CN205957991U - 一种光纤光栅解调仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤光栅解调仪，包括依次连接的波长扫描激光光源模块、PLC分光模块、测量和波长标定模块、数据处理模块以及工控机模块，所述波长扫描激光光源模块包括光器件和信号控制板；本实用新型采用内置滤波器的环形腔波长扫描激光光源，实现光能量的集中输出，单位波长的光能量提高2‑4个数量级，可实现多路探测并提高测量信号的信噪比，实现波长解调精度高；采用带通滤波器与FP标准具组合作为光纤光栅解调仪的标定通道，采用固定输出与截止波长，结合FP标准具的标准波长方便标定，大大简化了解调过程。

Description

一种光纤光栅解调仪

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅解调仪。

背景技术

光纤光栅传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。近年来，光纤光栅传感器被广泛应用于隧道火灾、桥梁结构健康、矿井压力、油罐液位等场所。

传统上，光纤光栅解调仪的光源采用掺铒光纤放大自发辐射光源(ASE)外加可调滤波器的方案，滤波器对光源光谱顺序扫描并输出至测量网络，测量网络通过光分路器分成多路进行多通道测量，经过多路分光使得每条测量通道的光信号极大的衰减，光源能量存在很大的浪费，在测量网络存在较大光损耗的情况下，会使误报率提升。极大的限制了设备多通道扩展的要求；每一通道内的光纤光栅传感器进行串接过程与工程布控过程中都会带来极大的光损耗，导致通道末端的传感器信噪比严重下降甚至无法识别光纤光栅传感器的存在。

中国专利文献中，公开号CN103512510B名称是一种基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法(参见该申请说明书具体实施方式部分)，公开了一种基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法，包括激光器、耦合器、环形器、光电探测器和N个传感器通道，该激光器为基于F-P滤波器的环形腔可调激光器，包括泵浦激光器、波分复用器、掺饵光纤、激光器1×2耦合器、可调谐F-P滤波器及光纤隔离器，通过可调谐F-P滤波器输出可调谐激光束。但是，上述可调谐激光光源采用可调谐F-P滤波器作为调谐元件，由于可调谐F-P滤波器的迟滞和蠕变特性，在三角波电压反复扫描下不可能每次输出波长都重合，且压电陶瓷受到外界环境温度的变化以及外界振动的变化而发生偏移，因此通过驱动电压确定扫描激光光源的发射波长很难实现，不能得到待测传感器的波长信息，导致解调精度不高，而且传统的波长解调方案利用波长标准具与气体吸收室或对某固定的光纤光栅进行温控来锁定其位置，算法比较繁琐不易实现。

因此，为了解决现有技术存在的问题，研究一种输出光信号能量高、标定方便准确、解调过程简单、解调精度高的光纤光栅解调仪已经成为一项重要任务。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种光纤光栅解调仪，目的是通过采用波长扫描激光光源，实现输出光信号能量高、标定方便准确，正确解调出波长。通过带通滤波器与FP标准具组合作为标定通道，有效的避免光路中FFP滤波器的蠕变造成的解调精度不高的问题；通过扫描两个完整的FFP滤波器的自由光谱范围FSR可以省略频繁调节三角波扫描电压的过程；采用ARM硬件寻峰算法，加快了数据处理的时间，有效的降低了设备对工控板的要求使资源配置更合理，处理速度更快更准确，极大简化了寻峰过程。

本实用新型的技术方案为：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种光纤光栅解调仪，包括依次连接的波长扫描激光光源模块、PLC分光模块、测量和波长标定模块、数据处理模块以及工控机模块，所述波长扫描激光光源模块包括光器件和信号控制板，所述光器件包括依次连接的980半导体激光器、波分复用器、第一隔离器、掺饵光纤、第二隔离器、FFP滤波器、增益平坦滤波器、第一耦合器和带通滤波器，所述第一耦合器还经第三隔离器与波分复用器连接，所述信号控制板用于为980半导体激光器提供电流且用于为FFP滤波器提供三角波电压；所述PLC分光模块包括第二耦合器、PLC分束器、第三耦合器阵列和光纤光栅传感器串；所述测量和波长标定模块包括32个通道，其中1个通道接入FP标准具为波长标定通道，另外31个通道为测量通道，所述32个通道分为两组，分别连接两个数据采集卡。

与现有技术相比，本实用新型的波长扫描激光光源采用内置滤波器的环形腔波长扫描激光光源，将FFP滤波器、增益平坦滤波器移至光源内部，搭建成环形腔激光器，通过对激光器腔内损耗、滤波器扫描速率、增益介质选择、滤波器电压扫描等参数优化，实现光能量的集中输出，相比于外置滤波器，单位波长的光能量提高2-4个数量级，同时内置滤波器的波长扫描激光光源还可以获得更宽的波长扫描范围。波长扫描激光光源为光纤布拉格光栅FBG传感系统的光源，用于把电信号转化成光信号，其输出为激光，激光的波长由FFP滤波器的供电电压决定，FFP滤波器为光滤波器，当980半导体激光器的光入射到掺铒光纤上时，掺铒光纤中的铒离子被抽运到高能级并向低能级跃迁过程中产生C波段荧光，由于光路利用FFP滤波器组成环形腔，由于F-P腔的选择作用，有一窄带光出射，出射光谱的中心波长与其腔长相对应。所述FFP滤波器对应一个自由光谱范围FSR为50nm，且能够完全包含波长扫描激光光源的输出波长范围。信号控制板用于为980半导体激光器提供电流且用于为FFP滤波器提供三角波电压；光纤FFP滤波器中施加在压电陶瓷(PZT)上的三角波电压，三角波扫描电压的范围能够完全包含FFP滤波器两个完整的波长输出周期，因此无论FFP滤波器受到外界温度与振动变化都能包含一个FFP滤波器的完整的连续周期。信号控制板输出的三角波电压决定FFP滤波器的输出波长，通过调节三角波电压得到激光源的可调谐输出。PLC分光模块中的PLC分束器把一个输入的光信号分配给多个输出，在光纤布拉格光栅FBG传感系统中，PLC分束器把可调谐激光光源发射出来的窄带光按照一定比例分配给测量和波长标定模块。测量和波长标定模块包括32个通道，其中1个通道接入FP标准具为波长标定通道，另外31个通道为测量通道，所述32个通道分为两组，波长标定通道与15个测量通道为一组，另外16个测量通道为一组，两组分别连接两个数据采集卡。波长标定通道由FP标准具对光的反射特性和带通滤波器的通带截止波长作为标志波长实现波长标定，利用带通滤波器的通带截止波长限定可调谐激光源的输出与截止波长，带通滤波器的通带波长范围为40nm，带通滤波器的通带起止位置陡峭，形成光波长截止分界点。通过确定带通滤波器通带起始波长在FP标准具中的相对位置查表确定FP标准具的各透射峰的透射波长，将其全部透射峰的波长进行确认，将光路连接到数据采集卡中的铟镓砷光电探测器(PIN管)后通过光电探测器光电转换，流压芯片转换后的电压信号实时显示，并通过特征透过峰的标定作用将时间信息转换为波长信息。

所述数据处理模块采用嵌入式ARM9作为核心处理芯片；数据处理模块是采用嵌入式ARM9作为系统的核心处理芯片，FPGA电路将采集到标定通道的数据传输给ARM9进行数据硬件寻峰，查找连续完整周期的带通滤波器的起始波长时间点，截取所有通道位于带通滤波器起始波长范围内的数据作为有效数据传输给ARM9；ARM9将上升与下降数据的点数满足设定要求的峰作为标准具的一个透射峰，当该通道内的全部透射峰确认后，查找标准具的datasheet表格对所有寻到的峰进行赋值并建立时间与波长的关系，利用线性插值法对其余的31个测量通道内的传感器进行硬件寻峰。通道传感器的峰值时间点t与对应标定通道内的时间点T1，T2……Tn进行比较，当Tk<t<Tk+1时，利用线性插值算法得到通道内传感器的波长。

所述波长标定通道与15个测量通道为一组接入一个数据采集卡，另外16个测量通道为一组接入另一个数据采集卡。

所述数据采集卡包括依次连接的PIN管、流压转换芯片、模数转换电路和FPGA电路；数据采集卡由一系列的PIN管与模数转换电路和FPGA电路组成，PIN管将每个通道接收到的光信号转换为电流信号输出，通过流压转换芯片将PIN管输出的电流信号转换为可进行数字化的电压信号，经过后级电路的电压放大、滤波、模数转换等电路得到数字化处理后的电压信号；两个数据采集卡通过PIN管对32个通道的光信号进行采集，并转化为电信号并数字化；每一个数据采集卡上利用一片16通道模数转换芯片，同步对1个波长扫描周期内完成所有通道信号的采集，以波长扫描频率1Hz，波长扫描范围为40nm，在1s内对1个波长标定通道和31个测量通道各采样一次；FPGA电路将满足要求的数据传输给ARM9进行数据寻峰。

所述信号控制板发出的三角波扫描电压的扫描频率为1Hz。

所述工控机模块包括通讯接口和显示接口，通讯接口包括以太网接口、USB接口、串口和PS/2接口，显示接口采用VGA接口，VGA接口外接液晶显示器；工控机模块还安装有设备上位机软件，通过上位机软件实现数据显示、报警处理、参数读取与设置、结果显示等功能。

所述波分复用器采用980/1550/com三端口波分复用器。

所述第一耦合器采用50:50耦合器，所述第二耦合器采用1:99的耦合器，所述第三耦合器阵列采用50:50耦合器。

本实用新型的技术效果为：

本实用新型提供了一种光纤光栅解调仪，该解调仪采用内置滤波器的环形腔波长扫描激光光源，实现光能量的集中输出，相比于外置滤波器，单位波长的光能量提高2-4个数量级，可实现多路探测并提高测量信号的信噪比，实现波长解调精度高；采用带通滤波器与FP标准具组合作为光纤光栅解调仪的标定通道，采用固定波长输出与截止频率，结合FP标准具的标准波长方便标定，大大简化了解调过程，有效的避免了光路中FFP滤波器的蠕变造成的解调精度不高的问题；通过扫描两个完整的FFP滤波器的自由光谱范围(FSR)可以省略频繁调节三角波扫描电压的过程；同时采用ARM9硬件寻峰算法，加快了数据处理的时间，有效的降低了设备对工控机的要求使资源配置更合理，也使处理速度更快更准确。

附图说明

图1为本实用新型光纤光栅解调仪结构示意图。

图2为本实用新型光纤光栅解调仪波长扫描激光光源模块结构示意图。

图3为本实用新型光纤光栅解调仪波长标定通道透射谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式：

如图1-图3所示，本实用新型提供了一种光纤光栅解调仪，包括依次连接的波长扫描激光光源模块1、PLC分光模块、测量和波长标定模块、数据处理模块8以及工控机模块9，所述波长扫描激光光源模块1包括光器件和信号控制板，所述光器件包括依次连接的980半导体激光器11、波分复用器12、第一隔离器、掺饵光纤13、第二隔离器、FFP滤波器14、增益平坦滤波器15、第一耦合器16和带通滤波器17，所述第一耦合器16还经第三隔离器与波分复用器12连接，所述波分复用器12采用980/1550/com三端口波分复用器；所述信号控制板用于为980半导体激光器11提供电流且用于为FFP滤波器14提供三角波电压；所述PLC分光模块包括第二耦合器2、PLC分束器3、第三耦合器阵列4和光纤光栅传感器串5；所述第一耦合器16采用50:50耦合器，所述第二耦合器2采用1:99的耦合器，所述第三耦合器阵列4采用50:50耦合器。所述测量和波长标定模块包括32个通道，其中1个通道接入FP标准具6为波长标定通道，另外31个通道为测量通道，所述32个通道分为两组，分别连接两个数据采集卡7。所述波长标定通道与15个测量通道为一组接入一个数据采集卡7，另外16个测量通道为一组接入另一个数据采集卡7。所述数据采集卡7包括依次连接的PIN管、模数转换电路和FPGA电路；所述信号控制板发出的三角波扫描电压为1Hz。所述数据处理模块8采用嵌入式ARM9作为核心处理芯片。所述工控机模块9包括通讯接口和显示接口，通讯接口包括以太网接口、USB接口、串口和PS/2接口，显示接口采用VGA接口，VGA接口外接液晶显示器10；工控机模块9还安装有设备上位机软件，通过上位机软件实现数据显示、报警处理、参数读取与设置、结果显示等功能。

所述波长扫描激光光源模块1包括光器件和信号控制板，所述光器件包括依次连接的980半导体激光器11、波分复用器12、第一隔离器、掺饵光纤13、第二隔离器、FFP滤波器14、增益平坦滤波器15、第一耦合器16和带通滤波器17。当980半导体激光器1的光入射到掺铒光纤13上时，掺铒光纤13中的铒离子被抽运到高能级并向低能级跃迁过程中产生C波段荧光，光路利用FFP滤波器14组成环形腔，由于F-P腔的选择作用，有一窄带光出射，出射光谱的中心波长与其腔长相对应。信号控制板输出的三角波电压决定FFP滤波器14的输出波长，因此通过调节三角波电压得到激光源的可调谐输出。利用带通滤波器17的通带截止波长限定可调谐激光光源的输出与截止波长，带通滤波器17的通带波长范围为40nm，带通滤波器的起止位置陡峭，形成光波长截止分界点，从而实现光能量的集中输出，光源输出功率大可实现32路光信号同步光路输出；同时内置滤波器的波长扫描激光光源还可以获得更宽的波长扫描范围。采用带通滤波器17与FP标准具6组合作为光纤光栅解调仪的标定通道，采用固定波长输出与截止频率，结合FP标准具6的标准波长方便标定，有效的避免了光路中FFP滤波器14的蠕变造成的解调精度不高的问题；通过扫描两个完整的FFP滤波器14的自由光谱范围FSR可以省略频繁调节三角波扫描电压的过程，大大简化了解调过程。

Claims (8)

1.一种光纤光栅解调仪，包括依次连接的波长扫描激光光源模块、PLC分光模块、测量和波长标定模块、数据处理模块以及工控机模块，所述波长扫描激光光源模块包括光器件和信号控制板，其特征在于：所述光器件包括依次连接的980半导体激光器、波分复用器、第一隔离器、掺饵光纤、第二隔离器、FFP滤波器、增益平坦滤波器、第一耦合器和带通滤波器，所述第一耦合器还经第三隔离器与波分复用器连接，所述信号控制板用于为980半导体激光器提供电流且用于为FFP滤波器提供三角波电压；所述PLC分光模块包括第二耦合器、PLC分束器、第三耦合器阵列和光纤光栅传感器串；所述测量和波长标定模块包括32个通道，其中1个通道接入FP标准具为波长标定通道，另外31个通道为测量通道，所述32个通道分为两组，分别连接两个数据采集卡。

2.如权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述数据处理模块采用嵌入式ARM9作为核心处理芯片。

3.如权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述波长标定通道与15个测量通道为一组接入一个数据采集卡，另外16个测量通道为一组接入另一个数据采集卡。

4.如权利要求3所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述数据采集卡包括依次连接的光电探测器、流压转换芯片、模数转换电路和FPGA电路。

5.如权利要求4所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述信号控制板发出的三角波扫描电压的扫描频率为1Hz。

6.如权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述工控机模块包括通讯接口和显示接口，通讯接口包括以太网接口、USB接口、串口和PS/2接口，显示接口采用VGA接口，VGA接口外接液晶显示器。

7.如权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述波分复用器采用980/1550/com三端口波分复用器。

8.如权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于：所述第一耦合器采用50:50耦合器，所述第二耦合器采用1:99的耦合器，所述第三耦合器阵列采用50:50耦合器。