纤和弱反射光纤光栅传感器探头；所述传输光缆用于实现所述弱反射光纤光栅传感器探头的光信号传输；所述弱反射光纤光栅传感器探头用于测量待测结构的温度或应变量，并将测量结果通过所述传输光缆传输回所述电路系统进行处理。
3.根据权利要求1所述的一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，其特征在于：所述电路系统包括二次电源电路、扫描激光器驱动及控制电路、探测器及解调测量电路；所述二次电源电路实现电源的滤波和电压转换，为所述整个测量装置提供合适电源；所述扫描激光器驱动及控制电路对脉冲扫描激光器进行驱动和控制；所述探测器及解调测量电路用于对所述弱反射光纤光栅传感器探头反射回的光信号信号进行光电转换及解调运算。
4.根据权利要求3所述的一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，其特征在于：所述二次电源电路包括：滤波器、电源模块、继电器；其中，所述滤波器对外部电源进行滤波处理；所述电源模块实现电源电压的转换；所述继电器接收外部信号，实现所述光纤光栅解调仪的开关机控制。
5.根据权利要求3所述的一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，其特征在于：所述扫描激光器驱动及控制电路包括：FPGA芯片、电流驱动芯片；其中，所述FPGA芯片为所述扫描激光器提供控制信号，为所述电光调制器提供控制信号，并为所述探测器及解调电路提供触发信号；所述电流驱动芯片为所述扫描激光器提供驱动电流。
6.根据权利要求3所述的一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置，其特征在于：所述探测器及解调电路包括：FPGA芯片、DSP芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、FPGA配置芯片、程序存储器、光开关驱动电路；其中，所述FPGA芯片为所述电路系统提供控制信号；所述模数转换电路对所述光电二极管的模拟电信号进行采集，并将模拟电信号转换为数字电信号发送给所述FPGA芯片；所述FPGA芯片接收到所述模数转换电路的数字电信号，进行预处理后，发送给所述DSP芯片进行解调运算处理，并将运算结果通过所述通信接口电路发送给外部设备；所述FPGA配置芯片在所述探测器及解调电路通电时将配置信息传输给所述FPGA；所述程序存储器在所述探测器及解调电路通电时将运行程序传输给所述DSP芯片；所述光开关驱动电路对所述光开关进行驱动控制，实现光路通道的切换。
7.一种利用上述装置进行光纤光栅测量的方法，其特征在于步骤如下：
1)扫描激光器驱动及控制电路为所述扫描激光器和所述光电调制器提供控制和驱动信号，使所述扫描激光器为所述光学系统输出不同波长的频域窄线宽光信号；
2)光脉冲信号经过所述光纤环行器，传输至光开关；所述探测器及解调测量电路控制所述光开关，选通需要测量的光学通道；
3)光脉冲信号经过光纤连接器、传输光缆，到达光纤上的所述弱反射光纤光栅；所述弱反射光纤光栅将含有温度或应变信息的光信号沿光纤返回至所述探测器及解调电路；
4)所述探测器及解调测量电路对所述弱反射光纤光栅传感器探头反射回的光信号信号进行光电转换；同时记录光信号发出到接受到反射光信号的时间间隔，即确定每个弱反射光纤光栅在传感光纤上的具体位置；当测量系统收集到光纤上不同位置的弱反射光纤光栅的光信号信息后，对不同位置的弱反射光纤光栅的光信号进行独立的判别和解调运算，解算出不同位置的弱反射光纤光栅的测量信息。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅测量的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述输出的频域窄线宽光信号的波长间隔为20pm，在进行进一步调制，使所述电光调制器将所述扫描激光器输出的频域窄线宽信号进一步调制成在时域上时间宽度为5ns的光脉冲信号。
9.一种终端设备，包括存储器、执行机构、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述执行机构和处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求7或8所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现如权利要求7或8所述方法的步骤。
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