CN1888834A - 一种光纤光栅传感器波长测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅波长测量系统，该系统主要由DFB激光器、温度调谐电路、电流调谐电路、光电调制器、调制电路、光电探测器模块、高速采样电路、微处理器、显示部分、分路器、连接光纤组成。本发明通过使用DFB激光器对光纤光栅传感器的波长进行测量，使得成本大大降低，可用于温度检测、建筑物的应力、应变的测量、等所有适合光纤光栅传感器测量的场合。相对目前市场上的解调方法，本发明使用的元器件少，容易实现，容易形成大规模的生产。

Description

一种光纤光栅传感器波长测量系统

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种对光纤光栅传感器的波长进行测量的测量系统。

背景技术

随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应用提供了技术平台，光纤光栅就是其中之一。随着光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入，以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域中的又一大热点。

同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势：

1)光纤光栅传感器采用的是全光测量，能实现更远距离的测量，且不受外界环境的干扰，能在电磁干扰强烈的环境(高压电缆，高压开关柜)下准确测量；

2)传感器检出量是传感器的波长信息，属于数字量，不受接头损耗、光缆弯曲损耗等因素的影响；

3)传感器的敏感元件为光纤光栅(主要成分为SiO2)，是电的不良导体，不会导致被测空间内电场畸变、爬电等而威胁到设备安全和人身安全；

4)准分布式测量，一根光纤上可以串接多个光纤光栅传感器，易于工程安装；

5)光纤光栅传感器结构轻巧，可实现无零点漂移测量，精度高。

由于这些优势，使得光纤光栅传感器的应用范围非常广，在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全、温度及应变监测。

1)在桥梁、建筑及大坝中的应用：光纤光栅应变传感器提供了一种用于公路及桥梁、建筑、堤坝的健康监测的方法，而且也可以为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实现动态测量，采用分布式埋入可以实现对整个桥梁或建筑物的健康状况监测，从而防止工程及交通事故的发生。

2)在航空航天中的应用：在航空航天领域，飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤光栅传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高等优点，将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中，组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。

3)在海洋石油平台及油田等中的应用：海洋石油平台是海上石油资源开发的重大基础性设施，是海上生产作业和生活的基础。海洋平台结构所处环境十分复杂、恶劣，在其影响下，海洋平台结构的抗力衰减非常明显，而传统的电传感器只能进行单点测量，而且易受海水侵蚀而失效。

由于光纤光栅传感器对电磁场及电流不敏感，而且可以构成分布传感网络，因此它可以应用于一些传统的电传感器所不能应用的领域，如油田、天然气田及煤田等，用于探测储量及地层状况等。在原油或者成品油等需要实时温度监测的环境中，传感器本身传输光信号，不会产生火灾安全隐患。

目前，光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。

对于光纤光栅传感器，国内已经解决了光纤光栅照射技术，现在的研究重点在于传感网络的信号解调与分析，因为光纤光栅传感器变化量为波长，所以要采用相应的波长探测计或光频谱分析仪来检测，或者对传感网络中的波长进行精确控制。对于多通道传感网络，要实现对大型传感网络数据的处理，就要采用一些相应的复杂的设备，但这些设备造价通常比较昂贵，如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，通过使用DFB激光器对光纤光栅传感器的波长进行测量，大大降低了成本。

本发明技术方案如下：

一种光纤光栅传感器波长测量系统，由DFB激光器、温度调谐电路、电流调谐电路、光电探测模块、高速采样电路、微处理器、显示部分、分路器、连接光纤等组成；还可以根据需要在系统中加入光电调制器、调谐电路。

所述DFB激光器可以只连接温度调谐电路或只连接电流调谐电路来进行波长测量，也可以将温度调谐电路和电流调谐电路组合使用来进行波长测量。

DFB激光器的光输出端可以连接光电调制器和调制电路或者只只连接调制电路来达到测量波长的目的，这种情况下每一个通道可以串接1个或多个传感器。

DFB激光器也可以直接通过调制电路调制DFB激光器达到调制的目的，这种情况下每一个通道可以串接1个或多个传感器。

在使用电流调谐电路进行调谐时，输出光的功率随电流的变化而变化；可以以DFB激光器的背光作为参考光，通过被测光纤光栅传感器反射光的光功率与DFB激光器的背光光功率的比值来反映被测光纤光栅传感器反射光的功率变化，用这两种光的比值来分析、计算被测光纤光栅的光谱和波长值。在DFB激光器的输出光通过分路器后，将其中任意一路光作为参考光，这一路光不再连接被测传感网络，通过被测光纤光栅传感器反射光的功率与DFB激光器的背光光功率的比值来反映被测光纤光栅的功率变化，再用这两种光的比值来分析、计算被测光纤光栅的光谱和波长值。

所述高速采样电路包括A/D转换；所述微处理器控制温度调谐电路、电流调谐电路、调制电路、调制电路与高速采样的同步以及数据采集完成后的光谱分析、波长计算；所述DFB激光器输出的激光经光电调制器后可以与1×N分路器连接；可以将所述分路器的一个分支上连接的被测光纤光栅传感器网络替换成一个标准参考光纤光栅或者类似光纤光栅反射信号的器件的标准通道；也可以在所述分路器的一个分支上连接的被测光纤光栅传感器网络中加入一个标准参考光纤光栅或者类似光纤光栅反射信号的器件的标准通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明中的测量系统通过使用DFB激光器对光纤光栅传感器的波长进行测量，大大降低了成本；

2)可用于温度检测、建筑物的应力、应变的测量、等所有适合光纤光栅传感器测量的场合；

3)相对目前市场上的解调方法，本发明使用的元器件少，容易实现，容易形成大规模的生产。

附图说明

图1二通道光纤光栅传感器波长测量原理图；

图2DFB激光器的温度与波长关系示意图；

图3DFB激光器的电流与波长关系示意图；

图4温度调谐时某一光纤光栅传感器反射的光功率与激光器温度关系示意图；

图5温度调谐时某一个光纤光栅传感器反射的光功率与输入光的波长的关系示意图。

具体实施方式

现结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

以下以二通道为例，说明实现对光纤光栅传感器的波长测量。其原理图如图1所示。其中，1代表微处理器，2代表DFB激光器，3代表电流调谐电路，4代表温度调谐电路，5电光调制器，6代表调制电路，7代表1×N分路器，8代表光电探测模块，9代表高速采样电路，10代表1×2分路器，11被测光纤光栅传感器网络，12代表LCD显示。

系统包含A、B两个部分，由DFB激光器2、温度调谐电路4、电流调谐电路3、调制电路6、光电调制器5、光电探测模块8、高速采样电路9、微处理器1、1×2分路器10、1×N分路器7、被测光纤光栅传感器网络11、LCD显示12组成。其中所有1×2分路器10的插入损耗理论值均为3dB。

DFB激光器2的波长对温度和电流敏感，通过改变激光器2内部的温度或者加在激光器2上的电流，可改变DFB激光器2的波长。DFB激光器2的温度与波长关系可以由图2反映出来，其中：纵轴代表波长，单位为nm，横轴代表温度，单位为℃。不同厂家的激光器的温度敏感性会稍有不同。

DFB激光器2的电流与波长关系可以由图3反映出来，其中：纵轴代表波长，单位为nm，横轴代表电流，单位为mA。不同厂家的激光器的温度敏感性会稍有不同。

当调制电路6以脉冲信号进行调制时，在某一个温度点上，系统发送一个脉冲，触发信号触发高速采样电路开始采样。当采集到被测网络上所有光栅光纤传感器的反射信号后，系统方可发送下一个脉冲。

根据脉冲宽度和采样速度间的关系，可以分别得到在某一温度下每一个传感器对应的反射信号的功率大小。

在DFB激光器2进行温度调谐的整个过程中，在第一部分的光电探测模块8上检测到第一个光纤光栅传感器反射信号的光功率与DFB激光器2的温度的关系如图4所示，其中纵轴代表功率，单位为dBm，横轴代表温度，单位为℃，并且在整个温度调谐的过程中，激光器的驱动电流保持不变。

根据DFB激光器2的特性，可以得到被检测的光纤光栅传感器的反射光信号的波长和光功率的关系。温度调谐时被检测的光纤光栅传感器的反射光信号的光功率与输入光的波长的关系示意图如图5所示，其中纵轴代表功率，单位为dBm，横轴代表波长，单位为nm。

B部分与A部分完全一样。DFB激光器2输出的光经过光电调制器5后进入1×N分路器7后，光被一分为二，分别进入两个不同的被测通道。而这两个被测通道由同步信号控制同时采集，被测光纤光栅传感器网络11返回的光信号经过光电探测模块8转换后的电信号。光谱分析和波长计算的方法与第一部分的完全相同。

本系统可以直接扩展到6通道或更多，以提高系统的组网能力，同时使每个测点的成本更低。为进一步提高系统测量的精度和系统的稳定性，可以将其中的1×N分路器7的其中一个分支上连接的被测光纤光栅传感器网络替换成一个标准参考光纤光栅或者类似光纤光栅反射信号的器件的标准通道；也可以在所述分路器的一个分支上连接的被测光纤光栅传感器网络中加入一个标准参考光纤光栅或者类似光纤光栅反射信号的器件的标准通道。此光纤光栅或者器件经过特殊处理，它不随外界的温度等环境变化发生波长的改变，在测量波长范围内，标准通道上的波长信号间隔越密集，测量的精度越高，每完成一次测量后与标准通道所测得的波长值相比较，根据测量误差实时校正测量结果。

温度调谐相对电流调谐方式的测量速度较慢。当被测传感器在波长变化范围不大，为了提高测量速度，可以只通过电流调谐的方法实现波长的测量。

通过电流调谐时，在一定范围内，电流的变化与DFB激光器2输出的光功率的变化成正比。检测到传感器返回的光功率后，应设法消除电流调制对DFB激光器2输出的光功率的影响。

这里提供两种方法：

一、可以选择DFB激光器2的背光(DFB激光器自带)作为参考光，通过被测光纤光栅传感器反射光的光功率与DFB激光器2的背光光功率的比值来反映被测光纤光栅传感器反射光的光功率变化，这种方法可以消除因电流调制引起的输入光的变化；

二、DFB激光器2的输出光通过分路器后，将其中任意一路光信号作为参考光(这一路光信号不再连接被测传感网络)，通过被测光纤光栅传感器反射光的光功率与参考光的光功率的比值来反映被测光纤光栅传感器反射光的光功率变化。系统再用这一比值来分析、计算被测光纤光栅传感器的光谱和波长值。在波长变化不大的情况下，可以只用这种方法进行解调，对解调的数据进行分析、计算，从而直接得到光纤光栅传感器的光谱和波长值。而不必一定要使用温度调谐的方法。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而不限于上述实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：

系统由DFB激光器、温度调谐电路、电流调谐电路、光电探测模块、高速采样电路、微处理器、显示部分、分路器、连接光纤组成；

还可以根据需要在系统中加入光电调制器、调谐电路。

2.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：所述DFB激光器可以只连接温度调谐电路或只连接电流调谐电路来进行波长测量，也可以将温度调谐电路和电流调谐电路组合使用来进行波长测量。

3.如权利要求1或2所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：所述DFB激光器的光输出端可以连接光电调制器和调制电路达到测量波长的目的，这种情况下每一个通道可以串接1个或多个传感器。

4.如权利要求1或2所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：所述DFB激光器可以直接通过调制电路调制DFB激光器达到调制的目的，这种情况下每一个通道可以串接1个或多个传感器。

5.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：在使用电流调谐电路进行调谐时，输出光的功率随电流的变化而变化；以DFB激光器的背光作为参考光，通过被测光纤光栅传感器反射光的功率与DFB激光器的背光光功率的比值来反映被测光纤光栅的功率变化，用这两种光的比值来分析、计算被测光纤光栅的光谱和波长值。

6.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：在使用电流调谐电路进行调谐时，输出光的功率随电流的变化而变化；DFB激光器的输出光通过分路器后，将其中任意一路光作为参考光，这一路光不再连接被测传感网络，通过被测光纤光栅传感器反射光的功率与参考光的光功率的比值来反映被测光纤光栅传感器的反射光功率的变化，再用这两种光的比值来分析、计算被测光纤光栅的光谱和波长值。

7.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：所述高速采样电路包括A/D转换。

8.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：所述微处理器控制温度调谐电路、电流调谐电路、调制电路、调制电路与高速采样的同步以及数据采集完成后的光谱分析、波长计算。

9.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：所述DFB激光器输出的激光经光电调制器后可以与1×N分路器连接。

10.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长测量系统，其特征在于：可以将所述分路器的一个分支上连接的被测光纤光栅传感器网络替换成一个标准参考光纤光栅或者类似光纤光栅反射信号的器件的标准通道；也可以在所述分路器的一个分支上连接的被测光纤光栅传感器网络中加入一个标准参考光纤光栅或者类似光纤光栅反射信号的器件的标准通道。

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