CN205537695U - 一种16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，所述解调仪包括宽带光源、FBG解调模块、法兰盘、3dB光纤耦合器、单模光开关、法兰盘、单片机控制板、USB通信口和串口通信口；其中，宽带光源和FBG解调模块通过法兰盘与3dB光纤耦合器的两个接口连接，3dB光纤耦合器的另一个接口与单模光开关的公共端相连，单模光开关的16路光通道与所述解调仪后面板16个法兰盘相连，FBG解调模块电路输入输出接口、单模光开关通道切换端口与单片机控制板连接。本实用新型运用16路光开关通道切换的波分复用和FBG解调模块的空分复用技术，能对上百只FBG传感网进行精确检测。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤光栅传感器解调仪技术领域，尤其涉及一种16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪。
背景技术
光纤Bragg光栅(FBG)传感器是目前光纤光栅传感器领域研究热点之一，被广泛应用于大型复合材料、混泥土的结构监测、电力工业、石油工业、智能材料性能监测等领域。光纤传感器对大型且复杂结构环境监测具有多参量传感，分布式传感等特性，常采用传感网络监测方法。FBG传感检测精度和传感网络化分布，使得FBG传感解调技术成为当前FBG传感技术研究领域的重点和难点之一。
应用于复杂传感系统的传统检测技术包括波分复用、时分复用和频分复用技术，通过在一条光纤传输多个载有对应于不同光学传感器信道的不同波长光信号，波分复用技术能够大幅提高处理能力，并且降低探询成本。时分复用技术使用一个调制过的脉冲实现对多个光学传感器的探询，同时经过调整群延迟提高探询能力。与时分复用类似，频分复用技术通过频率调制和解调来提高探询能力。
虽现有的波分复用、时分复用和频分复用技术已经比较完善，但它们也具有使用局限。波分复用技术要求所有传感器的中心波长通过感知外界参量变化时不能重叠，在光源工作波段内限制了使用该传感器的个数。而时分复用和频 分复用技术都需要高速脉冲调制器和频率调制器，以及复杂的宽带测量系统，明显增加硬件成本和提升开发技术。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，所述解调仪结合了波分复用和空分复用技术，可实现对多通道、多传感的上百只FBG传感网进行解调和在线监测。
本实用新型的技术方案如下：一种16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，所述解调仪包括宽带光源(7)、光纤Bragg光栅解调模块(8)、法兰盘(12)、3dB光纤耦合器(10)、1×16单模光开关(2)、法兰盘(12)、单片机控制板(3)、USB通信接口(6)和串口通信接口(4)；
其中，宽带光源(7)和光纤Bragg光栅解调模块(8)分别通过法兰盘(9)与3dB光纤耦合器(10)的两个接口连接，3dB光纤耦合器(10)的另一个接口与1×16单模光开关(2)的光公共端相连，1×16单模光开关(2)的16路光通道分别与所述解调仪后面板16个法兰盘(12)相连，光纤Bragg光栅解调模块(8)电路输入输出接口、单模光开关(2)通道切换端口与单片机控制板(3)连接，单片机控制板(3)并与串口通信接口(4)、USB通信接口(6)连接。
所述宽带光源(7)发出的光经3dB光纤耦合器(10)和1×16单模光开关(2)的一个光通道，然后光经过法兰盘(12)入射到接入该光通道一根串联多个光纤Bragg光栅传感的光纤，光纤Bragg光栅传感反射不同中心波长的光波，反射光波经耦合器(10)照射到光纤Bragg光栅解调模块(8)的输入接口，光纤Bragg光栅解调模块(8)利用光生伏特效应以及信号处理原理，将光信号转 换为包含光谱信息的电信号，电信号由单片机控制板(3)电平转换，并经过仪器的USB通信接口(6)和串口通信接口(4)传送至上位机，从而进行解调和在线监测。
所述1×16单模光开关(2)通道切换由单片机控制板(3)输出高低电平信号控制，1×16单模光开关(2)只能有一路光通道与公共端开通，两个或多个光通道不能同时处于开通状态。
所述宽带光源(7)的输出光功率为13dBm，发出的光的工作波长为1525～1565nm。
所述光纤Bragg光栅解调模块(8)由光谱分析单元、探测单元和电处理单元组成，所述光谱分析单元为全息体相位光栅(VPHG)，结构为透射式，能将包含多路光信号的波长进行分离；所述探测单元为铟砷化镓(InGaAs)阵列探测器，结构为PIN二极管探测阵列结构，利用pn结的光伏效应，实现光电转换，将光谱信号变化电信号；所述电处理单元能将包含光谱信号的电信号进行数字信号处理，处理后的数据经单片机控制板电平转换后，由串口通信接口(10)和USB通信接口(1)上传至上位机。
所述光纤Bragg光栅解调模块使用512个探测阵列，工作在C波段1525～1565nm能够探测80个以内的波长峰值。
本实用新型提供的解调仪的工作原理为：C波段ASE宽带光源发出光经耦合器和光开关，入射到串联于一根光纤的光纤Bragg光栅传感元件，传感元件反射不同中心波长的光波。反射光波经耦合器照射到解调仪的光谱分析单元对不同波长的光进行分离，照射在由512个光电二极管组成的线阵探测阵列上，利用光生伏特效应转换为电信号，信号处理单元对包含光谱信息的电信号进行处理。 上位机执行光谱波长采集程序、Bragg波长识别程序和光开关控制程序，通过RS232串口总线，经单片机控制板转换通信电平后，分别采集解调的传感光谱信息和执行多通道光开关的切换。
所述光纤Bragg光栅解调模块(8)、单片机控制板(3)、宽带光源(7)和1×16单模光开关(2)均采用铝制外壳进行封装，解调仪具备较好的电磁兼容性和较强的抗电磁干扰能力，可放置于强电磁干扰(如变压器等)较近位置测量。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型运用16路光开关通道切换的波分复用和FBG解调模块的空分复用技术，能对上百只FBG传感网进行精确检测。
2、所述解调仪统一将解调模块通信、光开关控制通信归约为串口通信，方便使用该仪器进行二次开发。
3、本实用新型提供的解调仪具备较好的电磁兼容性和较强的抗电磁干扰能力，可放置于强电磁干扰(如变压器等)较近位置测量。
附图说明
图1为本实用新型提供的解调仪的结构示意图；
图中标示：1-电源开关，2-1×16单模光开关，3-单片机控制板，4-串口通信接口，5-电源接口，6-USB通信接口，7-宽带光源，8-光纤Bragg光栅(FBG)解调模块，9-法兰盘，10-3dB光纤耦合器，11-仪器后面板，12-法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，所述16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪包括宽带光源7、光纤Bragg光栅解调模块8、法兰盘12、3dB光纤耦合器10、1×16单模光开关2、法兰盘12、单片机控制板3、USB通信接口6、串口通信接口4、电源开关1和电源接口5。
其中，宽带光源7和光纤Bragg光栅解调模块8分别通过法兰盘9与3dB光纤耦合器10的两个接口连接，3dB光纤耦合器10的另一个接口与1×16单模光开关2的光公共端相连，1×16单模光开关2的16路光通道分别与所述解调仪后面板16个法兰盘12相连，光纤Bragg光栅解调模块8电路输入输出接口、单模光开关2通道切换端口与单片机控制板3连接，单片机控制板3还与串口通信接口4、USB通信接口6连接。
所述FBG解调模块8、单片机控制板3、宽带光源7和1×16单模光开关2均采用铝制外壳进行封装。
在本实施例中，FBG解调模块购买于BaySpec公司，解调波长范围为1525～1565nm，光栅波长解调精度为1pm，可解调Bragg波长峰值的数目为80个。
所述宽带光源选用波长范围为1525～1565nm，额定输出功率为13dBm。
所述单模多通道光开关2选用工作波段为1550nm，光通道数为16路，通道切换时间大于20ms。
所述耦合器选用3dB损耗一分二光纤耦合器，分光比为1：1。
所述电源接口5与供电电源连接，供电电源选用外接适配器额定电压12V，额定电流3A；本实施例将三片LM2576稳压芯片嵌入单片机控制板3上的电源板中，稳压芯片将12V输入电源稳压到5V分别为1×16单模光开关、FBG解调 模块8、宽带光源7、单片机控制板3供电。
所述单片机控制板3的主控制器选用ATMEGA128型号单片机。
所述FBG解调模块8的电气接口和1×16单模光开关2的接口均连接至单片机控制板。
所述解调仪器与上位机相互通信的接口为USB通信或RS-232串口通信。
所述解调仪的工作工程如下：所述宽带光源7发出的光经3dB光纤耦合器10和1×16单模光开关2的一个光通道，然后光经过法兰盘12入射到接入该光通道一根串联多个光纤Bragg光栅传感的光纤，光纤Bragg光栅传感反射不同中心波长的光波，反射光波经耦合器10照射到光纤Bragg光栅解调模块8的输入接口，光纤Bragg光栅解调模块8利用光生伏特效应以及信号处理原理，将光信号转换为包含光谱信息的电信号，电信号由单片机控制板3电平转换输出到仪器的USB通信接口6和串口通信接口4与上位机进行通信，上位机执行光谱波长采集程序、Bragg波长识别程序和光开关控制程序，通过RS232串口总线，经单片机控制板转换通信电平后，分别采集解调的传感光谱信息和执行多通道光开关的切换。
Claims (7)
1.一种16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，所述解调仪包括宽带光源(7)、光纤Bragg光栅解调模块(8)、法兰盘(12)、3dB光纤耦合器(10)、1×16单模光开关(2)、法兰盘(12)、单片机控制板(3)、USB通信接口(6)和串口通信接口(4)；
其中，宽带光源(7)和光纤Bragg光栅解调模块(8)分别通过法兰盘(9)与3dB光纤耦合器(10)的两个接口连接，3dB光纤耦合器(10)的另一个接口与1×16单模光开关(2)的光公共端相连，1×16单模光开关(2)的16路光通道分别与所述解调仪后面板16个法兰盘(12)相连，光纤Bragg光栅解调模块(8)电路输入输出接口、单模光开关(2)通道切换端口与单片机控制板(3)连接，单片机控制板(3)并与串口通信接口(4)、USB通信接口(6)连接。
2.如权利要求1所述的16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，宽带光源(7)发出的光经3dB光纤耦合器(10)和1×16单模光开关(2)的一个光通道，然后光经过法兰盘(12)入射到接入该光通道一根串联多个光纤Bragg光栅传感的光纤，光纤Bragg光栅传感反射不同中心波长的光波，反射光波经耦合器(10)照射到光纤Bragg光栅解调模块(8)的输入接口，光纤Bragg光栅解调模块(8)利用光生伏特效应以及信号处理原理，将光信号转换为包含光谱信息的电信号，电信号由单片机控制板(3)电平转换并经过仪器的USB通信接口(6)和串口通信接口(4)传送至上位机，从而进行解调和在线监测。
3.如权利要求2所述的16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，所述1×16单模光开关(2)通道切换由单片机控制板(3)输出高低电平信号控制，1×16单模光开关(2)只能有一路光通道与公共端开通，两个或多个光通道不能同时处于开通状态。
4.如权利要求2所述的16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，所述宽带光源(7)的输出光功率为13dBm，发出的光的工作波长为1525～1565nm。
5.如权利要求2所述的16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，所述光纤Bragg光栅解调模块(8)由光谱分析单元、探测单元和电处理单元组成，所述光谱分析单元为全息体相位光栅，结构为透射式，能将包含多路光信号的波长进行分离；所述探测单元为铟砷化镓阵列探测器，结构为PIN二极管探测阵列结构，利用pn结的光伏效应，实现光电转换，将光谱信号变化电信号；所述电处理单元能将包含光谱信号的电信号进行数字信号处理，处理后的数据经单片机控制板电平转换后，由串口通信接口(4)和USB通信接口(6)上传至上位机。
6.如权利要求5所述的16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，所述光纤Bragg光栅解调模块(8)使用512个探测阵列，在C波段1525～1565nm能够探测80个以内的波长峰值。
7.如权利要求1所述的16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，其特征在于，所述光纤Bragg光栅解调模块(8)、单片机控制板(3)、宽带光源(7)和1×16单模光开关(2)均采用铝制外壳进行封装。
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