CN203100750U - 一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：包括一个可以任意设定波长和功率的数字化可调谐光源，一个耦合器或者环行器，一个光电转换模块，一个带同步信号的数据采集单元，以及一个计算和控制单元。数字化可调谐光源光源发出的光经过耦合器或者环行器进入测试光纤，经测试光纤上的光纤光栅反射，携带被测信息的光反向通过耦合器或者环行器，入射到光电转换模块上，经同步的数据采集单元采集信号，送入计算和控制单元，根据不同波长的反射率，计算出光纤光栅反射的波长，从而得到待测光纤光栅温度或应变的信息。本实用新型光纤光栅解调仪的优点在于，可以消除传统扫描式光源因为光纤光栅距离不同带来的同步问题。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感、光学测量技术领域，具体涉及一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪。
背景技术
光纤光栅传感器作为智能化结构的传感器，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单、可靠性高等优点，早已作为有效的无损检测技术成功应用于航天、航空领域中，同时还可在水利水电、煤矿、材料工业、船舶、化学医药领域中应用，并可埋设在土木工程领域的混凝土结构和组件里，对结构的完整性和应变状态进行健康监测。尤其是其波长编码特性以及能在单根光纤上实现准分布式测量的优点更是其它传感器所无法比拟的，具有广阔的应用前景。
光纤光栅是一种制作在光纤上的具有窄带反射特性的光学滤波器，其工作原理如附图1所示，根据光纤耦合模理论，宽带光在光纤光栅中传输的时候，会产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射：
λB=2·neffΛ (1)
式中，λB为布拉格中心波长，neff为有效折射率，Λ为光栅周期。
在光纤光栅传感系统中，外界物理量即待测量信息是以光纤光栅的反射波长为载体来传递的。Λ和neff都会因外界环境的变化而改变，从而引起布拉格反射波长也发生相应偏移，而光纤布拉格光栅的纤芯折射率neff和光栅周期Λ又将随着外界温度或应变的变化而变化。光纤布拉格光栅在应力作用下会因为光栅周期的伸缩及弹光效应导致光栅中心反射波长的变化，而温度对中心波长的影响则是由热膨胀效应和热光效应引起。光纤光栅中心波长的变化量ΔλB在一定的范围内和应变ε、温度变化ΔT存在如下的线性关系：
ΔλB/λB=ε1-γ (2)
ΔλB/λB=(α+e)ΔT (3)
式中：ε为光纤的应变，γ为光纤材料的弹光系数，α为光纤材料的热胀系数，ΔT为温度变化量，e=1/n(dn/dT)为热光系数。通过测量波长的变化根据上述的关系就能确定需感知的温度和应力。因此，波长解调技术一直是该领域的研究热点，高精度、快速、低成本的实现解调，是光纤光栅传感器大规模工程化应用的一个重要前提。
目前，对光纤光栅波长进行解调的方法主要有光谱仪检测法、匹配光栅法、边缘滤波法、可调谐光纤F-PFabry-Perot滤波法、非平衡M-Z光纤干涉仪法、迈克尔逊干涉仪解调法、波长扫描光纤激光器解调法等。这些方法归纳起来可分为：宽带光源/宽带滤波接收、宽带光源/可调窄带接收、宽带光源/干涉接收以及可调谐窄带光源/宽带接收四类方案。目前，世界上实用化解调技术主要采用以下三种方案：1采用宽带光源和可调谐F-P滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行扫描；2采用色散原件和阵列相结合的光谱成像技术进行波长分析；3采用大功率可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波长扫描，参考如下相关的国内外专利：
高精度光纤光栅传感信号解调仪中国实用新型专利CN 101216327 B
基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统中国实用新型，CN 201680848 U
一种高精度光纤光栅波长解调系统中国实用新型专利CN 101586986 B
一种多通道光纤光栅解调仪中国实用新型专利CN 101718942 B
高速高精度多通道布拉格光栅解调仪中国实用新型专利CN 102252704 A
一种光纤布拉格光栅传感系统中国实用新型专利CN 102183267 A
一种可调激光型光纤光栅波长解调装置中国实用新型专利CN 102494874 A
一种布拉格光栅传感系统(Fiber Bragg Grating Sensor System)(美国专利US 7333680B2)
采用宽带光源的波长解调系统，由于Bragg反射波长的光仅占整个光谱的极小一部分，故其信噪比很低，而前期采用全模拟技术，即光源连续扫描，探测器连续接收，用硬件进行峰值检测，提取峰值信息，这种方法虽然简单直接，但是无法通过算法获得更高的精度；后期随着激光器技术的发展，大功率可调谐激光器问世，光源采用可调谐窄带激光器代替宽带光源，大大提高了其信噪比，且改进接收方式，通过采用数字化接收方式，即光源连续扫描，在探测器端使用AD转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号，对数字信号序列进行运算，从而得到峰值信息，这种方法的优点是对于接收到的数字序列可以进行各种算法，比如拟合法，质心算法等，对光栅的光谱形状更有适应性，进一步提高了测试精度。但缺点是：在AD采样保持时间内，光源波长还在改变，测到的是平均波长的结果，容易带来测试误差。到目前为止，国内外公开的所有关于高精度波长解调仪的文献或专利，均是采用以上所述的解调方法，即光源连续扫描法，不论是采用宽带光源还是采用可调的窄带光源。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅解调仪的不足，提供一种基于全数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪。
解决上述技术问题所采用的技术方案包括：一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其不同之处在于：其包括数字化可调谐光源、光耦合器或环形器、光电转换模块、数据采集单元、计算控制单元；数字化可调谐光源的输出端接光耦合器或环形器的输入端，光耦合器或环形器的一输出端串接N个布拉格光栅，另一输出端经光电转换模块后接入数据采集单元，最终进入计算控制单元。
以上方案中，所述数字化可调谐光源采用非连续扫描光源，可以任意设定波长和功率，并可改变波长的间隔和排列顺序，也可灵活地设置某一波长的停留时间，获得更高的波长精度。
以上方案中，所述数字化可调谐光源、数据采集单元和计算控制单元之间用同步数据线连接。这样，数据采集和光源波长设定可以做到完全同步，可以消除传统扫描式光源因为光纤光栅距离不同带来的同步问题,进一步提高了波长解调的精度。
以上方案中，所述数字化可调谐光源或由宽带光源、可调谐滤波器、程控电路构成；或由各种半导体集成的可调谐窄带光源、程控电路构成；或由环形腔激光器、程控电路构成，所述环形腔激光器或由EDFA、可调谐滤波器构成，所述环形腔激光器或由SOA、可调谐滤波器构成；或由半导体外腔激光器、程控电路构成，半导体外腔激光器由半导体增益芯片、衍射光栅、MEMS反射构成。
以上方案中，所述光耦合器或环形器2分别选用理论分光比为50:50的光耦合器，或选用10:90、20:80、30:70、40:60等多种分光比的光耦合器。
以上方案中，所述光电转换模块由探测器PIN、光电转换、滤波、放大、整形电路构成。
以上方案中，所述数据采集单元是由高精度模数A/D转换电路构成的数据采集电路。
以上方案中，所述计算控制单元包括同步信号发生模块、数字信号处理模块、通讯接口，所述计算控制单元可以是单片机、ARM或工控机、计算机中的任一种。
对比现有技术，本实用新型的原理及有益效果如下：
本实用新型采用数字化可调谐光源，该数字化可调谐光源不是连续扫描的光源，而是离散的，可以任意设置波长和功率，同时数字化可调谐光源，可改变波长的间隔和排列顺序，也可灵活地设置某一波长的停留时间；数据采集和光源波长设定可以做到完全同步，可以消除传统扫描式光源因为光纤光栅距离不同带来的同步问题，获得更高的波长精度。
附图说明
图1为布拉格光纤光栅的工作原理示意图；
图2为本实用新型的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪结构示意图；
图3为本实用新型的数字化可调谐光源与传统扫描光源波长与时间关系的对比示意图。
具体实施方式
本实用新型的主要思想是提出一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，即采用数字化可调谐光源代替传统的扫面光源做光纤光栅解调仪的光源，因数字化可调谐光源是离散的，可以任意设置波长和功率，且可随意改变波长的间隔和排列顺序，增加了波长测试的灵活性；另数字化可调谐光源、数据采集单元和计算控制单元之间用同步数据线连接，这样，数据采集和光源波长设定可以做到完全同步，可以消除传统扫描式光源因为光纤光栅距离不同带来的同步问题,进一步提高了波长解调的精度。
现结合附图对本实用新型做进一步描述：
参阅附图2，本实用新型的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪包括数字化可调谐光源1、光耦合器或环形器2、光电转换模块4、带同步信号的数据采集单元5、计算控制单元6。其间的连接关系为：数字化可调谐光源1的输出端接光耦合器或环形器2的输入端，光耦合器或环形器2的一输出端串接N个布拉格光栅3-1，3-2……3-N，另一输出端经光电转换模块4后接入数据采集单元5，最终进入计算控制单元6。
优选的，所述数字化可调谐光源1采用非连续扫描光源，可以任意设定波长和功率，并可改变波长的间隔和排列顺序，也可灵活地设置某一波长的停留时间，获得更高的波长精度。
优选的，所述数字化可调谐光源1、数据采集单元5和计算控制单元6之间用同步数据线连接。这样，数据采集和光源波长设定可以做到完全同步，可以消除传统扫描式光源因为光纤光栅距离不同带来的同步问题,进一步提高了波长解调的精度。
优选的，所述数字化可调谐光源1或由宽带光源、可调谐滤波器、程控电路构成；或由各种半导体集成的可调谐窄带光源、程控电路构成；或由环形腔激光器、程控电路构成，所述环形腔激光器或由EDFA、可调谐滤波器构成，所述环形腔激光器或由SOA、可调谐滤波器构成；或由半导体外腔激光器、程控电路构成，半导体外腔激光器由半导体增益芯片、衍射光栅、MEMS反射构成。
优选的，所述光耦合器或环形器2分别选用理论分光比为50:50的光耦合器，或选用10:90、20:80、30:70、40:60等多种分光比的光耦合器。
优选的，所述光电转换模块4由探测器PIN、光电转换、滤波、放大、整形电路构成。
优选的，所述数据采集单元5是由高精度模数(A/D)转换电路构成的数据采集电路。
优选的，所述计算控制单元6包括同步信号发生模块、数字信号处理模块、通讯接口，所述计算控制单元6可以是单片机、ARM或工控机、计算机中的任一种。
光路原理如下：数字化可调谐光源1发出的光经过耦合器或者环行器2进入测试光纤3内，经测试光纤上的光纤光栅3-1,3-2....3-N反射，携带被测信息的光反向通过耦合器或者环行器2，入射到光电转换模块4上，经同步的数据采集单元5采集信号，送入计算和控制单元6，根据不同波长的反射率，计算出光纤光栅反射的波长，从而得到待测光纤光栅温度或应变的信息。
图3为数字化可调谐光源与传统扫描光源的对比示意图，上图为传统扫描光源波长与时间关系示意图，图中其扫描波长与时间关系为连续关系，这样，在数据采集过程中，特别在AD采样保持时间内，光源波长还在改变，测到的是平均波长，容易带来测试误差。下图为本实用新型用的数字化可调谐光源，其波长与时间关系是离散的，在某一段采集时间内，可以设定一个固定波长，待采集完成后，根据同步信息指令，随机设定下一个波长进行测试，只要不做人为中断，上述采集过程将会一直持续，最终采集数据汇总到计算和控制单元中，由计算和控制单元进行分析处理。
以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：其包括数字化可调谐光源（1）、光耦合器或环形器（2）、光电转换模块（4）、数据采集单元（5）、计算控制单元（6）；数字化可调谐光源（1）的输出端接光耦合器或环形器（2）的输入端，光耦合器或环形器（2）的一输出端串接N个布拉格光栅（3-1，3-2，……，3-N），另一输出端经光电转换模块（4）后接入数据采集单元（5），最终进入计算控制单元（6）。
2.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述数字化可调谐光源（1）采用非连续扫描光源，可以任意设定波长和功率，并可改变波长的间隔和排列顺序，也可灵活地设置某一波长的停留时间，获得更高的波长精度。
3.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述数字化可调谐光源（1）、数据采集单元（5）和计算控制单元（6）之间用同步数据线连接。
4.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述数字化可调谐光源（1）或由宽带光源、可调谐滤波器、程控电路构成；或由各种半导体集成的可调谐窄带光源、程控电路构成；或由环形腔激光器、程控电路构成，所述环形腔激光器或由EDFA、可调谐滤波器构成，所述环形腔激光器或由SOA、可调谐滤波器构成；或由半导体外腔激光器、程控电路构成，半导体外腔激光器由半导体增益芯片、衍射光栅、MEMS反射构成。
5.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述光耦合器或环形器（2）分别选用理论分光比为50:50的光耦合器，或选用10:90、20:80、30:70、40:60等多种分光比的光耦合器。
6.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述光电转换模块（4）由探测器PIN、光电转换、滤波、放大、整形电路构成。
7.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述数据采集单元（5）是由高精度模数A/D转换电路构成的数据采集电路。
8.如权利要求1所述的一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述计算控制单元（6）包括同步信号发生模块、数字信号处理模块、通讯接口。
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