CN203385434U - 一种便携式光纤光栅解调仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种便携式光纤光栅解调仪，涉及一种光纤光栅解调仪，属于光纤光栅波长解调技术领域。本实用新型主要由嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、液晶显示屏、电源模块、电池组成。嵌入式系统解调电路板包括ARM微处理器、信号采集电路、RS232串行通信电路。光学模块电路板包括可调谐F-P滤波器、标准具模块、光耦合器、锯齿波驱动电路。嵌入式系统解调电路板通过锯齿波驱动电路控制F-P滤波器，采集光谱原始信号并进行波长解调，将解调结果传输到LCD液晶屏上显示。本实用新型体积小，成本低，外部接口少，操作简单，便于携带，能够实现多通道多传感器同步解调，能够更方便、节能的获取光纤光栅传感器的波长测量值。

Description

一种便携式光纤光栅解调仪

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅解调仪，属于光纤光栅波长解调技术领域。 

背景技术

基于光纤光栅的分布式光纤应力和温度传感系统具有非常重要的应用价值，在电力能源，石油化工，航空航天以及其它需要进行实时温度和应力监测的领都有非常广泛的应用。采用该技术可以实现远距离的测量与监控，具有测量范围宽，高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰或者易燃易爆的严酷环境下更具优势。 

我国目前在光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足国民经济发展的需求，相关技术的研究和产业化已成为一个经济增长热点。传统光纤光栅的解调采用光谱仪，单色仪以及波长计，但这些解调系统存在造价高，体积大等缺点，为此，相继提出了许多结构简单，更为使用的解调方法。主要有干涉解调技术，线性边缘滤波技术，匹配滤波解调技术，可调谐滤波器解调技术等。其中干涉解调技术测量精度高，但测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围。线性边缘滤波技术测试范围与分辨率成反比，匹配滤波技术方法简单实用但调谐范围较小。基于可调谐F-P滤波器的解调方法具有高灵敏度，光能利用率高，操作简单，调谐范围宽和系统稳定性好等优点。适合于工程应用的波长位移检测技术。故目前市场出售的光纤光栅解调仪主要基于可调谐F-P技术。 

但基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅解调仪仍存在以下不足： 

体积、重量较大，便携性较差； 

现有的光纤光栅解调仪大多精度较低，通道数少，可接光纤光栅传感器数量少，无法实现多通道多传感器同步解调； 

菜单操作频繁，人机交互性较差。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述现有光纤光栅解调仪的技术缺陷，公开了一种便携式光纤光栅解调仪，本实用新型体积、重量相对现有光纤光栅解调仪小，便携性好，能够实现多通道多传感器同步解调，人机交互性好，能够更方便、节能的获取光纤光栅传感器的波长测量值。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。 

一种便携式光纤光栅解调仪主要由嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏、电源模块、电池组成。嵌入式系统解调电路板包括ARM微处理器及其外围电路、模拟信号采集电路、RS232串行通信电路、液晶显示接口电路、驱动信号输出接口、电源转换与稳压电路、电池充电电路；带有电源接口、三路模拟信号采集接口、RS232串行通信接口、液晶屏接口、触摸屏接口和驱动信号接口。 

光学模块电路板包括可调谐F-P滤波器、标准具模块、光耦合器、锯齿波驱动电路、放大电路、滤波电路；带有驱动信号输入接口、电源输入接口、标准具及光纤光栅传感器信号输出接口、两路光纤光栅传感器接口、传感器接口采用两路光纤光栅传感器FC/APC接口。 

所述嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏、电源模块、电池均位于机壳内部。所述电池为嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏提供电源。 

ARM微处理器通过RS232串行通信接口可与上位机通信，将解调出的中心波长传输给上位机进行存储和进一步处理；光纤光栅传感器通过光耦合器与可调谐F-P滤波器和标准具模块相连，标准具与光探测器组相连，光探测器组将光谱信号转换为电压信号。LCD显示屏固定于机壳内部面板右侧，内面板左侧由上至下一次装有两个FC/APC光纤光栅传感器接口，12V电源接口，开关，RS232串行通信接口。信号采集电路中包括保护电路，防止因输入信号线接反而导致ARM微处理器烧坏。 

嵌入式系统解调电路板上的ARM微处理器通过脉冲驱动信号接口与光学模块电路板连接，并输出幅值为3.3V，宽度为100ms的脉冲控制信号启动锯齿波驱动电路，锯齿波驱动电路再控制可调谐F-P滤波器对光源光谱 信号扫频，通过调节滑动变阻器的阻值可改变锯齿波驱动电路的幅值。 

光探测器组将光学信号转换为电压形式的电学信号，经过滤波，信号放大与整形处理，通过信号输出接口传输给ARM微处理器，光波长信息通过电压峰值反映出来。 

嵌入式系统解调电路板上的ARM微处理器通过三路模拟信号采集接口同步地从光学模块电路板采集标准具信号和和两路光纤光栅传感器信号。 

ARM微处理器及其外围电路通过脉冲驱动电路控制锯齿波驱动电路使可调谐F-P滤波器开始工作，通过三路模拟信号采集接口获取标准具信号和和两路光纤光栅传感器信号，通过寻峰和拟合算法后解调出光纤光栅传感器中心波长和光功率信息，通过LCD显示屏显示中心波长和光功率信息，通过触摸屏按键可查看光纤光栅传感器中心波长和光功率信息，采集的标准具和和两路光纤光栅传感器原始信号信息，或者一段连续时间内传感器波长变化的信息，通过串行通信电路向上位机传输中心波长信息。 

电源转换与稳压电路的输入为电池或适配器，电源转换与稳压电路的输出为ARM微处理器及微处理器的外围电路，串行通信接口电路，模拟信号采集保护电路，LCD显示屏，ASE光源，锯齿波驱动电路。 

所述的便携式光纤光栅解调仪采用12V供电，且配有适配器和电池两种供电方式，光学模块电路板采用12V供电，且光学模块电路板上的电源电路可产生5V电源输出为嵌入式系统解调电路板和LCD显示屏供电，嵌入式系统解调电路板上的电源电路可产生3.3V为ARM微处理器供电，电池供电电压为12.6V。 

所述的便携式光纤光栅解调仪电源供电和电池充电共用一个接口，电池电量不足时，接入电源适配器，可同时为解调仪供电，并为电池充电，不影响解调仪正常工作。 

便携式光纤光栅解调仪的图形用户界面为： 

用户操作界面通过LCD液晶屏显示，液晶屏上设有三个操作按键，用户通过触摸屏操作光纤光栅解调仪，操作按键位于LCD液晶屏左侧，由上至下依次为“主界面”显示按键，“原始信号”显示按键，“波长曲线”显示按键，用户通过触摸屏上的这三个按键可操作光纤光栅解调仪，“主界面” 按键可显示第一个用户界面，其显示内容为，界面分为左右两栏，左侧为通道一数据显示栏，右侧为通道二数据显示栏，每个通道显示栏又分为波长显示和光功率显示两个子显示栏，显示栏上可显示多支光纤光栅传感器的波长和功率信息，根据用户接入光纤光栅传感器的数量，每个通道最多可现实八支光纤光栅传感器的波长和功率信息，可实现不同类型光纤光栅传感器的多点测量。 

“原始信号”按键可显示第二个用户界面，其显示内容为，界面由上至下分别显示三条采集到的原始信号电压曲线，第一条曲线为标准具原始信号电压曲线，第二条曲线为通道一接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线，第三条曲线为通道二接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线。 

“波长曲线”按键可显示一定连续时间内用户接入光纤光栅传感器的波长变化曲线，横轴为时间，纵轴为波长。 

便携式光纤光栅解调仪的工作过程为： 

打开解调仪开关，LCD液晶屏会显示主界面画面，从左至右依次是三个控制按键，通道二显示栏，通道二显示栏。 

ARM微处理器向锯齿波驱动电路输出脉冲开启信号，锯齿波驱动电路控制可调谐F-P滤波器对光源光谱信号扫频，光信号经过光探测器组转换为电压形式的电学信号，同时ARM微处理器通过三路模拟信号采集电路对标准具信号，两路光纤光栅传感器信号进行同步采集。 

ARM微处理器将采集到的标准具信号，两路光纤光栅传感器信号进行滤波，寻峰，拟合解调出中心波长和并计算光功率。 

ARM微处理器将解调出的中心波长和光功率传输给LCD液晶屏显示，用户可通过液晶屏上的“主界面”，“原始信号”，“波长曲线”三个控制按键选择需要显示的数据或图像曲线。 

有益效果 

1、本实用新型的一种便携式光纤光栅解调仪，将各个电学模块和光学模块集成到三块电路板上，大大缩小了解调仪的体积。 

2、本实用新型的一种便携式光纤光栅解调仪，成本低、结构简单、操作方便，人机交互性好。 

3、本实用新型的一种便携式光纤光栅解调仪，可通过触摸屏按键显示不同的图形用户界面，供用户查看多种数据。 

4、本实用新型的一种便携式光纤光栅解调仪，功耗低，适合在工程现场长时间工作。 

5、本实用新型的一种便携式光纤光栅解调仪，可同时接入多支不同类型的光纤光栅传感器同时解调，提高了工作效率，减小了工作量。 

附图说明

图1为便携式光纤光栅解调仪的内部结构示意图； 

图2为用户操作界面示意图。 

其中：1-两路光纤光栅传感器FC/APC接口、2-电源接口、3-开关、4RS232串行通信接口、5-LCD显示屏、6-“主界面”功能按键、7-“原始信号”功能按键、8-“波长曲线”功能按键。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。 

实施例 

一种便携式光纤光栅解调仪，其结构图如图1所示，主要由嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏、电源模块、电池组成。嵌入式系统解调电路板包括ARM微处理器及其外围电路、模拟信号采集电路、RS232串行通信电路、液晶显示接口电路、驱动信号输出接口、电源转换与稳压电路、电池充电电路；带有电源接口、三路模拟信号采集接口、RS232接口、液晶屏接口、触摸屏接口和驱动信号接口。 

光学模块电路板包括可调谐F-P滤波器、标准具模块、光耦合器、锯齿波驱动电路、放大电路、滤波电路；带有驱动信号输入接口、电源输入接口、标准具及光纤光栅传感器信号输出接口、两路光纤光栅传感器接口、传感器接口采用两路光纤光栅传感器FC/APC接口。 

所述嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏、电源模块、电池均位于机壳内部。所述电池为嵌入式系统解调电路 板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏提供电源。 

ARM微处理器通过RS232串行通信接口可与上位机通信，将解调出的中心波长传输给上位机进行存储和进一步处理；光纤光栅传感器通过光耦合器与可调谐F-P滤波器和标准具模块相连，标准具与光探测器组相连，光探测器组将光谱信号转换为电压信号。LCD显示屏固定于机壳内部面板右侧，内面板左侧由上至下一次装有两个FC/APC光纤光栅传感器接口(1)，12V电源接口(2)，开关(3)，RS232串行通信接口(4)。信号采集电路中包括保护电路，防止因输入信号线接反而导致ARM微处理器烧坏。 

嵌入式系统解调电路板上的ARM微处理器通过脉冲驱动信号接口与光学模块电路板连接，并输出幅值为3.3V，宽度为100ms的脉冲控制信号启动锯齿波驱动电路，锯齿波驱动电路再控制可调谐F-P滤波器对光源光谱信号扫频，通过调节滑动变阻器的阻值可改变锯齿波驱动电路的幅值。 

光探测器组将光学信号转换为电压形式的电学信号，经过滤波，信号放大与整形处理，通过信号输出接口传输给ARM微处理器，光波长信息通过电压峰值反映出来。 

嵌入式系统解调电路板上的ARM微处理器通过三路模拟信号采集接口同步地从光学模块电路板采集标准具信号和和两路光纤光栅传感器信号。 

ARM微处理器及其外围电路通过脉冲驱动电路控制锯齿波驱动电路使可调谐F-P滤波器开始工作，通过三路模拟信号采集接口获取标准具信号和和两路光纤光栅传感器信号，通过寻峰和拟合算法后解调出光纤光栅传感器中心波长和光功率信息，通过LCD显示屏显示中心波长和光功率信息，通过触摸屏按键可查看光纤光栅传感器中心波长和光功率信息，采集的标准具和和两路光纤光栅传感器原始信号信息，或者一段连续时间内传感器波长变化的信息，通过串行通信电路向上位机传输中心波长信息。 

电源转换与稳压电路的输入为电池或适配器，电源转换与稳压电路的输出为ARM微处理器及微处理器的外围电路，串行通信接口电路，模拟信号采集保护电路，LCD显示屏，ASE光源，锯齿波驱动电路。 

所述的便携式光纤光栅解调仪采用12V供电，且配有适配器和电池两种供电方式，光学模块电路板采用12V供电，且光学模块电路板上的电源 电路可产生5V电源输出为嵌入式系统解调电路板和LCD显示屏供电，嵌入式系统解调电路板上的电源电路可产生3.3V为ARM微处理器供电，电池供电电压为12.6V。 

所述的便携式光纤光栅解调仪电源供电和电池充电共用一个接口，电池电量不足时，接入电源适配器，可同时为解调仪供电，并为电池充电，不影响解调仪正常工作。 

上述ARM处理器型号为STM32F407VGT6； 

上述RS232串口通信电路的主芯片为MAX3232EUE+； 

如图2所示，所述的栅解调仪的图形用户界面为：用户操作界面通过LCD液晶屏显示，液晶屏上设有“主界面”功能按键6、“原始信号”功能按键7、“波长曲线”功能按键8三个操作按键，用户通过触摸屏操作光纤光栅解调仪，操作按键位于LCD液晶屏左侧，由上至下依次为“主界面”功能按键6、“原始信号”功能按键7、“波长曲线”功能按键8，用户通过触摸屏上的这三个按键可操作光纤光栅解调仪，“主界面”功能按键6可显示第一个用户界面，其显示内容为，界面分为左右两栏，左侧为通道一数据显示栏，右侧为通道二数据显示栏，每个通道显示栏又分为波长显示和光功率显示两个子显示栏，显示栏上可显示多支光纤光栅传感器的波长和功率信息，根据用户接入光纤光栅传感器的数量，每个通道最多可现实八支光纤光栅传感器的波长和功率信息，可实现不同类型光纤光栅传感器的多点测量。 

“原始信号”功能按键7可显示第二个用户界面，其显示内容为，界面由上至下分别显示三条采集到的原始信号电压曲线，第一条曲线为标准具原始信号电压曲线，第二条曲线为通道一接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线，第三条曲线为通道二接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线。 

“波长曲线”功能按键8可显示一定连续时间内用户接入光纤光栅传感器的波长变化曲线，横轴为时间，纵轴为波长。 

便携式光纤光栅解调仪的工作过程为： 

打开解调仪开关，LCD液晶屏会显示主界面画面，从左至右依次是“主 界面”功能按键6、“原始信号”功能按键7、“波长曲线”功能按键8三个控制按键，通道一显示栏，通道二显示栏。 

ARM微处理器向锯齿波驱动电路输出脉冲开启信号，锯齿波驱动电路控制可调谐F-P滤波器对光源光谱信号扫频，光信号经过光探测器组转换为电压形式的电学信号，同时ARM微处理器通过三路模拟信号采集电路对标准具信号，两路光纤光栅传感器信号进行同步采集。 

ARM微处理器将采集到的标准具信号，两路光纤光栅传感器信号进行滤波，寻峰，拟合解调出中心波长和并计算光功率。 

ARM微处理器将解调出的中心波长和光功率传输给LCD液晶屏显示，用户可通过液晶屏上的“主界面”功能按键6、“原始信号”功能按键7、“波长曲线”功能按键8三个控制按键选择需要显示的数据或图像曲线。 

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。 

Claims (6)

1.一种便携式光纤光栅解调仪，其特征在于： 

主要由嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏(5)、电源模块、电池组成；嵌入式系统解调电路板包括ARM微处理器及其外围电路、模拟信号采集电路、RS232串行通信电路、液晶显示接口电路、驱动信号输出接口、电源转换与稳压电路、电池充电电路；嵌入式系统解调电路板带有电源接口(2)、三路模拟信号采集接口、RS232串行通信接口(4)、液晶屏接口、触摸屏接口、脉冲驱动信号接口； 

光学模块电路板包括可调谐F-P滤波器、标准具模块、光耦合器、锯齿波驱动电路、放大电路、滤波电路，带有驱动信号输入接口、电源输入接口、标准具及光纤光栅传感器信号输出接口、两路光纤光栅传感器接口、传感器接口采用两路光纤光栅传感器FC/APC接口(1)； 

上述嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏(5)、电源模块、电池均位于机壳内部； 

上述电池为嵌入式系统解调电路板、光学模块电路板、ASE宽带光源、LCD显示屏(5)提供电源； 

便携式光纤光栅解调仪电源供电和电池充电共用一个接口，电池电量不足时，接入电源适配器，可同时为解调仪供电，并为电池充电，不影响解调仪正常工作； 

光纤光栅传感器通过光耦合器与可调谐F-P滤波器和标准具模块相连，标准具与光探测器组相连，光探测器组将光谱信号转换为电压信号； 

ARM微处理器通过RS232串行通信接口(4)可与上位机通信，将解调出的中心波长传输给上位机进行存储和进一步处理； 

LCD显示屏(5)固定于机壳内部面板右侧，内面板左侧由上至下一次装有两个FC/APC光纤光栅传感器接口(1)、电源接口(2)、开关(3)、RS232串行通信接口(4)； 

信号采集电路中包括保护电路，防止因输入信号线接反而导致ARM微处理器烧坏； 

嵌入式系统解调电路板上的ARM微处理器通过脉冲驱动信号接口与光学模块电路板连接，并输出脉冲控制信号启动锯齿波驱动电路，锯齿波驱 动电路再控制可调谐F-P滤波器对光源光谱信号扫频，通过调节滑动变阻器的阻值可改变锯齿波驱动电路的幅值； 

光探测器组将光学信号转换为电压形式的电学信号，经过滤波，信号放大与整形处理，通过信号输出接口传输给ARM微处理器，光波长信息通过电压峰值反映出来。 

2.根据权利要求1所述的一种便携式光纤光栅解调仪，其特征在于：嵌入式系统解调电路板上的ARM微处理器通过三路模拟信号采集接口同步地从光学模块电路板采集标准具信号和和两路光纤光栅传感器信号； 

ARM微处理器及其外围电路通过脉冲驱动电路控制锯齿波驱动电路使可调谐F-P滤波器开始工作，通过三路模拟信号采集接口获取标准具信号和和两路光纤光栅传感器信号，通过寻峰和拟合算法后解调出光纤光栅传感器中心波长和光功率信息，通过LCD显示屏(5)显示中心波长和光功率信息，通过触摸屏按键可查看光纤光栅传感器中心波长和光功率信息，采集的标准具和两路光纤光栅传感器原始信号信息，或者一段连续时间内传感器波长变化的信息，通过串行通信电路向上位机传输中心波长信息； 

电源转换与稳压电路的输入为电池或适配器，电源转换与稳压电路的输出为ARM微处理器及微处理器的外围电路，串行通信接口电路，模拟信号采集保护电路，LCD显示屏(5)，ASE光源，锯齿波驱动电路。 

3.根据权利要求1或2的一种便携式光纤光栅解调仪，其特征在于：所述的光纤光栅解调仪采用12V供电，且配有适配器和电池两种供电方式，光学模块电路板采用12V供电，且光学模块电路板上的电源电路可产生5V电源输出为嵌入式系统解调电路板和LCD显示屏(5)供电，嵌入式系统解调电路板上的电源电路可产生3.3V为ARM微处理器供电，电池供电电压为12.6V。 

4.根据权利要求3述的一种便携式光纤光栅解调仪，其特征在于：所述的系统解调电路板上的ARM微处理器通过脉冲驱动信号接口与光学模块电路板连接，并输出幅值为3.3V，宽度为100ms的脉冲控制信号启动锯齿波驱动电路，锯齿波驱动电路再控制可调谐F-P滤波器对光源光谱信号扫频，通过调节滑动变阻器的阻值可改变锯齿波驱动电路的幅值。 

5.据权利要求4述的一种便携式光纤光栅解调仪，其特征在于： 

用户操作界面通过LCD液晶屏显示，液晶屏上设有“主界面”功能按键(6)、“原始信号”功能按键(7)、“波长曲线”功能按键(8)三个操作按键，用户通过触摸屏操作光纤光栅解调仪，操作按键位于LCD液晶屏左侧，由上至下依次为“主界面”功能按键(6)、“原始信号”功能按键(7)、“波长曲线”功能按键(8)，用户通过触摸屏上的这三个按键可操作光纤光栅解调仪，“主界面”功能按键(6)可显示第一个用户界面，其显示内容为，界面分为左右两栏，左侧为通道一数据显示栏，右侧为通道二数据显示栏，每个通道显示栏又分为波长显示和光功率显示两个子显示栏，显示栏上可显示多支光纤光栅传感器的波长和功率信息，根据用户接入光纤光栅传感器的数量，每个通道最多可现实八支光纤光栅传感器的波长和功率信息，可实现不同类型光纤光栅传感器的多点测量； 

“原始信号”功能按键(7)可显示第二个用户界面，其显示内容为，界面由上至下分别显示三条采集到的原始信号电压曲线，第一条曲线为标准具原始信号电压曲线，第二条曲线为通道一接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线，第三条曲线为通道二接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线； 

“波长曲线”功能按键(8)可显示一定连续时间内用户接入光纤光栅传感器的波长变化曲线，横轴为时间，纵轴为波长。 

6.据权利要求1或2述的一种便携式光纤光栅解调仪，其特征在于： 

用户操作界面通过LCD液晶屏显示，液晶屏上设有“主界面”功能按键(6)、“原始信号”功能按键(7)、“波长曲线”功能按键(8)三个操作按键，用户通过触摸屏操作光纤光栅解调仪，操作按键位于LCD液晶屏左侧，由上至下依次为“主界面”功能按键(6)、“原始信号”功能按键(7)、“波长曲线”功能按键(8)，用户通过触摸屏上的这三个按键可操作光纤光栅解调仪，“主界面”功能按键(6)可显示第一个用户界面，其显示内容为，界面分为左右两栏，左侧为通道一数据显示栏，右侧为通道二数据显示栏，每个通道显示栏又分为波长显示和光功率显示两个子显示栏，显示栏上可显示多支光纤光栅传感器的波长和功率信息，根据用户接入光纤 光栅传感器的数量，每个通道最多可现实八支光纤光栅传感器的波长和功率信息，可实现不同类型光纤光栅传感器的多点测量； 

“原始信号”功能按键(7)可显示第二个用户界面，其显示内容为，界面由上至下分别显示三条采集到的原始信号电压曲线，第一条曲线为标准具原始信号电压曲线，第二条曲线为通道一接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线，第三条曲线为通道二接入光纤光栅传感器的原始信号电压曲线； 

“波长曲线”功能按键(8)可显示一定连续时间内用户接入光纤光栅传感器的波长变化曲线，横轴为时间，纵轴为波长。 

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