CN202734839U

CN202734839U - 便携式光纤光栅波长解调仪

Info

Publication number: CN202734839U
Application number: CN 201220387720
Authority: CN
Inventors: 罗进; 于本化; 刘刚
Original assignee: Wuhan Ligong Guangke Co Ltd
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT; Wuhan Ligong Guangke Co Ltd
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2022-08-07

Abstract

本实用新型提供便携式的光纤光栅波长解调仪，包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块；光源模块包括SLED激光器、隔离器和环形器，SLED激光器发出的光信号经过隔离器和环形器输出；解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件和信号处理模块；体相位光栅接收探测光栅通过环形器传递的光信号；电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接，电荷耦合元件的输出端与信号处理模块连接；控制模块通过串口与信号处理模块连接，通过接口模块与上位机连接，通过显示模块显示处理数据。本实用新型基于透射型衍射光栅方法实现光纤光栅波长解调，具备体积小重量轻，性能稳定，灵敏度高，响应速度快且成本低的优点。

Description

便携式光纤光栅波长解调仪

技术领域

本实用新型涉及一种便携式光纤光栅波长解调仪。

背景技术

自1989年Morey首次将光纤Bragg光栅(FBG)用作传感以来，光纤光栅传感器在世界范围内受到了广泛重视，得到了持续快速的发展。同传统的应变传感器如电阻应变片、压电陶瓷应变计等相比，光纤光栅传感器具有体积小、结构简单、寿命长、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，同时可实现传感信息的波长编码和参量的绝对测量，为建筑结构的监测和疲劳寿命评估提供了良好的技术手段。目前对光纤光栅传感技术的研究已发展到了实际工程应用阶段，其中利用光纤光栅传感器实时监测大型建筑物(如桥梁、大坝、隧道等)健康状况成为当前应用研究的热点。

光纤光栅传感器可对应变、温度、压力、加速度和强磁场等多种物理量进行检测，但其基本原理是相同的，即外界待测参量的变化引起光纤光栅中心波长的偏移，因而如何准确地检测出光纤光栅反射波长的微小偏移量是光纤光栅传感器实用化的关键技术。目前的光纤光栅解调技术主要有以下几种方式：

1、可调谐F-P滤波器法

激光光源发射的宽谱光通过光纤光栅后的返回的反射光通过耦合器进入可调谐F-P滤波器，电压控制信号驱动压电陶瓷改变可调谐滤波器中的F-P腔腔长以改变滤波器的导通频带。当可调谐F-P滤波器的导通中心波长与光纤光栅的布拉格波长相同时，该反射光即可通过可调谐F-P滤波器进入到光电探测器，光电探测器将该反射光变换成电信号。通过检测到电信号的时，控制压电陶瓷的电压值，即可得到该状态下可调谐F-P滤波器的中心波长，即可解调出光纤光栅返回的光信号的中心波长。

通过这种可调谐F-P滤波器法解调波长的优点在于响应速度快，可以做到实时监测；精度高，可以提供高达pm级的波长检测精度。

此种解调方法的缺点在于可调谐F-P滤波器成本高，造成整个仪表成本高。且可调谐F-P滤波器中带有机械活动部件，在携带及震动过程中容易造成解调结果的误差甚至仪表损坏。同时其系统结构复杂，不适合做简易的便携式仪表。

2、边缘滤波法

根据波分耦合器在1520~1560nm波长范围内其耦合器的效率与波长基本呈线性关系，因而可以利用该特性来测量波长的变化。宽带光源发出的光被光纤布拉克光栅返回来后进去耦合器，耦合器的出射光分为两束花（这两束光的光功率与入射光的功率在同一坐标系下形如X），两束出射光通过光电探测器变为电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。这种方法结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。

由于边缘滤波方法是利用波分耦合器在1520~1560nm波长范围的特殊耦合特性，因此方案的缺点为波长解调范围有限，只能用于解调工作波长范围在1520~1560nm的光纤布拉格光栅。而且此解调方法解调出的波长结果精度偏低，只适用于对精度要求不高的场合。

3、光谱仪、单色仪等仪器

光谱仪，单色仪等仪器虽然可以读出光信号光谱，但其一是价格偏高，不适用于普通用户及大规模的工程运用，二是精度低，不能满足精度测量的要求，三是扫描速度慢，不适用于实时性要求较高的场合，四是体积大，不方便携带，不适用于户外现场检测。

4、匹配滤波法

匹配光栅滤波法是利用其他的光纤布拉格光栅或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪光纤布拉克光栅的波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。目前的匹配滤波法分为透射型和反射型。

透射型的缺点是需要多个压电陶瓷来分别解调多个光纤光栅传感器。反射型的缺点是需要多个耦合器和探测器，光强损失较大，信号较弱。但不管是透射型方法还是反射性方法，其精度受光源稳定性和外界干扰的限制，同时对探测器也提出了较高的要求，需要采用高功率的宽带光源和高反射率的光纤光栅。而且其波长的扫描范围有所限制，测量范围有限。5、可调波长激光器法。

可调波长激光器的布拉格光纤光栅传感器系统的输入光源为可调波长激光器，当激光器的输出波长发生连续性改变时，如果激光器输出的窄带光的中心波长与光纤布拉格光栅的中心波长匹配时，探测器探测到的光强极大值即为光纤光栅的布拉格波长。可调波长激光器的特性决定了可调波长激光器的分辨率，测量速度及测量范围等参数。由各种测量经验可知，采用可调波长激光器法对光纤光栅布拉格波长进行测量，其精度为0.1%-0.2%自由光谱区（FSR）。可调波长激光器的优点是探测信号具有较高的信噪比，较高的输出功率，较窄的激光光谱带宽，可实现多个光纤光栅的复用。

但是较高的价格限制了可调谐波长激光器的使用。从而使其只能应用在具有较高要求的场合。

由于光纤光栅传感技术具有诸多不可替代的优势，因此其已广泛的应用于水利工程、航空、船舶、电力和石油等领域。而在复杂的光纤光栅传感网络的施工过程中，施工人员通常需要实时的对已铺设的光传感通道进行检测，以检查施工过程中是否有意外断纤或传感器损坏等意外情况的发生，从而进行及时的修复处理工作。针对这种情况，在传统的光纤光栅波长解调方案中，可调谐F-P滤波器法，匹配滤波法，可调波长激光激法由于都有机械活动部件，在室外恶劣的施工现场，在移动携带及各种可能的震动环境下，测量的结果有可能会有很大的误差，因此这种带有活动部件的解调方案不适合用于光纤光栅传感网络的施工现场，不适合做成便携式仪表；且基于可调谐F-P滤波器方法的解调方案，由于可调波长激光器均价格昂贵，不适合用于需求量大的工程运用。边缘滤波法虽然没有活动部件且价格低廉容易实现，但其测量精度低，测量范围窄，也不适合做成高精度仪表。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种便携式的光纤光栅波长解调仪，基于透射型衍射光栅方法实现光纤光栅波长解调，具备体积小重量轻，无活动部件，性能稳定，灵敏度高，噪声低，响应速度快且成本低的优点。

本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：它包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块；

光源模块包括SLED激光器、隔离器和环形器，SLED激光器、隔离器和环形器顺次进行光路连接，SLED激光器发出的光信号经过隔离器和环形器输出给探测光栅；

解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件（CCD）和信号处理模块；体相位光栅的输入端与环形器进行光路连接，接收探测光栅通过环形器传递的光信号；电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接将光信号转为电信号，电荷耦合元件的输出端与信号处理模块连接；所述的体相位光栅为透射型衍射光栅；

控制模块通过串口与解调模块的信号处理模块连接，通过接口模块与上位机连接，并通过显示模块显示解调所得到的数据；

电源模块为其它各模块提供电源。

按上述方案，所述的体相位光栅、电荷耦合元件和信号处理模块封装成一体。

按上述方案，所述的SLED激光器与隔离器、隔离器与环形器、环形器与体相位光栅之间的光路连接均采用光纤连接。

按上述方案，它还包括外壳，外壳内设置PCB板；所述的解调模块和控制模块均固定在PCB板上，显示模块设置在外壳上，接口设置在外壳边缘；外壳边缘还设有光纤法兰盘，所述的环形器与光纤法兰盘连接通过光纤法兰盘输出光给探测光栅。

按上述方案，所述的电源模块包括外接电源、电压转换器和内置锂电池，外接电源和内置锂电池分别与电压转换器连接，电压转换器的输出端分别与其它各模块连接提供所需电压；电压转换器固定在所述的PCB板上。

按上述方案，所述的控制模块通过I2C总线与内置锂电池连接。

按上述方案，它还包括温度控制器和半导体制冷器，温度控制器接收所述的SLED激光器的温度信号，并通过半导体制冷器调节SLED激光器的温度。

本实用新型的工作原理为：SLED激光器发出的光信号通过隔离器和环形器输出给探测光栅，从探测光栅返回的光信号再通过环形器进入解调模块。环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，反方向是隔离的，这样便可以保证从探测光栅返回的光信号可以进入解调模块。

解调模块包括准直器、双折射晶体、扩束透镜、体相位光栅、反射结构和汇聚透镜。光信号通过准直器后首先通过双折射晶体将光信号中的O光与E光转换为单一偏振态；然后，线偏振光通过扩束透镜得到更大的光斑以获得更好的带宽特性；扩束后的光信号经过体相位光栅，使不同波长的光形成依波长排列的空间分布；经衍射后的光束通过反射结构后再经过体相位光栅进行二次衍射，进一步拉开不同波长光信号间的空间距离，得到带宽更窄，边模抑制比更高的光信号；最后，成空间分布的光信号经过汇聚透镜成像在电荷耦合元件上，并由电荷耦合元件将其转为电信号，输给信号处理模块进行计算，最终解调出波长，光功率等相关数据。

控制模块通过串口与解调模块进行通信，将接收到的解调数据转换成用户可视的图形及读数通过显示模块显示，还通过接口模块与上位机PC进行通信，或是增加硬件外设。

本实用新型的有益效果为：

1、波长解调采用透射型衍射光栅方案，整个光电转换模块结构紧凑，无机械运动部件，且性能稳定，灵敏度高，噪声低，响应速度快及成本低。

2、将解调模块封装成一体，使得光信号的衍射、光电信号的转换更为精确。

3、光路连接均采用光纤连接，尽量保障了光信号的无损耗传输。

4、采用本实用新型结构，将各模块安装在PCB板上并由外壳包装，具有体积小重量轻的优点。

5、电源模块采用外接电源和内置锂电池两种，通过对内置锂电池的容量大小进行设定，可以在无外接电源情况下支持仪表连续工作多个小时，携带方便，适合用于恶劣的工程施工环境中。

6、控制模块通过I2C总线与内置锂电池连接，能够实时获取电池电量信息。

7、通过增加温控模块对SLED激光器进行温度控制，工作温度范围大，使其能够在0-70℃之间均可稳定工作。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的结构框图。

图2为本实用新型一实施例的结构示意图。

图中：1、6600mAH可充电锂电池，2、开关，3、彩色TFT LCD可触摸显示屏，4、工控主板，5、光纤，6、环形器，7、USB_OTG接口，8、以太网接口，9、USB高速主控接口，10、FC光纤法兰盘，11、外接电源接口，12、PCB板，13、SLED激光器，14、信号处理模块，15、解调模块，16、电荷耦合元件，17、体相位光栅，18、外壳，19、隔离器，20、接口模块，21、温度控制器，22、电压转换器，23、半导体制冷器。

具体实施方式

图1为本实用新型一实施例的结构框图，它包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块。

光源模块包括SLED激光器、隔离器和环形器，SLED激光器、隔离器和环形器顺次进行光路连接，SLED激光器发出的光信号经过隔离器和环形器输出给探测光栅；解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件和信号处理模块；体相位光栅的输入端与环形器进行光路连接，接收探测光栅通过环形器传递的光信号；电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接将光信号转为电信号，电荷耦合元件的输出端与信号处理模块连接；所述的体相位光栅为透射型衍射光栅；控制模块通过串口与解调模块的信号处理模块连接，通过接口模块与上位机连接，并通过显示模块显示解调出的数据；电源模块为其它各模块提供电源。

图2为本实用新型一实施例的结构示意图，控制模块为工控主板4，显示模块为彩色TFT LCD可触摸显示屏3，接口模块包括USB_OTG接口7、以太网接口8、USB高速主控接口9。所述的体相位光栅17、电荷耦合元件16和信号处理模块14封装成一体，成为解调模块15。所述的半导体制冷器23封装在SLED激光器13内部。所述的SLED激光器13与隔离器19、隔离器19与环形器6、环形器6与体相位光栅17之间的光路连接均采用光纤5连接。控制模块通过I2C总线与内置锂电池连接，以实时获取电池电量信息。

它还包括外壳18，外壳18内设置PCB板12；所述的解调模块15和工控主板4均固定在PCB板12上，彩色TFT LCD可触摸显示屏3设置在外壳18上，接口模块20设置在外壳18边缘；外壳18边缘还设有FC光纤法兰盘10，所述的环形器6与FC光纤法兰盘10连接通过FC光纤法兰盘10输出光给探测光栅。

电源模块包括外接电源、电压转换器22和内置锂电池，外接电源和内置锂电池分别与电压转换器22连接，电压转换器22的输出端分别与其它各模块连接提供所需电压；电压转换器固定在所述的PCB板12上，并设有外接电源接口11与外接电源连接。内置锂电池为6600mAH可充电锂电池1。

温度控制器21接收所述的SLED激光器的温度信号，并通过半导体制冷器23调节SLED激光器13的温度。

SLED激光器13在温度控制器21的控制下，使其发出稳定的波长范围为1280-1330nm的宽谱光，该宽谱光通过隔离器19、环形器6进入待测通道，待测通道通过FC光纤法兰盘10与外界待测通道相连接。当外界通道接有光纤布拉格光栅传感器时，其会反射回一个波长为光纤布拉格光栅工作波长的窄带光（若是通道中有多个工作波长不同的光纤布拉格光栅，则会有多个窄带光信号返回），窄带光通过环形器6后通过光纤5进入解调模块15。解调模块15恢复光谱曲线，计算出光信号的通道中心波长(频率)、光功率等各种参数。计算结果通过串口与工控主板4进行通信，工控主板4获得测量到的数据后转化成为可使的图形数据通过TFT 彩色LCD屏3将最终的光谱显示出来。

整个仪表在空间结构上分为两层：底层和顶层。底层由PCB板12及相应的电路构成，PCB板上的电路包括电压转换器22，SLED温度控制器21，工控板外围接口部分，包括USB高速主控接口9，USB OTG接口7，及以太网接口8。同时，解调模块15已被封装为一个整体，由50PIN的双排插针直接与PCB板12相连接，SLED光源13及工控主板4也分别通过14PIN和72PIN的插针与PCB板12相连接，6600mAH大容量锂电池1通过3M双面粘胶粘在PCB板12上，再通过PCB板12上预先预留的8个固定孔用绳索将电池固定。电池的电源接口通过开关2再与外接电源接口11相连，开关可以控制电池是否为仪表供电，当外接电源接口有相应的电源输入时，此时外接电源为仪表供电，并且为6600mAH大容量锂电池1充电。其中，开关2固定在仪表的前面板，外接电源接口11，FC光纤法兰盘10固定在仪表的后面板。环形器6及仪表中多余的光纤5，可以通过塑料卡座固定在PCB板12上。PCB板12通过插入外壳中预留的插槽直接固定在机箱中部，使PCB板12底部处于悬空状态，避免了PCB板12底部焊点与外壳接触而导致的短路。顶部则是仪表的显示屏部分，镶嵌于仪表外壳的顶部，适合用户操作。

Claims

1.一种便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：它包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块；

解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件和信号处理模块；体相位光栅的输入端与环形器进行光路连接，接收探测光栅通过环形器传递的光信号；电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接将光信号转为电信号，电荷耦合元件的输出端与信号处理模块连接；所述的体相位光栅为透射型衍射光栅；

控制模块通过串口与解调模块的信号处理模块连接，通过接口与上位机连接，并通过显示模块显示处理数据；

电源模块为其它各模块提供电源。

2.根据权利要求1所述的便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述的体相位光栅、电荷耦合元件和信号处理模块封装成一体。

3.根据权利要求1所述的便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述的SLED激光器与隔离器、隔离器与环形器、环形器与体相位光栅之间的光路连接均采用光纤连接。

4.根据权利要求1所述的便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：它还包括外壳，外壳内设置PCB板；所述的解调模块和控制模块均固定在PCB板上，显示模块设置在外壳上，接口设置在外壳边缘；外壳边缘还设有光纤法兰盘，所述的环形器与光纤法兰盘连接通过光纤法兰盘输出光给探测光栅。

5.根据权利要求4所述的便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述的电源模块包括外接电源、电压转换器和内置锂电池，外接电源和内置锂电池分别与电压转换器连接，电压转换器的输出端分别与其它各模块连接提供所需电压；电压转换器固定在所述的PCB板上。

6.根据权利要求5所述的便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述的控制模块通过I2C总线与内置锂电池连接。

7.根据权利要求1或4所述的便携式的光纤光栅波长解调仪，其特征在于：它还包括温度控制器和半导体制冷器，温度控制器接收所述的SLED激光器的温度信号，并通过半导体制冷器调节SLED激光器的温度。