CN108917976B - 一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，包括光学模块、光纤光栅传感器阵列等；光纤光栅传感器阵列连接光学模块，光学模块连接光源驱动模块，光源驱动模块连接数据采集和处理模块，采集和处理之后的信号送去解调模块进行算法解调，解调之后的温度信息在通过数据采集和处理模块发送至接口通讯模块，通过RS‑422传输到上位机实时显示测量的温度值。本发明基于可调谐光源原理，整体测温装置体积小，集成度高，光路连接简单，可靠性高，测量传感器器件为无源器件，被测点的温度信息通过光纤可以长距离传输和一根纤集成多支传感器等优点，可应用于不同的测量场合，能够避免传统电学温度测量中抗电磁干扰能力差等缺点，实现方法灵活快捷，通用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度测量装置，属于光纤传感设备技术领域。
背景技术
光纤光栅系统作为温度测量的新一代产品，具有测量范围宽、高密度的准分布式优点。准分布式光纤光栅温度测量传感系统可以连续实时测量光纤沿线长达几十米到数公里内各点的温度，间隔可以达到厘米量级，布设灵活重量轻，非常适合用于大型精密结构大范围多点测温的场合。目前，光纤光栅传感在工程结构监测、电力、石油化工、海洋、核能、医学等多个领域有着广泛的应用。
光纤光栅温度测量装置中，光源为其核心部分，用于外部传感器阵列的波长扫描。在实际工程使用中，传统的测量设备内部光路复杂，相关光学器件较多，多个核心器件均采用从国外进口，成本较高，不利于光纤光栅传感在市场上的推广。可调谐光源之前在通信上有成熟的应用，但是其可调谐范围较窄，无法满足光纤光栅传感器大范围扫描的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，成本较低，光路连接方式简单，可靠性高，用体积小巧的光源替代传统的光纤光栅测量，本发明对现有技术进行改进实现了40nm的扫描范围，可对光纤光栅传感器进行高精度大范围的波长扫描，从而实现温度的测量。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，包括光学模块、光纤光栅传感器阵列、光源驱动模块、解调模块、数据采集和处理模块和接口通讯模块；
当被测物体的温度发生变化时，光纤光栅传感器阵列产生反射光信号，发送至光学模块；
光学模块与光纤光栅传感器阵列相连接，光学模块接收光源驱动模块的驱动信号，产生扫频光信号；光学模块接收光纤光栅传感器阵列发送的反射光信号，经过光电探测器转换后发送至光源驱动模块；
光源驱动模块接收来自数据采集和处理模块的模拟电压信号并转换为电流信号，控制光学模块中光源的波长和温度；
数据采集和处理模块输出用于控制光学模块中光源的电压信号到光源驱动模块来控制光源进行波长的扫描；数据采集和处理模块采集经过光源驱动模块处理的光电探测器电压信号后转化成数字信号传输至解调模块，用于解调模块的波长信息解调；数据采集和处理模块接收解调模块发送的温度信息，打包后发送到接口通讯模块；
解调模块处理波长数据，解调模块接收数据采集和处理模块发送的数字信号，对数字信号进行平滑滤波和高斯拟合，计算出光纤光栅传感器阵列产生的反射光光谱的中心波长，并且转换为温度值发送至数据采集和处理模块；
接口通讯模块接收数据采集和处理模块打包后的温度信息，传输至上位机。
所述光纤光栅温度传感器阵包括10个通道，每个通道有10支光纤光栅温度传感器；光纤光栅温度传感器阵通过光纤将测量的温度信号传输至光学模块。
所述光学模块中光源采用可调谐激光器，调谐范围为40nm，输出功率为10dBm。
所述光源驱动模块包括电流源、光源温控电路；光源温控采用温度控制器芯片；电流源将接收到的电压信号转换为电流信号从而调谐光学模块中光源的输出波长和输出功率。
所述数据采集处理模块包括FPGA，ADC和DAC,其中FPGA实现DSP、DAC和ADC之间数据的异步传输，ADC将模拟光功率信号转换为数字信号传输给解调模块处理，DAC将接收到的数字信号转换为电压信号通过光源驱动模块控制光源。
所述解调模块采用DSP对数据进行平滑滤波，插值和高斯拟合处理，解调出每支光纤光栅传感器对应的中心波长。
所述接口通讯模块采用RS-422接口，将温度信息发送给远端上位机实现温度的实时在线测量。
所述光纤光栅传感器阵列每通道的允许输入光的功率范围为-20dBm到+15dBm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明温度测量装置集成度高，体积小巧，对外接口简单，使用方便，通用性强，采用可调谐光源作为核心扫描部件，在满足测量速度和精度的同时，与传统的测量方案相比成本较低，具有广阔的应用前景。
(2)本发明传感器阵列为光纤光栅传感器，不同于传统的热敏电阻等温度传感器，该传感器主要利用光纤反射率受温度影响的原理，采用全光纤介质作为温度敏感源。每一条光纤可以传输多个测温点的信息，距离长达几十米到数公里，布设灵活、重量轻适用于大型多点温度测量的场合。
(3)本发明采用可调谐光源和高速PIN探测器作为主要的测量器件，具有体积小，成本低，抗干扰能力强的优点，实现方法简单快捷，有很强的工程实用性。
(4)本发明采用FPGA和DSP的解调方式，在快速解调反射调光谱信息的同时，实时对ADC、DAC、光源驱动和光源温控进行控制，缩短多路传感器同时温度测量的时间，提升波长解调算法的效率，缩短波长转换为温度的时间，高度的模块集成化，用软件算法替代部分外围硬件电路功能，可以减小设备的体积和空间，提高了设备的集成度。
附图说明
图1为本发明的基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置结构示意图，由图1可知，温度测量装置包括光纤光栅传感器阵列、光学模块、光源驱动模块、解调模块、数据采集和处理模块和接口通讯模块，其中光纤光栅传感器阵列和光学模块相连，光学模块和光源驱动模块相连，数据采集和处理模块和解调模块、光源驱动模块和接口通讯模块相连，具体为：
光纤光栅传感器阵列包括10个通道，每通道有10支光纤光栅温度传感器。通过利用光纤光栅对温度敏感的特点，当被测物体的温度发生变化时，光纤光栅会反射回不同波长的光，反射波长与测量温度具有线性的关系。反射光将被后端光学模块的探测器采集；
光学模块接收光源驱动模块的驱动信号，产生扫频光信号，分光后与光纤光栅传感器阵列相连接。同时用光电探测器采集传感器阵列的反射光谱，转换为电信号，传送至光源驱动模块；
光源驱动模块接收来自数据采集模块的模拟电压信号并转换为电流信号，来驱动可调谐光源，同时对可调谐光源进行温度控制。光源驱动模块对光学模块中光源的波长和温度进行控制同时将光学模块探测到的电信号处理后传输至数据采集和处理模块；
数据采集和处理模块通过使用FPGA控制DAC输出光源所需的驱动信号，并且通过ADC采集经过光源驱动模块处理的电压信号，转化成数字信号传输给解调模块，同时接收解调模块处理后返回的温度信息并发送给接口通讯模块；数据采集和处理模块与光源驱动模块、解调模块、接口通讯模块相连接，通过控制DAC，输出控制光源的电压信号到光源驱动电路来控制光源进行波长的扫描，同时通过ADC采集经过指数放大器处理的探测器电压信号用于解调模块的波长信息解调，采用FPGA接收解调模块发送的温度信息，打包后发送到接口通讯模块传输。本实施例中所用的ADC型号为AD7689，DAC型号为DAC7568，指数放大器的型号为AD8304。
解调模块使用DSP来解调探测器测量返回光的中心波长值，通过插值滤波和高斯拟合计算出具体的温度值发送给信号采集和处理模块，通过信号采集和处理模块和接口通讯模块向上位机传输；解调模块采用DSP处理波长数据，通过接收数据采集和处理模块发送的数字信息，平滑滤波之后，进行高斯拟合计算出光谱的中心波长，并且转换为温度值发送至数据采集和接口模块向上位机传输。
接口通讯模块包括RS-422传输接口，通过与数据处理和采集电路中的FPGA连接，将接收到的信息转换为RS-422传输标准，将数据进行远距离稳定的串行传输。
光纤光栅温度传感器阵中传感器所测量的温度信号主要通过光纤来传输，其中，每一条光纤可以传输多个测温点的信息，发送给远端的解调仪设备。
光学模块中所采用光源与传统光纤光栅测量方案不同，该装置采用的为可调谐激光器，调谐范围为40nm，输出功率为10dBm。
光源驱动模块包括电流源、光源温控电路；光源温度控制采用集成的温度控制器芯片，其功耗低体积小，利于系统的集成，电流源主要功能为将接收到的电压信号转换为电流信号从而调谐光源的输出波长和输出功率。本实施例中，电流源中的运算放大器采用大电流输出、高精度运算放大器为光源的驱动，运算放大器的型号为AD8606。温度控制器芯片的具体型号为ADN8830。
数据采集处理模块包括FPGA，对数放大器和数字模拟转换电路(ADC)和模拟数字转换电路(DAC),其中FPGA主要负责DSP、DAC和ADC之间数据的异步传输，ADC将模拟光功率信号转换为数字信号传输给解调模块处理，DAC将接收到的数字信号转换为电压信号通过光源驱动模块控制光源。
解调模块采用DSP对数据进行平滑滤波，插值和高斯拟合等算法进行处理，解调出每支传感器对应的中心波长。接口通讯模块采用RS-422接口，将温度信息发送给远端上位机实现温度的实时在线测量。
本发明的温度测温装置每通道的允许输入光的功率范围为-20dBm到+15dBm，每通道支持串联10支温度传感器。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，其特征在于：包括光学模块、光纤光栅传感器阵列、光源驱动模块、解调模块、数据采集和处理模块和接口通讯模块；
当被测物体的温度发生变化时，光纤光栅传感器阵列产生反射光信号，发送至光学模块；
光学模块与光纤光栅传感器阵列相连接，光学模块接收光源驱动模块的驱动信号，产生扫频光信号；光学模块接收光纤光栅传感器阵列发送的反射光信号，经过光电探测器转换后发送至光源驱动模块；
光源驱动模块接收来自数据采集和处理模块的模拟电压信号并转换为电流信号，控制光学模块中光源的波长和温度；
数据采集和处理模块输出用于控制光学模块中光源的电压信号到光源驱动模块来控制光源进行波长的扫描；数据采集和处理模块采集经过光源驱动模块处理的光电探测器电压信号后转化成数字信号传输至解调模块，用于解调模块的波长信息解调；数据采集和处理模块接收解调模块发送的温度信息，打包后发送到接口通讯模块；
解调模块处理波长数据，解调模块接收数据采集和处理模块发送的数字信号，对数字信号进行平滑滤波和高斯拟合，计算出光纤光栅传感器阵列产生的反射光光谱的中心波长，并且转换为温度值发送至数据采集和处理模块；
接口通讯模块接收数据采集和处理模块打包后的温度信息，传输至上位机；
所述光纤光栅温度传感器阵列包括10个通道，每个通道有10支光纤光栅温度传感器；光纤光栅温度传感器阵列通过光纤将测量的温度信号传输至光学模块；
所述光源驱动模块包括电流源、光源温控电路；光源温控电路采用温度控制器芯片；电流源将接收到的电压信号转换为电流信号从而调谐光学模块中光源的输出波长和输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，其特征在于：所述光学模块中光源采用可调谐激光器，调谐范围为40nm，输出功率为10dBm。
3.根据权利要求1所述的一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，其特征在于：所述解调模块采用DSP对数据进行平滑滤波，插值和高斯拟合处理，解调出每支光纤光栅传感器对应的中心波长。
4.根据权利要求3所述的一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，其特征在于：所述数据采集和处理模块包括FPGA，ADC和DAC,其中FPGA实现DSP、DAC和ADC之间数据的异步传输，ADC将模拟光功率信号转换为数字信号传输给解调模块处理，DAC将接收到的数字信号转换为电压信号通过光源驱动模块控制光源。
5.根据权利要求4所述的一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，其特征在于：所述接口通讯模块采用RS-422接口，将温度信息发送给远端上位机实现温度的实时在线测量。
6.根据权利要求1所述的一种基于可调谐光源和光纤光栅的温度测量装置，其特征在于：所述光纤光栅传感器阵列每通道的允许输入光的功率范围为-20dBm到+15dBm。
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