CN113916271B - 光学传感器寻址芯片、模组、测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种光学传感器寻址芯片、模组、测量系统及测量方法，该寻址芯片包括主光波导入接口、主光波导出接口、第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、连接波导、第一耦合器、第二耦合器、多个第一副光波导出接口及多个第二副光波导出接口。第一阵列波导光栅与主光波导入接口连接；第二阵列波导光栅与主光波导出接口连接；连接波导一端与第一阵列波导光栅连接，另一端与第二阵列波导光栅连接；第一耦合器与连接波导连接；第二耦合器与连接波导连接；多个第一副光波导出接口与第一耦合器连接；多个第二副光波导出接口与第二耦合器连接。本申请光学传感器寻址芯片提供一种简单易行的波长寻址方法，便于光学传感器进行串联复用，实现传感器网络化。

Description

光学传感器寻址芯片、模组、测量系统及测量方法
技术领域
本申请涉及光传感领域，具体而言，涉及一种光学传感器寻址芯片、模组、测量系统及测量方法。
背景技术
光纤传感器因其特有的无源和抗电磁干扰特性，一直被广泛应用于土建、能源及航空航天领域。光纤传感器主要分为三种类型，一是基于光的向后散射原理，将光纤直接作为传感器的分布式光纤传感器；二是基于光纤光栅的准分布式传感器阵列；三是点式光纤传感器。
传感器网络化是数字孪生及物联网的基础，其核心在于数字采集端能够准确和可靠的采集数据，因此需要庞大的传感器网络进行支撑。传感器网络化时，为节省光纤数量，需对光纤传感器进行串联复用，即将多个光纤传感器需串联在一根光纤上使用。
现有技术中，当每个光纤光栅传感器的栅间距均不同时，才可实现串联复用，此种方法中光纤光栅传感器无法实现批量生产。点式光纤传感器实现串联复用困难，原因在于点式光纤传感器没有成熟的光寻址方案，现有的寻址方案为经过光电转换借用电的寻址方法，但此种方法会引入噪声成分且成本昂贵。分布式光纤传感器精度低且价格昂贵。
发明内容
本申请实施方式的目的在于提供一种光学传感器寻址芯片，寻址芯片提供了简单易行的波长寻址方法，便于光学传感器进行串联复用。
本申请实施例提供一种光学传感器寻址芯片，光学传感器寻址芯片包括：主光波导入接口、主光波导出接口、第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、连接波导、第一耦合器、第二耦合器、多个第一副光波导出接口及多个第二副光波导出接口。其中，第一阵列波导光栅与主光波导入接口连接；第二阵列波导光栅与主光波导出接口连接；连接波导一端与第一阵列波导光栅连接，另一端与第二阵列波导光栅连接；第一耦合器与连接波导连接；第二耦合器与连接波导连接；多个第一副光波导出接口与第一耦合器连接；多个第二副光波导出接口与第二耦合器连接。
在一实施例中，第一阵列波导光栅及第二阵列波导光栅的阵列波导数目相同，且与第一副光波导出接口及第二副光波导出接口的接口数目相同。
在一实施例中，第一阵列波导光栅用于将光源分成多个不同预设波长的光波，多个不同预设波长的光波对应多个地址信息。
本申请实施例提供一种光学传感器模组，光学传感器模组包括：上述光学传感器寻址芯片及光学传感器。光学传感器一端与第一预设接口连接，另一端与第二预设接口连接；其中，第一预设接口为多个第一副光波导出接口之一，第二预设接口为多个第二副光波导出接口之一。
本申请实施例提供一种光学传感器测量系统，光学传感器测量系统包括：多个上述光学传感器模组，光纤及终端设备。其中，多个光学传感器模组用于测量待测物理参数；光纤与多个光学传感器模组连接，用于为多个光学传感器模组提供光源；终端设备与光纤连接，且用于接收多个光学传感器模组通过光纤输出的光源，并对光源进行解析，计算待测物理参数的测量值。
在一实施例中，光学寻址芯片的主光波导入接口及主光波导出接口与光纤连接。
在一实施例中，多个光学传感器模组中光学传感器连接于不同的第一预设接口及第二预设接口。
本申请实施例提供一种光学传感器测量方法，应用于上述光学传感器测量系统中，光学传感器测量方法包括：
光纤提供的光源流入多个光学传感器模组的主光波导入接口，并经由第一阵列波导光栅被分为多个不同预设波长的光波，多个不同预设波长的光波进入连接波导中；
任一光学传感器模组中第一预设波长的光波经由第一耦合器及第一预设接口流入光学传感器中，光学传感器通过对第一预设波长的光波进行调制处理完成对待测物理参数的测量；其中，未流入光学传感器的多个预设波长的光波流入第二阵列波导光栅中，第一预设波长的光波为光学传感器提供光源；
测量完毕后任一光学传感器模组中第一预设波长的光波经由第二预设接口及第二耦合器流入第二阵列波导光栅中，由第二阵列波导光栅对不同预设波长的光波进行合波处理，合波处理后的光波经由光纤流入终端设备中。
在一实施例中，光学传感器测量方法还包括：
终端设备接收光纤传输的光波，并对光波进行分波处理得到不同预设波长的光波；
终端设备对不同预设波长的光波进行解调处理，找到任一光学传感器模组中被调制处理的第一预设波长的光波，并根据第一预设波长确定由第一预设传感器模组对第一预设波长的光波进行调制处理；其中，第一预设传感器模组为多个光学传感器模组之一。
在一实施例中，光学传感器测量方法包括：
终端设备获取第一预设波长的光波的调制参数值，并根据调制参数值计算待测物理参数的测量值。
本申请上述实施例提供的技术方案，光学传感器寻址芯片提供了一种简单易行的波长寻址方法，便于光学传感器进行串联复用，利于实现传感器网络化。同时克服了传统光纤光栅传感器进行串联复用时，各光纤光栅传感器需具备不同栅间距的弊端，减小了加工难度，便于批量化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的光学传感器测量系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的第一光学传感器模组310的示意图；
图3为本申请实施例提供的第二光学传感器模组320的示意图；
图4为本申请实施例提供的第三光学传感器模组330的示意图；
图5为本申请实施例提供的光学传感器寻址芯片的示意图；
图6为图5中A处的局部放大示意图；
图7为本申请实施例提供的光学传感器测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行描述。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本申请实施例提供的光学传感器测量系统的示意图。如图1所示，光学传感器测量系统600包括多个光学传感器模组、光纤400及终端设备500。光纤400分别与光学传感器模组及终端设备500连接。
多个光学传感器模组用于测量待测物理参数；光纤400用于为多个光学传感器模组提供光源；终端设备500用于接收多个光学传感器模组通过光纤400输出的光波，并对光波进行解析，计算待测物理参数的测量值；终端设备500为具备数据处理功能的电子设备。
于一测量过程中，光纤400提供的光源流入光学传感器模组中，由多个光学传感器模组完成对不同位置的不同待测物理参数的测量，具体测量方法为对光源信号进行调制处理，测量完毕后被调制处理的光波信号通过光纤400流入终端设备500中。终端设备500对光波信号进行解析，获得待测物理参数的测量值。
光学传感器模组的数量可根据实际需要选择，图1中示例性的列出了光纤400上串联有3个光学传感器模组的情况，此时光纤400上分别串联有第一光学传感器模组310、第二光学传感器模组320及第三光学传感器模组330。第一光学传感器模组310、第二光学传感器模组320及第三光学传感器模组330可测量不同位置的不同待测物理参数。
本实施例中所提供的光学传感器测量系统中，多个光学传感器模组串联在一根光纤上使用，且用于测量不同位置的不同待测物理参数，便于实现传感器网络化。
于一实施例中，图2为本申请实施例提供的第一光学传感器模组310 的示意图。图3为本申请实施例提供的第二光学传感器模组320的示意图。图4为本申请实施例提供的第三光学传感器模组330的示意图。
第一光学传感器模组310、第二光学传感器模组320及第三光学传感器模组330均包括光学传感器寻址芯片100及光学传感器200。光学传感器 200一端与第一预设接口连接，另一端与第二预设接口连接。第一预设接口及第二预设接口均设于光学传感器寻址芯片100上，且均为光学传感器寻址芯片100的输出接口。
光学传感器模组串联复用时，光学传感器模组连接于不同的第一预设接口及第二预设接口。光学传感器寻址芯片100的输出接口携带不同的地址信息，当光学传感器200连接光学传感器寻址芯片100的不同输出接口时，即实现不同的地址选择。如图2、图3及图4所示，光学传感器200分别选择了不同的地址信息。
光学传感器200可以为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器及点式光纤传感器等。
于一实施例中，图5为本申请实施例提供的光学传感器寻址芯片的示意图。图6为图5中A处的局部放大示意图。
光学传感器寻址芯片100包括主光波导入接口1、第一阵列波导光栅2、连接波导3、第一耦合器4、多个第一副光波导出接口5、多个第二副光波导出接口6、第二耦合器7、第二阵列波导光栅8及主光波导出接口9。
第一阵列波导光栅2与主光波导入接口1连接；第二阵列波导光栅8 与主光波导出接口9连接；连接波导3一端与第一阵列波导光栅2连接，另一端与第二阵列波导光栅8连接；第一耦合器4与连接波导3连接；第二耦合器7与连接波导3连接；多个第一副光波导出接口5与第一耦合器4 连接；多个第二副光波导出接口6与第二耦合器7连接；主光波导入接口1及主光波导出接口9与光纤400连接。
如图6所示，图6中输出接口51、输出接口52、输出接口53、输出接口54、输出接口55及输出接口56均为第一副光波导出接口；输出接口61、输出接口62、输出接口63、输出接口64、输出接口65及输出接口66均为第二副光波导出接口。
于一实施例中，第一阵列波导光栅2及第二阵列波导光栅8的阵列波导数目相同，且与第一副光波导出接口5的接口数目及第二副光波导出接口6的接口数目相同。
于一实施例中，第一阵列波导光栅2用于将光源分为不同预设波长的光波，不同预设波长的光波对应不同的波长地址信息。预设波长的光波数目由第一阵列波导光栅2的阵列波导数目决定。其中，阵列波导数目可根据实际需要进行选择，图5中示例性的列出了第一阵列波导光栅2的阵列波导数目为6时的情形，此时光源被分为6个预设的不同波长的光源信息，则此时光学寻址芯片具备6个波长地址信息。
于一实施例中，第一预设接口为多个第一副光波导出接口5之一，第二预设接口为多个第二副光波导出接口6之一。当光学传感器200连接不同的第一预设接口及第二预设接口时，即可实现不同的地址选择。
本实施例中提供的光学传感器寻址芯片可以采用硅微加工工艺制作，可实现批量化生产；且光学传感器寻址芯片采用规律化引脚可实现封装自动化。
图7为本申请实施例提供的光学传感器测量方法的流程示意图，应用于如图2中所示的光学传感器测量系统中。如图6所示，该方法包括以下步骤S210-步骤S250。
步骤S210：光纤提供的光源流入多个光学传感器的主光波导入接口，并经由第一阵列波导光栅被分为多个不同预设波长的光波，多个不同预设波长的光波流入连接波导中。
举例来说，当第一阵列波导光栅的阵列波导数目为6时，光源信号被第一阵列波导光栅2分为波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5及λ6的光波信号，上述不同预设波长的光波信号流入连接波导3中。
步骤S220：任一光学传感器模组中第一预设波长的光波经由第一耦合器及第一预设接口流入光学传感器中，光学传感器通过对第一预设波长的光波进行调制处理完成对待测物理参数的测量。
第一预设波长的光波为流入光学传感器200中的光源信号，为光学传感器200提供光源。
第一预设波长的光波由第一预设接口流入光学传感器200中，其余未流入光学传感器200中的各预设波长的信号由连接波导3流入第二阵列波导光栅8中。
光学传感器200通过对第一预设波长的光波进行调制处理完成对待测物理参数的测量，待测物理参数可以为压力、温度、加速度、位移、转矩、光声、电流和应变等。
举例来说，第一光学传感器模组310中，第一预设接口则为输出接口 51。
第一预设波长的光波为波长为λ1的光波信号，此信号经由第一耦合器 4及输出接口51流入光学传感器200中。光学传感器200对波长为λ1的光波信号进行调制处理，完成对待测物理参数的测量。波长为λ2、λ3、λ4、λ5及λ6的光波信号由连接波导3流入第二阵列波导光栅8中。
举例来说，第二光学传感器模组320中，第一预设接口则为输出接口 52。
第一预设波长的光波为波长为λ2的光波信号，此信号经由第一耦合器 4及输出接口52流入光学传感器200中。光学传感器200对波长为λ2的光波信号进行调制处理，完成对待测物理参数的测量。波长为λ1、λ3、λ4、λ5及λ6的光波信号由连接波导3流入第二阵列波导光栅8中。
步骤S230：测量完毕后任一光学传感器模组中第一预设波长的光波经由第二预设接口及第二耦合器流入第二阵列波导光栅中，由第二阵列波导光栅对不同预设波长的光波进行合波处理，合波处理后的光波经由光纤流入终端设备中。
为便于光纤运输光源信号，光学传感器200测量完待测物理参数后，第二阵列波导光栅8会对不同预设波长的光波信号进行合波处理。
举例来说，第一光学传感器模组310中，第二预设接口为输出接口61。
调制处理后的波长为λ1的光波信号，经由输出接口61及第二耦合器7流入第二阵列波导光栅8中。第二阵列波导光栅8对波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5及λ6的光波信号进行合波处理。合波处理后的光波信号经由主光波导出口 9流入光纤400中，通过光纤400流入终端设备500中。
举例来说，第二光学传感器模组320中，第二预设接口为输出接口62。
调制处理后的波长为λ2的光波信号，经由输出接口62及第二耦合器7流入第二阵列波导光栅8中。
步骤S240：终端设备接收光纤传输的光波，并对光波进行分波处理得到不同预设波长的光波。
举例来说，终端设备接收光纤400传输的光源信号后，会对光波信号进行分波处理，将光波信号分为波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5及λ6的光波信号。
步骤S250：终端设备对不同预设波长的光波进行解调处理，找到任一光学传感器模组中被调制处理的第一预设波长的光波，并根据第一预设波长确定由第一预设传感器模组对第一预设波长的光波进行调制处理。
其中，第一预设波长为第一预设波长的光波的波长，第一预设传感器模组为光纤400上连接的多个光学传感器模组之一。
终端设备500可根据第一波长地址信息完成寻址操作，确定由位于光纤何处的光学传感器模组对第一预设波长的光波进行了调制处理，以确定待测物理参数的测量位置及待测物理参数的参数类型。
举例来说，终端设备分别对波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5及λ6的光波信号进行解调处理，找到被调制处理的波长为λ1、λ2及λ3的光波信号。根据λ1确定第一光学传感器模组310对波长为λ1的光波信号进行了调制处理，根据λ2确定第二光学传感器模组320对波长为λ2的光波信号进行了调制处理，根据λ3确定第三光学传感器模组330对波长为λ3的光波信号进行了调制处理。由此可根据波长地址信息完成对光学传感器模组的寻址操作。
完成寻址操作后，可确定第一光学传感器模组310测量的是位置A处的压强值；第二光学传感器模组320测量的是位置B处的温度值；第三光学传感器模组330测量的是位置C处的速度值。
于一实施例中，终端设备500会获取第一预设波长的光波的调制参数值，并根据调制参数值计算待测物理参数的测量值。
调制参数值的参数类型由光学传感器200的类型确定，如当光学传感器200为光强调制型光纤传感器时，调制参数值即为调制光强值；如当光学传感器200为波长调制型光纤传感器时，调制参数值即为波长偏移值；如当光学传感器200为相位调制型光纤传感器时，调制参数值即为相位调制值。
终端设备500可对调制参数值进行相应转换，从而获取待测物理参数的测量值。
举例来说，在第一光学传感器模组310中，光学传感器200为光强调制型光纤传感器时，终端设备500对调制光强值进行相应转换，可确定位置A处的压强数值。
在第二光学传感器模组320中，光学传感器200为波长调制型光纤传感器时，终端设备500对波长偏移值进行相应转换，可确定位置B处的温度数值。
在第三光学传感器模组330中，光学传感器200为相位调制型光纤传感器时，终端设备500对调制相位值进行相应转换，可确定位置C处的加速度数值。
本申请中提供的光学传感器芯片，提供一种简单易行的波长寻址方法，高度兼容各类光学敏感原理，极大的增加了传感器设计的自由度；同时实现了点式光学传感器的串联复用，便于传感器网络化。
在本申请所提供的几个实施方式中，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (9)

1.一种光学传感器寻址芯片，其特征在于，包括：
主光波导入接口；
主光波导出接口；
第一阵列波导光栅，与所述主光波导入接口连接；所述第一阵列波导光栅用于将光源分成多个不同预设波长的光波，所述多个不同预设波长的光波对应多个地址信息；
第二阵列波导光栅，与所述主光波导出接口连接；
连接波导，一端与所述第一阵列波导光栅连接，另一端与所述第二阵列波导光栅连接；
第一耦合器，与所述连接波导连接；
第二耦合器，与所述连接波导连接；
多个第一副光波导出接口，与所述第一耦合器连接；
多个第二副光波导出接口，与所述第二耦合器连接；
其中，所述光学传感器的一端与所述多个第一副光波导出接口之一连接，所述光学传感器的另一端与所述多个第二副光波导出接口之一连接。
2.根据权利要求1所述的光学传感器寻址芯片，其特征在于，所述第一阵列波导光栅及所述第二阵列波导光栅的阵列波导数目相同，且与所述第一副光波导出接口及所述第二副光波导出接口的接口数目相同。
3.一种光学传感器模组，其特征在于，包括：
权利要求1-2任意一项所述的光学传感器寻址芯片；
光学传感器，一端与第一预设接口连接，另一端与第二预设接口连接；其中，所述第一预设接口为多个第一副光波导出接口之一，所述第二预设接口为多个第二副光波导出接口之一。
4.一种光学传感器测量系统，其特征在于，包括：
多个权利要求3所述的光学传感器模组，多个所述光学传感器模组用于测量待测物理参数；
光纤，与多个所述光学传感器模组连接，用于为多个所述光学传感器模组提供光源；
终端设备，与所述光纤连接，用于接收多个所述光学传感器模组通过所述光纤输出的光源，并对所述光源进行解析，计算所述待测物理参数的测量值。
5.根据权利要求4所述的光学传感器测量系统，其特征在于，光学寻址芯片的主光波导入接口及主光波导出接口与所述光纤连接。
6.根据权利要求4所述的光学传感器测量系统，其特征在于，多个所述光学传感器模组中光学传感器连接于不同的第一预设接口及第二预设接口。
7.一种光学传感器测量方法，其特征在于，应用于权利要求4-6任意一项所述的光学传感器测量系统中，所述方法包括：
光纤提供的光源流入多个光学传感器模组的主光波导入接口，并经由第一阵列波导光栅被分为多个不同预设波长的光波，所述多个不同预设波长的光波进入连接波导中；
任一所述光学传感器模组中第一预设波长的光波经由第一耦合器及第一预设接口流入光学传感器中，所述光学传感器通过对所述第一预设波长的光波进行调制处理完成对待测物理参数的测量；其中，未流入所述光学传感器的多个预设波长的光波流入第二阵列波导光栅中，所述第一预设波长的光波为所述光学传感器提供光源；
测量完毕后任一所述光学传感器模组中所述第一预设波长的光波经由第二预设接口及第二耦合器流入所述第二阵列波导光栅中，由所述第二阵列波导光栅对所述不同预设波长的光波进行合波处理，合波处理后的光波经由所述光纤流入终端设备中。
8.根据权利要求7所述的光学传感器测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述终端设备接收光纤传输的光波，并对光波进行分波处理得到不同预设波长的光波；
所述终端设备对所述不同预设波长的光波进行解调处理，找到任一所述光学传感器模组中被调制处理的所述第一预设波长的光波，并根据所述第一预设波长确定由第一预设传感器模组对所述第一预设波长的光波进行调制处理；其中，所述第一预设传感器模组为所述多个光学传感器模组之一。
9.根据权利要求8所述的光学传感器测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述终端设备获取所述第一预设波长的光波的调制参数值，并根据所述调制参数值计算所述待测物理参数的测量值。
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