CN111189556A - 基于awg的实时多通道光纤光栅测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，包括宽带光源、光纤耦合器、多个检测支路和处理器，宽带光源发出的光经光纤耦合器后分为多路，其中每一路分别输入一个检测支路；检测支路中，光从光环形器的第一端口进入，从光环形器的第二端口输出，输出信号经FBG阵列后，输出的满足Bragg条件的光返回光环形器，然后从光环形器的第三端口输出后进入AWG器件，经AWG器件对复合光信号解复用后，将输入光信号分散到AWG器件的各个输出通道输出，最后经数据采集电路采集输出信号得到检测信号，多个检测支路的检测信号经处理器处理得到实时温度信号。本发明实现了多路光信号的同时传感，加快了温度测量的响应速度。

Description

基于AWG的实时多通道光纤光栅测温系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于AWG的实时多通道光纤光栅测温系统。

背景技术

温度是基本热力学性质之一。测温广泛应用于各种工农业，关系到生产安全、产品质量和设备使用寿命。准确、实时地测量温度是非常重要的。温度传感器在众多传感器中占有重要的地位，已形成了一个很大的产业，全球每年直接的或间接的产值可达几十亿美元。目前应用中的温度传感器件主要是热电偶、热敏电阻等电子传感器，它将温度转换成电信号。电子传感器在高压强电磁熔接中的性能受到干扰。当电子传感器应用于实际应用时，由于当地环境和电磁干扰的影响，其性能难以保证正常使用。

光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG)作为一种新型的光无源器件，在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛的关注。随着科学技术的不断发展，适用于各种物理参量测量的光纤光栅传感器陆续研制出来，并且性能也越来越高，光纤光栅传感器的应用领域也越来越广，目前光纤传感技术正向着大规模、高性能、大容量和网络化的方向发展，新一代光纤光栅传感器网络的研究已成为当今科学研究的重点。

传统的光纤光栅解调系统主要采用有源解调法，用单一波长对光谱进行扫描，将光信号按波长依次转换为电信号，其波长扫描基本依赖机械装置驱动光学器件来实现，存在解调速度慢、光谱资源利用率低且灵活性差的问题，阻碍了光纤光栅传感技术的应用。AWG（Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅）是一种角色散型无源器件，具有插入损耗低、信道串扰小、滤波性好、性能长期稳定、易与光纤耦合等优点，因此，有必要提出一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，对温度进行准确、实时地测量。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，以实现动态分布式光纤光栅温度传感器传感信号的实时快速解调。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，包括宽带光源、光纤耦合器、多个检测支路和处理器，其中，每个检测支路均包括光环形器、FBG阵列、AWG器件和数据采集电路，所述宽带光源发出的光经所述光纤耦合器后分为多路，其中每一路分别输入一个检测支路；所述检测支路中，光从光环形器的第一端口进入，从光环形器的第二端口输出，输出信号经FBG阵列后，输出的满足Bragg条件的光返回光环形器，然后从光环形器的第三端口输出后进入所述AWG器件，经所述AWG器件对复合光信号解复用后，将输入光信号分散到AWG器件的各个输出通道输出，最后经所述数据采集电路采集输出信号得到检测信号，多个检测支路的检测信号经所述处理器处理得到实时温度信号。

所述数据采集电路包括光电探测器阵列、信号放大电路、低通滤波电路和AD转换电路，所述光电探测器阵列用于将AWG器件输出的光信号转化为电信号，然后电信号经所述信号放大电路放大、低通滤波电路滤波、AD转换电路转为为数字信号后，在所述处理器中完成数字信号的处理，得到实时温度值。

所述处理器为ARM处理器。

所述FBG阵列包括多个FBG传感器，各个所述FBG传感器的中心波长分别处于AWG器件中不同的两个相邻输出通道的中心波长的中间位置，且所述FBG传感器的波长漂移范围不超出对应的两个相邻输出通道的中心波长。

所述FBG传感器通过单模光纤串接，且所述FBG传感器通过环氧树脂封装在金属外壳中，并进行固化。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于AWG的实时多通道光纤光栅测温系统，可以对温度进行准确、实时地测量；该系统无需依赖机械装置驱动光学器件来工作，可实现传感信号的实时响应对于推动光纤光栅传感器的应用具有十分重要的意义；

2、本发明实现了多路光信号的同时传感，以光无源器件AWG器件作为解调器件，可以加快温度测量的响应速度，避免了有源解调法因扫描光谱而导致系统响应速度慢的问题；传感FBG阵列由多个通过单模光纤串接而成的 FBG 探头串组成，不同通道的传感FBG反射回的光信号是由AWG器件的各个不同通道的进行解调的，因而各通道之间的传感解调相互独立，并且传感FBG的中心波长可以重复利用，大大提高了光谱利用率；

3、本发明中，传感FBG阵列通过环氧树脂封装在金属外壳中，然后进行固化。封装的FBG具有增强的灵敏度的特性，因此提供了可改进的线性度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于AWG的实时多通道光纤光栅测温系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的光电检测电路的结构图：

图3为本发明中AWG波长解调原理图；

图中：1为宽带光源，2为光隔离器，3为光环形器，4为FBG阵列，5为AWG器件，6为信号检测电路，7为ARM处理器，8为计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，包括宽带光源1、光隔离器2、光纤耦合器3、多个检测支路和处理器5，其中，每个检测支路均包括光环形器4、FBG阵列6、AWG器件7和数据采集电路8，所述宽带光源1发出的光经过光隔离器2进行光学隔离后，经所述光纤耦合器3后分为多路，其中每一路分别输入一个检测支路；所述检测支路中，光从光环形器4的第一端口进入，从光环形器4的第二端口输出，输出信号经FBG阵列6后，输出的满足Bragg条件的光返回光环形器4，然后从光环形器4的第三端口输出后进入所述AWG器件7，经所述AWG器件7对复合光信号解复用后，将输入光信号分散到AWG器件7的各个输出通道输出，最后经所述数据采集电路8采集输出信号得到检测信号，多个检测支路的检测信号经所述处理器5处理得到实时温度信号。

其中，光纤耦合器3为1×N的光纤耦合器，宽带光源发出的光经光纤隔离器2后入射到1×N光纤耦合器中，其可以将输入光均匀地分为多光纤耦合器将输入光均匀的分成N路光分别进入到各个通道的光纤环行器，经光纤环行器传输后入射到传感FBG，其中波长满足Bragg条件的光将反射回来，反射光由光纤环行器进入到AWG，由AWG完成对复合光信号的解复用，将输入光信号分散到AWG各输出通道输出，实现波长解调功能。宽带光源可以拓宽FBG阵列的中心波长范围，提高测量精度。

传感光信号在传输过程中，由于存在光纤传输本身带来的损耗和各种光学器件连接引入的插入损耗，使得光电探测器阵列接收到的光信号一般都非常微弱，一般在几十nW到几uW之间，加上外界噪声的干扰，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并滤除掉大部分噪声的待检测信号。因此，本实施例中，如图2所示，所述数据采集电路8包括光电探测器阵列PD、信号放大电路、低通滤波电路和AD转换电路，所述光电探测器阵列用于将AWG器件7输出的光信号转化为电信号，然后电信号经所述信号放大电路放大、低通滤波电路滤波，AD转换电路转为为数字信号后，在所述处理器中完成数字信号的处理，得到实时温度值。

具体地，本发明实施例中，采用深圳众望达光电有限公司生产的ZLS-SLED宽带光源作为系统光源，其输出光信号的中心波长为1545nm，光输出功率典型值为11mW，输出功率稳定性为±0.01dB。光隔离器由上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产，工作中心波长为1550nm，操作带宽为±15nm，插入损耗为0.31dB，最大光功率为500mW。光电探测器阵列选用的是美国THORLABS公司生产的型号为DET08CFC/M的InGaAs光电探测器阵列。处理器选用ARM处理器，其选择STM32F107作为系统的主控芯片，其使用了高性能的ARM Cortex.M3 32位的RISC内核，工作频率可达72MHz，内置了256KB Flash和64KB SRAM。

本发明实施例中，采用光纤耦合器分光的特性和光纤环行器改变光路的特性设计出多路光信号同时传感的光路，为了测试各传感FBG的温度值与AWG对应相邻两输出通道的光强值比取对数的关系。

具体地，本发明实施例中，所述FBG阵列6包括多个FBG 探头，各个所述FBG传感器的中心波长分别处于AWG器件中不同的两个相邻输出通道的中心波长的中间位置，且所述FBG传感器的波长漂移范围不超出对应的两个相邻输出通道的中心波长。所述FBG传感器通过单模光纤串接，且所述FBG传感器通过环氧树脂封装在金属外壳中，并进行固化。

本发明实施例中，FBG的中心波长偏移量由AWG中心波长在FBG中心波长附近的两个相邻输出通道的相对光强变化进行解调。以单个FBG传感器为例，来说明本发明中AWG器件的解调原理。

如图3所示，λ_FBG为第m个FBG传感器的中心波长，第m个FBG中心波长对应的AWG两输出通道为AWG（m）、AWG（m+1），λm、λm+1为AWG相邻两通道m和m+l的中心波长，FBG反射谱与AWG通道透射谱的重叠部分决定了阵列波导光栅通道输出光强的大小，图3中Pm和Pm+1分别为AWG通道m和通道m+l的输出光强。当温度下降时，该FBG传感器中心波长向左移，则AWG通道m的输出光强增强，AWG通道m+l的输出光强减弱；当温度升高时，FBG传感器中心波长向右移，则AWG通道m的输出光强减弱，AWG通道m+l的输出光强增强，则通过AWG器件的通道m和通道m+1的输出光强，即可以解调出传感温度值。此外，本实施例中，光电探测器阵列用于分别探测AWG器件各个通道的输出光强。在AWG输出端通过光电探测器阵列检测各路传感信号的变化，可发现相应AWG相邻两光通道的输出光强将一个减弱一个增强，通过实验拟合得到AWG相邻两通道的输出光强比取对数与传感FBG中心波长值的关系，实验结果表明两者存在一个线性关系，即可通过检测AWG输出通道的光强变化来实现对传感FBG中心波长值的解调。由于各个FBG传感器的反射谱到达AWG的时间不同，因此，每相邻的两个AWG通道即可以解调一个FBG传感器的反射谱，也就是说，本实施例中，FBG阵列中的FBG的数量和AWG中的通道数量可以是一一对应（多1）的关系，即AWG至少需要m+1个通道来解调出包括m个FBG传感器的FBG阵列。

AWG解调原理的分析可知，AWG相邻的两个输出通道唯一地解调一个FBG传感器，FBG 波长漂移范围应保证在AWG相邻的两输出通道中心波长之间，这样可以保证通道间的串扰最小，实现高精度的测量。FBG传感器沿单模光纤串联。FBG反射的光进入AWG，其光谱被划分为相应的通道。一个AWG的每个通道都可以看作是一个窄带通带光谱滤波器，每个通道的检测器读出反映了FBG阵列的一个离散的反射光谱。各个FBG传感器在常温下的中心波长值应尽量处于AWG相邻两输出通道中心波长的中间位置，为了得到每个FBG的温度灵敏度系数和温度测量范围，需要对每个FBG的中心波长值与温度之间的关系进行标定。采用光纤光栅传感分析仪(Si725)和SET高精度数显恒温加热台(SETl010-400W)对FBG各温度值下的中心波长值进行标定，将串联的FBG置于恒温加热台上，可保证FBG不受任何应力干扰。裸FBG的中心波长与温度之间呈很好的线性关系，裸FBG的温度灵敏度为0.00991-0.01013nm/℃之间。为了将光纤光栅作为智能结构中的嵌入式温度传感器，对金属涂层进行了深入的研究，以保护光纤光栅传感器并控制其温度灵敏度。光纤光栅也可以用环氧树脂封装在金属外壳中，然后进行固化。封装的FBG可以增强灵敏度，因此提供了可改进的线性度。将串联的FBG置于恒温加热台上，可保证FBG不受任何应力干扰。当FBG受外界环境温度变化的影响时，FBG的中心波长将发生偏移，即FBG的中心波长受到外界环境温度的调制，FBG将带有传感信息的窄带光信号反射回来，反射光经耦合器传输后入射到AWG，由AWG将不同波长的窄带光分散到相应输出通道输出，测量不同温度下AWG各输出通道的光强值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，其特征在于，包括宽带光源（1）、光纤耦合器（3）、多个检测支路和处理器（5），其中，每个检测支路均包括光环形器（4）、FBG阵列（6）、AWG器件（7）和数据采集电路（8），所述宽带光源（1）发出的光经所述光纤耦合器（3）后分为多路，其中每一路分别输入一个检测支路；所述检测支路中，光从光环形器（4）的第一端口进入，从光环形器（4）的第二端口输出，输出信号经FBG阵列（6）后，输出的满足Bragg条件的光返回光环形器（4），然后从光环形器（4）的第三端口输出后进入所述AWG器件（7），经所述AWG器件（7）对复合光信号解复用后，将输入光信号分散到AWG器件（7）的各个输出通道输出，最后经所述数据采集电路（8）采集输出信号得到检测信号，多个检测支路的检测信号经所述处理器（5）处理得到实时温度信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，其特征在于，所述数据采集电路（8）包括光电探测器阵列、信号放大电路、低通滤波电路和AD转换电路，所述光电探测器阵列用于将AWG器件（7）输出的光信号转化为电信号，然后电信号经所述信号放大电路放大、低通滤波电路滤波、AD转换电路转为为数字信号后，在所述处理器中完成数字信号的处理，得到实时温度值。

3.根据权利要求1所述的一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，其特征在于，所述处理器（5）为ARM处理器。

4.根据权利要求1所述的一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，其特征在于，所述FBG阵列（6）包括多个FBG传感器，各个所述FBG传感器的中心波长分别处于AWG器件中不同的两个相邻输出通道的中心波长的中间位置，且所述FBG传感器的波长漂移范围不超出对应的两个相邻输出通道的中心波长。

5.根据权利要求4所述的一种基于AWG器件的实时多通道光纤光栅测温系统，其特征在于，所述FBG传感器通过单模光纤串接，且所述FBG传感器通过环氧树脂封装在金属外壳中，并进行固化。

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