CN202304891U - 基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于计算机辅助教学实验设备，具体地说是一种基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪。由阵列波导光栅AWG、阵列波导光栅AWG通道、光纤布拉格光栅FBG、放大电路、阵列波导光栅AWG温控电路、宽带光源、耦合器、数据采集盒、计算机组成，阵列波导光栅AWG温控电路连接到阵列波导光栅AWG和计算机，宽带光源经耦合器接到光纤布拉格光栅FBG，光纤布拉格光栅FBG反射回来的光从耦合器另一端出来接入阵列波导光栅AWG中，再将阵列波导光栅AWG通道出来的光接到放大电路中，最后将输出电压采集到计算机后通过应用软件进行处理。其用一个阵列波导光栅AWG解调若干个分布于各监测点的FBG光栅反射中心波长的构架，不但监测点数多、体积小、本质安全，并且还具好波长分辨率高、稳定性好、成本低的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于大型建筑和煤矿安全监测设备领域，具体地说是一种基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪。
背景技术
随着科技日新月异，人们对大型结构的尺寸不断地提出更高的要求。这就要求新型的、能用于这些大型结构健康监测的分布式传感技术和系统的提出和研究；同时还要降低成本、提高检测灵敏度。
到现在为止报道的用于大型建筑物健康监测的，出现了各种各样的检测方法，包括光谱仪检测法、匹配光栅法、可调谐Fabry-Perot 法、非平衡Mach-Zehnder干涉仪跟踪法、可调谐光源法等等。这些方法中，光谱仪检测法成本太高、不能直接输出对应波长变化的电信号；匹配光栅法要求两个光栅严格匹配、受参考光栅应变量的限制，传感光栅的测量范围不能很大、PZT的响应速度有限，使这种方法只适用于测量静态或低频变化的物理量；可调谐Fabry-Perot 法中，激光器的输出相比于线性调制信号在扫描范围内呈现出非线性；其它有些则因结构复杂、调整困难、测量精度不高而不利于实现。
随着光纤通信的迅速发展，FBG作为传感光栅的重要性逐渐受到人们关注，其应用也越来越广泛。同时，阵列波导光栅（AWG）也已成为密集波分复用（DWDM）系统中的关键器件。阵列波导光栅(AWG)具有波长分辨率高、稳定性好、结构紧凑和低成本等优点，不仅广泛地应用于DWDM光通信系统中,并且在传感方面也逐渐得到应用。
本作品研究利用一个阵列波导光栅(AWG)解调若干个分布于各监测点的FBG光栅反射中心波长的方法，设计出一种新型的FBG分布式解调系统，解决现有检测系统中成本昂贵、体积庞大、调整困难等的储多问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种监测点数多、本质安全的基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪。
为实现上述目的，本实用新型设计了一种单缝衍射光强分布测试仪，它由阵列波导光栅(AWG)1、阵列波导光栅(AWG)通道2、光纤布拉格光栅（FBG）3、放大电路4、阵列波导光栅(AWG)温控电路5、宽带光源6、耦合器7、数据采集盒8和计算机9组成的器件构成结构，放大电路4由光电管PD及前置放大器组成，阵列波导光栅(AWG)温控电路5分别连接到阵列波导光栅(AWG)1和计算机9，宽带光源6经耦合器7接到光纤布拉格光栅（FBG）3，光纤布拉格光栅（FBG）3反射回来的光从耦合器7另一端出来接入阵列波导光栅(AWG)1中，再将阵列波导光栅(AWG)通道2出来的光接到放大电路4中，最后将放大电路4输出电压经数据采集盒8采集到计算机9经应用软件进行处理。
本实用新型的一种基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪，用一个阵列波导光栅(AWG)解调若干个分布于各监测点的FBG光栅反射中心波长的构架，不但监测点数多、体积小、本质安全，并且还具好波长分辨率高、稳定性好、成本低的特点。
附图说明
图1 是阵列波导光栅AWG构成原理图
图2是本实用新型实施例的基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪结构示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过实施例对本实用新型作进一步的说明。下述实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，但对本实用新型并没有限制。
如图2所示，本实用新型的基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪由阵列波导光栅(AWG)1、阵列波导光栅(AWG)通道2、光纤布拉格光栅（FBG）3、放大电路4、阵列波导光栅(AWG)温控电路5、宽带光源6、耦合器7、数据采集盒8和计算机9组成的器件构成结构，放大电路4由光电管PD及前置放大器组成，阵列波导光栅(AWG)温控电路5分别连接到阵列波导光栅(AWG)1和计算机9，宽带光源6经耦合器7接到光纤布拉格光栅（FBG）3，光纤布拉格光栅（FBG）3反射回来的光从耦合器7另一端出来接入阵列波导光栅(AWG)1中，再将阵列波导光栅(AWG)通道2出来的光接到放大电路4中，最后将放大电路4输出电压经数据采集盒8采集到计算机9经应用软件进行处理。
图1为阵列波导光栅(AWG)工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理， 即多个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。输入光从第一个星形耦合器输入，该耦合器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导。通常M 阵列波导长度L 用光在该波导中传输的半波长λ/2n 的整数m 表示，即：
L=mλ/2n=mc/2fn , m=1,2,3... （1）
式中n 是波导的折射率，f=c/λ 是光波频率，c 是光速。由此可以得到用波导长度L 表示的沿该波导传输的光的频率：
f=mc/2nL , m=1,2,3... （2）
由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，其相邻波导间的相位差为:
Δφ＝kΔL= 2πnΔL/λ （3）
这里k 是波矢量，k=2πn/λ ，ΔL 是相邻波导间的路径长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一对应的关系。
当只考虑温度T 对光纤布拉格光栅FBG波长的影响,外界其他因素可忽略时,那么存在如下关系：
η = D1αF ( T - T0 ) + D1λT0 + D2 （4）
式中η为AWG相邻通道强度比值对数，λT0 为初始温度为T0 时光纤布拉格光栅FBG波长，αF 为光纤布拉格光栅FBG的温度灵敏度。从此可见,阵列波导光栅(AWG)相邻通道强度比值对数与光纤布拉格光栅外界温度是线性关系。
传统的解调原理示意图如图2中的非粗线部分所示。
图2中，光纤布拉格光栅FBG1、FBG2 至FBGn是分布于不同监测点的光纤光栅传感阵列。各光纤布拉格光栅FBG贴于一电热板上，温度控制电路控制电热板的温度，宽带光源发出的光经过耦合器、单模光纤进入到光纤布拉格光栅阵列，光纤布拉格光栅传感阵列的反射波长信号又经过耦合器进入到阵列波导光栅AWG中，而阵列波导光栅AWG本身的特性能将入射光分成不同波长的窄带到多个通道中。这里将FBG的各个波长之间分散一些，同时保证每一个FBG的中心波长l bi （1≤i≤n，n为AWG的通道数）随着被测量的变化范围都在相邻的光纤布拉格光栅AWG的两个通道的中心波长之间，即l bi 在l am 和l am+1之间，这样就能够避免解调时的相互干扰。同时每个窄带光通道中出来的光信号对应着一个光纤光栅传感器FBG。光电管PD的输出经放大进入到数据处理器或者是高速微型计算机中。
正常情况下，各个通道的中心波长对应各个FBG的中心波长，一旦现场的温度或应力发生变化，那么相应光纤布拉格光栅FBG 的反射中心波长就会发生漂移，而这会使反射光在相应通道中透过的光强也会发生变化。通过计算机或处理器对输出信号的检测就能确定相应光电管PD电流的变化量及传感光栅的偏移方向。
温度控制电路，见图2中的粗线部分所示,循环地在S分钟内（此处为描述方便，暂称此S分钟为1轮）使光纤布拉格光栅AWG芯片温度从30℃增加到90℃，或从90℃降到30℃，温控软件可实时报告出当前AWG的温度。在此同时用微机高速采集各通道的数据，一轮扫描结束后分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的AWG芯片温度，从而根据图3所示的AWG通道的温度—通道中心波长关系可知该通道在本轮所测的中心波长，进而获得监测点的信息。
Claims (1)
1.一种基于AWG特性的分布式监测仪，其特征在于：由AWG（1）、AWG通道（2）、FBG（3）、放大电路（4）、AWG温控电路（5）、宽带光源（6）、耦合器（7）、数据采集盒（8）和计算机（9）组成，放大电路（4）由光电管PD及前置放大器组成，AWG温控电路（5）分别连接到AWG（1）和计算机（9），宽带光源（6）经耦合器（7）接到FBG（3），FBG（3）反射回来的光从耦合器（7）另一端出来接入AWG（1）中，再将AWG通道（2）出来的光接到放大电路（4）中，最后将放大电路（4）输出电压经数据采集盒（8）采集到计算机（9）经应用软件进行处理。
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