CN115452017A - 一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅传感技术领域的基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，旨在解决现有技术中光纤光栅传感系统无法解调高速动态信号，面对大型项目需提升解调速度的问题。其包括FPGA主控板，FPGA主控板用于控制整个传感系统的运行与停止；扫频激光器用于输出激光，分别经过参考光路单元和光纤光栅阵列单元，传输至解调模块单元；解调模块单元用于将参考光路单元与光纤光栅阵列单元的传感信号解调处理后传输至上位机软件系统；本发明适用于光纤光栅传感工作，通过扫频激光器提供扫频激光，既可以充当光源的角色，降低光纤光栅传感系统的成本，也能应用到解调技术上，使解调速度进一步提升，能适用于海量数据信息的快速获取与处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，属于光纤光栅传感技术领域。
背景技术
基于光纤光栅的传感结构，通过将反射光的光谱信息进行解调便可以直接或间接获取被测点处的变化情况，使用传统的宽带光源与光谱仪搭建光纤传感系统可以实现几KHz的数据解调能力，当面对一些大型基础设施或者整个工厂机械设备要对数百个测量点数据进行解调时，传统的搭建方法已经无法适用，灵敏度也会大打折扣，而且光谱仪或其他传统的解调设备体积过于庞大，在实际工程应用中会增添许多麻烦。
目前光纤光栅传感系统的解调方法有很多，但都存在诸多缺点，例如光谱仪检测法可以直接获取信号的光谱图进而获知各参量数据，但由于其体积庞大，价格昂贵，只适用于实验室的研究人员进行使用；匹配滤波法可以通过一个参考光栅来对反射光信号进行解调，但其解调范围过小，往往只有几nm；可调谐法布里-珀罗滤波法使用法布里-珀罗滤波器，当其透射波长与光纤光栅反射光的中心波长正好匹配时，光电探测器可以接收到最强光强进而解调出反射光信号的中心波长，但其只适用于静态信号的解调。
现有的光纤光栅传感系统无法解调高速动态信号，面对大型项目需提升解调速度，并且现有系统体积过大，集成化程度低，为了实现对多点数据的快速收集与精确监测有必要设计一种可以提供足够的信号强度、带宽和较快出光速度的光源和一种快速对光纤光栅中心波长解调的设备来提升光纤光栅传感系统整体的数据获取能力，同时推动解调设备向集成化与小型化发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，解决现有的光纤光栅传感系统无法解调高速动态信号，面对大型项目需提升解调速度的问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，包括FPGA主控板、扫频激光器、参考光路单元、光纤光栅阵列单元、解调模块单元与上位机软件系统；
所述FPGA主控板用于控制整个传感系统的运行与停止；
所述扫频激光器连接所述参考光路单元和所述光纤光栅阵列单元，在运行状态下输出可调谐激光，分别经过所述参考光路单元和所述光纤光栅阵列单元，传输至所述解调模块单元；
所述解调模块单元用于将所述参考光路单元与所述光纤光栅阵列单元的传感信号解调处理后传输至所述上位机软件系统，实现对环境的传感与监测。
进一步的，所述扫频激光器包括法布里珀罗滤波器、第一光纤耦合器、半导体光放大器、第二光纤耦合器、滤波器控制电路和半导体光放大器驱动电路，所述法布里珀罗滤波器、所述第一光纤耦合器和所述半导体光放大器依次通过单模光纤连接形成环形腔，所述第二光纤耦合器用于对环形腔的出射激光进行分光，使其分别进入所述参考光路单元和所述光纤光栅阵列单元，所述滤波器控制电路用于驱动所述法布里珀罗滤波器并控制所述法布里珀罗滤波器的温度，所述半导体光放大器驱动电路用于驱动所述半导体光放大器并控制所述半导体光放大器的温度，所述半导体光放大器的两端均装有光隔离器，用于实现激光在腔内的单向传输，避免模式竞争。
进一步的，所述环形腔的物理长度为25-27cm。
进一步的，所述法布里珀罗滤波器使用铌酸钾钠压电陶瓷与AL2O3增透膜；铌酸钾钠压电陶瓷的压电系数为330pC/N、机电耦合系数为0.61、居里温度为220℃，F-P腔的调谐速度小于50ns，插入损耗为0.3db，精细度为5000，带宽为0.012nm，中心波长峰值透过率为99.7％；
所述扫频激光器可提供扫频速度为3MHz、输出功率为50mw、中心波长为1230-1390nm范围内的扫频激光，所述扫频激光器输出激光的中心波长y与所述法布里珀罗滤波器驱动电压x的关系是y＝1236.83024+3.41476x。
进一步的，所述参考光路单元包括光环形器一和与所述光环形器一连接的光纤光栅传感器，所述光环形器一包括一端口、二端口和三端口，所述一端口为扫频激光入射端口，扫频激光经所述二端口出射进入所述光纤光栅传感器后，其反射光经过所述三端口出射至所述解调模块单元进行解调。
进一步的，所述光纤光栅阵列单元包括多个光环形器二和与所述光环形器二连接的多通道光纤光栅传感器；所述光环形器二包括四端口、五端口和六端口；所述四端口为扫频激光入射端口，扫频激光经所述五端口出射进入所述多通道光纤光栅传感器后，其反射光经过所述六端口出射至解调模块单元进行解调。
进一步的，所述解调模块单元包括依次连接的光电转换模块、滤波放大模块、A/D数据采样模块和串口通信模块，反射光首先进入所述光电转换模块将光信号转为电压信号，之后输入到所述滤波放大模块中对信号进行整形放大，再经过所述A/D数据采样模块将模拟信号转换为数字信号，最终通过所述串口通信模块将信号传输至所述上位机软件系统进行处理。
进一步的，所述光纤光栅传感器的中心波长固定，在所述上位机软件系统中设定所述参考光路单元中心波长解调数据的默认值，当所述光纤光栅传感器的解调数据与默认值不一致时，对于所述解调模块单元进行误差补偿。
进一步的，所述上位机软件系统用于在数据处理后，实时显示解调信息。
进一步的，所述光电转换模块使用PbSe雪崩光电二极管，缓冲层、倍增层、电荷层中Si的浓度掺杂分别为1.1×1018cm-3、0.35×1016cm-3、8×1016cm-3，吸收层为PbSe薄膜，PbSe薄膜活性度面积为0.5×0.5mm2，厚度为36μm，模块响应度为20A/W，转换增益为1×105mV/mW，噪声等效功率为1pW/√Hz。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、该基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，通过扫频激光器提供扫频激光，既可以充当光源的角色，进一步降低光纤光栅传感系统的成本，也能应用到解调技术上，使解调速度进一步提升，能适用于海量数据信息的快速获取与处理；
2、本发明通过滤波器控制电路和半导体光放大器驱动电路配合，对扫频激光器进行控制以减小温漂的影响，使标定的扫频激光器输出激光的中心波长与法布里珀罗滤波器驱动电压的线性关系更加精确进而提升光纤光栅阵列单元中心波长解调的精确度，同时在设计时将各驱动电路与信号发生电路进行集成化设计，进一步减小光源与解调设备的体积，使其适用于实际工程应用的场景；
3、本发明通过将参考光路单元中光纤光栅传感器的中心波长固定，当外界环境变化时，将解调数据与默认值进行对比，对于解调模块单元进行误差补偿，从而避免外界环境对于解调工作的影响，确保了解调数据的精确性，保证了装置的工作效果。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统的系统示意图；
图2是根据本发明实施例提供的扫频激光器的系统示意图；
图3是根据本发明实施例提供的扫频激光器输出激光的中心波长与法布里珀罗滤波器驱动电压的线性关系示意图。
图中：1、FPGA主控板；2、扫频激光器；3、参考光路单元；4、光纤光栅阵列单元；5、解调模块单元；6、上位机软件系统；21、法布里珀罗滤波器；22、第一光纤耦合器；23、半导体光放大器；24、第二光纤耦合器；25、滤波器控制电路；26、半导体光放大器驱动电路；31、光环形器一；32、光纤光栅传感器；41、光环形器二；42、多通道光纤光栅传感器；51、光电转换模块；52、滤波放大模块；53、A/D数据采样模块；54、串口通信模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，包括FPGA主控板1、扫频激光器2、参考光路单元3、光纤光栅阵列单元4、解调模块单元5与上位机软件系统6；所述FPGA主控板1用于控制整个传感系统的运行与停止；所述扫频激光器2连接所述参考光路单元3和所述光纤光栅阵列单元4，在运行状态下输出可调谐激光，分别经过所述参考光路单元3和所述光纤光栅阵列单元4，传输至所述解调模块单元5；所述解调模块单元5用于将所述参考光路单元3与所述光纤光栅阵列单元4的传感信号解调处理后传输至所述上位机软件系统6，实现对环境的传感与监测。
具体的，本发明使用了自行搭建的扫频激光器2，提供扫频激光，既可以充当光源的角色，进一步降低光纤光栅传感系统的成本，也能应用到解调技术上，使解调速度进一步提升，能适用于海量数据信息的快速获取与处理，其中，扫频激光器2可提供扫频速度为3MHz、输出功率为50mw、中心波长为1230-1390nm范围内的扫频激光，所述扫频激光器2输出激光的中心波长y与所述法布里珀罗滤波器21驱动电压x的关系是y＝1236.83024+3.41476x，从而具有更好的性能。
一种实施例，所述扫频激光器2包括法布里珀罗滤波器21、第一光纤耦合器22、半导体光放大器23、第二光纤耦合器24、滤波器控制电路25和半导体光放大器驱动电路26，所述法布里珀罗滤波器21、所述第一光纤耦合器22和所述半导体光放大器23依次通过单模光纤连接形成环形腔，所述第二光纤耦合器24用于对环形腔的出射激光进行分光，使其分别进入所述参考光路单元3和所述光纤光栅阵列单元4，所述滤波器控制电路25用于驱动所述法布里珀罗滤波器21并控制所述法布里珀罗滤波器21的温度，所述半导体光放大器驱动电路26用于驱动所述半导体光放大器23并控制所述半导体光放大器23的温度，所述半导体光放大器23的两端均装有光隔离器，用于实现激光在腔内的单向传输，避免模式竞争。
其中，可选的，半导体光放大器驱动电路26使用FP7103压控恒流源芯片并自行设计外围电路为半导体光放大器23进行电流驱动，使用MAX1968温控芯片并自行设计外围电路使半导体光放大器23工作在最有益的状态下，保证了装置的工作效果；法布里珀罗滤波器21使用铌酸钾钠压电陶瓷与AL2O3增透膜，其中，铌酸钾钠压电陶瓷的压电系数为330pC/N、机电耦合系数为0.61、居里温度为220℃，F-P腔的调谐速度小于50ns，插入损耗为0.3db，精细度为5000，带宽为0.012nm，中心波长峰值透过率为99.7％，从而具有更好的工作性能，本发明通过滤波器控制电路25和半导体光放大器驱动电路26配合，对扫频激光器2进行控制以减小温漂的影响，使标定的扫频激光器2输出激光的中心波长与法布里珀罗滤波器21驱动电压的线性关系更加精确进而提升光纤光栅阵列单元4中心波长解调的精确度，同时在设计时将各驱动电路与信号发生电路进行集成化设计，进一步减小光源与解调设备的体积，使其适用于实际工程应用的场景。
在本实施例中，所述环形腔的物理长度为25-27cm。
具体地，光在环形腔中传播一圈的时间约为：
其中，L为环形腔的物理长度，n为折射率，C为光的传播速度；
则从短波到长波的平均扫描速度和瞬时最快扫描速度：
其中，RS为扫描范围，f为驱动信号的频率；
则光子在环形腔内历经的圈数为：
其中，B为一个频谱带宽；
其中需满足N>1，才可表明法布里珀罗滤波器21在扫描过程中，同一光子经过放大后可以再次通过法布里珀罗滤波器21，这是环形腔内能形成扫频激光的重要前提，因为要获得足够的受激辐射放大，具体的，首先环形腔中在半导体光放大器23的作用下产生自发辐射光，自发辐射光一小部分依次经过第一光纤耦合器22和第二光纤耦合器24输出，剩余的绝大部分通过法布里珀罗滤波器21滤波后，沿着环形腔光路进入半导体光放大器23输入端，自发辐射光被半导体光放大器23放大后，再次进入光路，之后多次进入半导体光放大器23进行增益放大，当增益大于损耗时形成稳定的扫频激光输出，改变法布里珀罗滤波器21的调谐电压，可改变法布里珀罗滤波器21的谐振腔，实现扫频激光器2输出波长的改变，从而实现扫频功能。
一种实施例，所述参考光路单元3包括光环形器一31和与所述光环形器一31连接的光纤光栅传感器32，所述光环形器一31包括一端口、二端口和三端口，所述一端口为扫频激光入射端口，扫频激光经所述二端口出射进入所述光纤光栅传感器32后，其反射光经过所述三端口出射至所述解调模块单元5进行解调，所述光纤光栅传感器32的中心波长固定，在所述上位机软件系统6中设定所述参考光路单元3中心波长解调数据的默认值，当所述光纤光栅传感器32的解调数据与默认值不一致时，对于所述解调模块单元5进行误差补偿。
可选的，所述光纤光栅传感器32的中心波长固定为1310nm。
一种实施例，所述光纤光栅阵列单元4包括多个光环形器二41和与所述光环形器二41连接的多通道光纤光栅传感器42；所述光环形器二41包括四端口、五端口和六端口；所述四端口为扫频激光入射端口，扫频激光经所述五端口出射进入所述多通道光纤光栅传感器42后，其反射光经过所述六端口出射至解调模块单元5进行解调。
具体的，当外界由于室温变化等对于扫频激光器2的工作产生影响时，相同电压下，扫频激光器2输出激光的中心波长不同，影响解调工作的进行，本发明通过参考光路单元3，光纤光栅传感器32的中心波长固定，对其进行解调从而得到解调数据的默认值，当外界环境变化时，再次对其进行解调，当解调数据与默认值不同时，对于解调模块单元5进行误差补偿，从而避免外界环境对于解调工作的影响，确保了解调数据的精确性，保证了装置的工作效果。
一种实施例，所述解调模块单元5包括依次连接的光电转换模块51、滤波放大模块52、A/D数据采样模块53和串口通信模块54，反射光首先进入所述光电转换模块51将光信号转为电压信号，之后输入到所述滤波放大模块52中对信号进行整形放大，再经过所述A/D数据采样模块53将模拟信号转换为数字信号，最终通过所述串口通信模块54将信号传输至所述上位机软件系统6进行处理。
其中，光电转换模块51使用PbSe雪崩光电二极管，缓冲层、倍增层、电荷层中Si的浓度掺杂分别为1.1×1018cm-3、0.35×1016cm-3、8×1016cm-3，吸收层为PbSe薄膜，PbSe薄膜活性度面积为0.5×0.5mm2，厚度为36μm，模块响应度为20A/W，转换增益为1×105mV/mW，噪声等效功率为1pW/√Hz，使用PbSe薄膜制作的雪崩二极管，具有响应速度快，光电流反应速度敏捷的优点，可以进一步提升解调设备的解调速度与准确性；可选的，选用AD9708数模转换芯片，具有高性能，低功耗，小型封装的优势。
一种实施例，所述上位机软件系统6用于在数据处理后，实时显示解调信息，具体的，上位机软件系统6数据处理的原理是，当扫频激光器2输出激光的中心波长与光纤光栅阵列单元4中心波长相对应时反射光的光强最大，使用寻峰算法寻找到光强最强点时对法布里珀罗滤波器21的驱动信号的电压进行标记，进而获知光强最强时扫频激光器2输出激光的中心波长，最终解调出反射光的中心波长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，包括FPGA主控板(1)、扫频激光器(2)、参考光路单元(3)、光纤光栅阵列单元(4)、解调模块单元(5)与上位机软件系统(6)；
所述FPGA主控板(1)用于控制整个传感系统的运行与停止；
所述扫频激光器(2)连接所述参考光路单元(3)和所述光纤光栅阵列单元(4)，在运行状态下输出可调谐激光，分别经过所述参考光路单元(3)和所述光纤光栅阵列单元(4)，传输至所述解调模块单元(5)；
所述解调模块单元(5)用于将所述参考光路单元(3)与所述光纤光栅阵列单元(4)的传感信号解调处理后传输至所述上位机软件系统(6)，实现对环境的传感与监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述扫频激光器(2)包括法布里珀罗滤波器(21)、第一光纤耦合器(22)、半导体光放大器(23)、第二光纤耦合器(24)、滤波器控制电路(25)和半导体光放大器驱动电路(26)，所述法布里珀罗滤波器(21)、所述第一光纤耦合器(22)和所述半导体光放大器(23)依次通过单模光纤连接形成环形腔，所述第二光纤耦合器(24)用于对环形腔的出射激光进行分光，使其分别进入所述参考光路单元(3)和所述光纤光栅阵列单元(4)，所述滤波器控制电路(25)用于驱动所述法布里珀罗滤波器(21)并控制所述法布里珀罗滤波器(21)的温度，所述半导体光放大器驱动电路(26)用于驱动所述半导体光放大器(23)并控制所述半导体光放大器(23)的温度，所述半导体光放大器(23)的两端均装有光隔离器，用于实现激光在腔内的单向传输，避免模式竞争。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述环形腔的物理长度为25-27cm。
4.根据权利要求2所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述法布里珀罗滤波器(21)使用铌酸钾钠压电陶瓷与AL2O3增透膜；铌酸钾钠压电陶瓷的压电系数为330pC/N、机电耦合系数为0.61、居里温度为220℃，F-P腔的调谐速度小于50ns，插入损耗为0.3db，精细度为5000，带宽为0.012nm，中心波长峰值透过率为99.7％；
所述扫频激光器(2)可提供扫频速度为3MHz、输出功率为50mw、中心波长为1230-1390nm范围内的扫频激光，所述扫频激光器(2)输出激光的中心波长y与所述法布里珀罗滤波器(21)驱动电压x的关系是y＝1236.83024+3.41476x。
5.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述参考光路单元(3)包括光环形器一(31)和与所述光环形器一(31)连接的光纤光栅传感器(32)，所述光环形器一(31)包括一端口、二端口和三端口，所述一端口为扫频激光入射端口，扫频激光经所述二端口出射进入所述光纤光栅传感器(32)后，其反射光经过所述三端口出射至所述解调模块单元(5)进行解调。
6.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述光纤光栅阵列单元(4)包括多个光环形器二(41)和与所述光环形器二(41)连接的多通道光纤光栅传感器(42)；所述光环形器二(41)包括四端口、五端口和六端口；所述四端口为扫频激光入射端口，扫频激光经所述五端口出射进入所述多通道光纤光栅传感器(42)后，其反射光经过所述六端口出射至解调模块单元(5)进行解调。
7.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述解调模块单元(5)包括依次连接的光电转换模块(51)、滤波放大模块(52)、A/D数据采样模块(53)和串口通信模块(54)，反射光首先进入所述光电转换模块(51)将光信号转为电压信号，之后输入到所述滤波放大模块(52)中对信号进行整形放大，再经过所述A/D数据采样模块(53)将模拟信号转换为数字信号，最终通过所述串口通信模块(54)将信号传输至所述上位机软件系统(6)进行处理。
8.根据权利要求5所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(32)的中心波长固定，在所述上位机软件系统(6)中设定所述参考光路单元(3)中心波长解调数据的默认值，当所述光纤光栅传感器(32)的解调数据与默认值不一致时，对于所述解调模块单元(5)进行误差补偿。
9.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述上位机软件系统(6)用于在数据处理后，实时显示解调信息。
10.根据权利要求7所述的一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统，其特征在于，所述光电转换模块(51)使用PbSe雪崩光电二极管，缓冲层、倍增层、电荷层中Si的浓度掺杂分别为1.1×1018cm-3、0.35×1016cm-3、8×1016cm-3，吸收层为PbSe薄膜，PbSe薄膜活性度面积为0.5×0.5mm2，厚度为36μm，模块响应度为20A/W，转换增益为1×105mV/mW，噪声等效功率为1pW/√Hz。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211011931.2A CN115452017A (zh) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | 一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202211011931.2A CN115452017A (zh) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | 一种基于扫频激光器的光纤光栅传感系统 |
Publications (1)
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| CN115452017A true CN115452017A (zh) | 2022-12-09 |
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN115452017A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116907556A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-10-20 | 武汉理工大学 | 分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法 |
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2022
- 2022-08-23 CN CN202211011931.2A patent/CN115452017A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116907556A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-10-20 | 武汉理工大学 | 分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法 |
| CN116907556B (zh) * | 2023-09-11 | 2024-04-16 | 武汉理工大学 | 分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法 |
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