CN210321776U - 一种光纤光栅光源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感技术领域，公开了一种光纤光栅光源系统，本实用新型在使用时，窄带激光器通过热调谐的方式，其中心波长在带宽范围内扫描，从而为光纤光栅传感系统提供波长扫描的激光，同时温控器能够控制窄带激光器的工作环境温度使其达到稳定值，使窄带激光器能够在稳定的温度环境下进行波长扫描，提升本实用新型的热调谐过程的稳定性。

Description

一种光纤光栅光源系统

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅光源系统。

背景技术

近年来，光纤光栅在传感领域的应用越来越引起人们的重视。同其它类型的传感器件相比，光纤传感器具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀、能在复杂的化学环境下工作等特点，这些优点使得光纤光栅传感器能够被广泛的应用于各种结构健康监测中。

光纤光栅传感系统中的关键技术是光纤光栅波长信息的检测，即对光纤光栅传感器反射谱进行实时监测得到光纤光栅传感器的中心波长。光纤光栅的波长检测技术，可分为干涉法、滤波法和扫描光源法等。干涉法分辨率高，适用于动态解调，但易受外界环境影响，可调法布里-珀罗滤波法具有较宽的调谐范围，但插入损耗大。扫描光源法是当前技术较为成熟的方法之一，具有良好的复用能力和静态应变测量能力，通过对各种波长进行参考，实现对光纤光栅传感器的高精度解调。

光源扫描法可分为宽带光源扫描和窄带光源扫描。目前，市场上大多数光纤光栅解调设备的解调方式为宽带光源的波长扫描解调，这种解调系统具有精度高，扫描范围大的优点，但是成本较高，由于可调谐的宽带激光器作为光源的价格昂贵，造成了解调仪器价格较高，同时，由于结构复杂，使得整个仪器在使用过程中需要的功耗较大。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种光纤光栅光源系统，使用时能够低成本地实现扫描光源法，为光纤光栅传感系统提供波长扫描的激光，并且光源能够在稳定的工作环境温度下进行波长扫描。

一种光纤光栅光源系统，包括光源系统和光纤光栅传感系统；所述光源系统包括窄带激光器、温控模块和驱动模块，所述驱动模块与窄带激光器连接并驱动窄带激光器发光；所述温控模块或驱动模块向所述窄带激光器发送温控信号使窄带激光器的腔内温度在一定范围内扫描，窄带激光器的中心波长随温度变化而在其带宽范围内扫描；所述温控模块还包括温控器，所述温控器用于控制所述窄带激光器工作环境温度为稳定值；所述光源系统输出中心波长扫描的窄带激光，该窄带激光进入所述光纤光栅传感系统。

进一步的，所述温控器控制窄带激光器工作环境温度的所述稳定值处于窄带激光器的腔内温度扫描范围内。

进一步的，所述窄带激光器的腔内温度扫描范围小于或等于10℃～50℃的范围，窄带激光器的工作环境温度的所述稳定值为30℃。

进一步的，所述温控器采用半导体温控器，所述窄带激光器设置在半导体温控器的温控区域上。

进一步的，还包括散热机构，所述散热机构安装在半导体温控器上，半导体温控器进行制冷时，散热机构对半导体温控器的发热区域进行降温。

进一步的，所述光纤光栅传感系统包括标准具，所述温控器同时控制标准具的工作环境温度为稳定值。

进一步的，还包括热传导机构，所述窄带激光器和标准具设置在热传导机构上，所述温控器控制热传导机构的温度值为稳定值。

进一步的，还包括保温机构，所述热传导机构设置在保温机构内。

进一步的，所述保温机构的外表上还设有一层保温棉。

进一步的，热传导机构与保温机构形成保温腔，所述窄带激光器和标准具处于所述保温腔中。

本实用新型的有益效果体现在：本实用新型在使用时，窄带激光器通过热调谐的方式，其中心波长在带宽范围内扫描，从而为光纤光栅传感系统提供波长扫描的激光，同时温控器能够控制窄带激光器的工作环境温度使其达到稳定值，使窄带激光器能够在稳定的温度环境下进行波长扫描，提升本实用新型的热调谐过程的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型的系统构成图；

图2为一种实施例提供的部分结构示意图；

图3为使用保温机构时一种实施例的结构示意图；

图4为使用保温机构时的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，一种光纤光栅光源系统，包括光源系统和光纤光栅传感系统；其中光纤光栅传感系统，光纤光栅传感系统可采用市面上常见的构造。采用扫描光源法对光纤光栅传感器(FBG传感器)的反射谱进行波长监测，光源系统输出波长扫描的激光通过分光器分为两路，一路通过光耦合器与标准具连接，利用标准具的反射谱作为参考，利用峰值探测与多项式拟合进行波长解调，以用于波长校准拟合；另一路激光通过光耦合器到达光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的反向散射光再反射回光耦合器(标准具和光纤光栅传感器前的光耦合器可采用光纤环形器来将反向散射光分至光纤环形器的第三端口再进入光电转换模块)，经光耦合器后进入光电转换模块进行光电转换，将光信号转换为电信号，进行数据采集，采集到的原始波形数据发送给计算机进行波长解调，通过解调程序，客户端便能够得到准确的光纤光栅传感器的波长数据，再进行计算得到光纤光栅传感器所附结构件的温度和形变数据，实现对结构件的长时间传感监测。

在传统的利用扫描光源法的光纤光栅传感系统中，可调谐的宽带激光器的成本较高，本实用新型首先提出光源系统使用窄带激光器。光源系统中还包括温控模块和驱动模块，驱动模块与窄带激光器连接，驱动模块主要用于给窄带激光器发送驱动电信号，以驱动窄带激光器发光；

温控模块或驱动模块向所述窄带激光器发送温控信号使窄带激光器的腔内温度在一定范围内扫描；温控信号一般为锯齿波信号，信号源可以设在在温控模块中也可以设置在驱动模块中，可以是常见的调制信号发生电路加设在两者内，也可以是驱动模块直接发送该锯齿波信号；采用温控信号调节腔内温度的方式一般称为热调谐。

一般的，当窄带激光器采用蝶形封装的DFB激光器时，该类型的激光器自身通过内部的热电冷却器(TEC)来保证波长的精度，温控信号可以加载在窄带激光器内的TEC上，TEC是一种半导体制冷片，其具有温度调谐功能。由于腔内温度变化，那么窄带激光器的有源区折射率及光栅周期则会发生变化，温控信号采用扫描信号，使TEC的温度在一定范围内扫描，由于TEC设置在窄带激光器内，那么腔内温度便会随TEC的温度扫描而扫描；随之而来，窄带激光器的有源区折射率及光栅周期则跟随腔内温度扫描而变化，则窄带激光器的中心波长随温度变化而在其带宽范围内扫描；以上便是窄带激光器的热调谐过程。使用窄带激光器进行的波长扫描，一般的窄带激光器的波长扫描范围为4nm左右，该数值足以用于市面上绝大多数的光纤光栅传感器型号。

优选的，本实用新型中的窄带激光器可采用分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器，其价格低、单色性好且线宽窄，3dB的带宽能够达到0.2nm的线宽。DFB激光器的中心波长能够与温度建立良好的线性关系，可以通过对激光器进行温度控制实现窄带光源扫描，一般的DFB激光器的波长扫描范围为4nm，可用于绝大多数光纤光栅传感器。

本实用新型为了解决热调谐的稳定性问题，温控模块还包括用于控制窄带激光器工作环境温度的温控器，温控器用于控制窄带激光器工作环境温度为稳定值，可设定好一个值使工作环境稳定在该设定的稳定值上，现有的温控器中一般包括温度监测和比较电路，以将工作环境温度调节至恒定的稳定值上，这样使得窄带激光器能够在稳定工作环境温度下进行热调谐，热调谐过程不会受到工作环境温度的波动而出现调谐误差；例如当工作环境温度高于所述稳定值时，温控器对工作环境温度进行降温，当工作环境温度低于所述稳定值时，温控器对工作环境温度进行升温；最终，光源系统输出中心波长扫描的窄带激光，该窄带激光进入光纤光栅传感系统，为光纤光栅传感系统提供波长扫描的激光。同时，窄带激光器的带宽窄、光功率高，可以分束给多路光纤光栅传感器使用，能够节省激光器。

在本实用新型中，温控器的控制电路处于温控模块中，可采用市面常见的温控器，例如半导体温控器，其驱动控制电路位于温控模块中，其既可以加热也可以制冷。温控器控制窄带激光器工作环境的温度稳定值处于窄带激光器的腔内温度扫描范围内，最好使所述的温度稳定值不超出腔内温度扫描范围，若在扫描范围外，窄带激光器的热调谐还需克服与工作环境的温差再进行调谐，这样会导致热调谐难度加大且调谐效率降低。

窄带激光器的腔内温度扫描范围小于或等于10℃～50℃的范围，这个范围值足以使窄带激光器的中心波长能够在其带宽范围内扫描完整。此外，由于本实用新型所应用的传感场景有时在室外有时在室内，平均温度为30℃左右，因此窄带激光器的工作环境温度设定的稳定值为30℃较为合适，且该稳定值为前述腔内温度扫描范围10℃～50℃的中间值，使得腔内温度在制冷和制热所克服的温差相同，从而使扫描过程中10～30℃的扫描时间和30～50℃的扫描时间的误差因素中不存在由工作环境温差导致的误差因素，从而能够平衡热调谐过程中制冷和制热过程的扫描时间。

优选的，如图2所示，温控器采用半导体温控器，窄带激光器2设置在半导体温控器的温控区域上，半导体温控器的温控区域为半导体制冷片1，半导体温控器的温度探测头安装在窄带激光器2上以实时监测窄带激光器2的温度(窄带激光器2的温度实际上就是其工作环境温度，即激光器内的工作温度)，半导体制冷片1的上表面或下表面在电信号的驱动下可以在制冷和制热状态之间切换，具体的可以是将窄带激光器2设置在半导体制冷片1的上表面或下表面上，半导体制冷片1对窄带激光器2的工作环境温度进行控制。例如当半导体温控器监测到窄带激光器2的工作环境温度大于稳定值时，半导体制冷片1与窄带激光器2接触的一面进行制冷，使工作环境温度达到前述稳定值；当半导体温控器监测到窄带激光器2的工作环境温度小于稳定值时，半导体制冷片1与窄带激光器2接触的一面进行制热，使工作环境温度达到前述稳定值。

进一步的，还包括散热机构，散热机构安装在半导体温控器上，半导体温控器进行制冷时，此时半导体温控器的半导体制冷片相对于窄带激光器所在面的一面为发热状态，其散发的热量会影响到半导体制冷片对窄带激光器的制冷过程，因此采用散热机构对半导体温控器的发热区域进行降温。具体的，可以是窄带激光器设置在半导体制冷片的下表面上，半导体制冷片的下表面对窄带激光器的工作环境温度进行调节，将散热机构设置在半导体制冷片的上表面上；当半导体制冷片下表面进行制冷时，散热机构开启将其上表面的热量散去以免影响制冷过程。具体的，散热机构可以包括温度探测器和散热器，散热器设置在半导体制冷片的上表面，散热器例如可以是由风扇和散热片构成，散热片与该上表面接触，温度探测器实时监测该上表面的温度，当上表面发热时，散热器对半导体温控器的发热区域进行降温，且风扇功率可调，接近窄带激光器的工作环境的温度值的过程中，风扇的功率不断降低即风扇的转速不断降低来使温度准确地达到设定的稳定值，可采用现有技术例如比较算法进行功率调节。也可以是散热机构直接得到半导体温控器的工作信号，当其半导体制冷片与窄带激光器接触的一面制冷时，散热机构打开进行散热。

光纤光栅传感系统包括标准具，标准具基本是光纤光栅传感系统中必备的设备，用于波长校准拟合，温控器同时控制标准具的工作环境温度为稳定值，该稳定值可以和前述的窄带激光器工作环境温度的稳定值不一致。例如窄带激光器的工作环境被温控器控制在30℃时，温控器可将标准具的工作环境温度控制在25℃。因此温控器在本实用新型中起到了额外的作用，使标准具处于稳定的温度值，从而使标准具提供的参考波长处于稳定状态，优化了波长校准拟合过程。具体的，当温控器为单个半导体温控器时，例如图2所示的实施例，将标准具3和窄带激光器2设置在半导体制冷片1的同一面上以方便地进行同时温控，若将标准具3和窄带激光器2设置在单个半导体温控器上时，标准具3和窄带激光器2的工作环境温度则为同等的稳定值。

由于半导体制冷片的温控区域一般较小且难以与其他各种形态的机构进行贴附安装，本实用新型提出一种优选实施例，还包括热传导机构，窄带激光器和标准具设置在热传导机构上，温控器控制热传导机构的温度值为稳定值，温控器首先将热传导机构的温度调节恒定在稳定值上，热传导机构再将稳定的温度值传导给窄带激光器和标准具，使窄带激光器和标准具的工作环境温度达到稳定值。具体的，当温控器采用半导体温控器时，将热传导机构与半导体温控器的温控区域接触即可，可以将热传导机构制成金属板，优选铜制金属板，再使金属板与半导体温控器的温控区域互相接触，金属板的面积可以任意定制使其更加的便于贴附窄带激光器和标准具。

进一步的，还包括保温机构，如图3所示，热传导机构4设置在保温机构5内，保温机构5可以是盒状的保温器，保温机构5可以采用保温性能优良的有机玻璃保温盒，将热传导机构4设置在保温机构5内可使外界环境难以影响热传导机构4以及窄带激光器和标准具的温度，使两者的工作环境温度更加稳定。并且保温机构5的外表上还设有一层保温棉以进一步提高保温性能。还可以是热传导机构4与保温机构5形成保温腔，窄带激光器和标准具处于所述保温腔中；具体的，保温机构5可采用上方开口的有机玻璃保温盒，有机玻璃保温盒的导热系数低，将窄带激光器和标准具设置在热传导机构4的下表面上，热传导机构4的尺寸设计为符合有机玻璃保温盒的上方开口尺寸，将热传导机构4盖入有机玻璃保温盒，使热传导机构4和有机玻璃保温盒形成一个位于热传导机构4下方的保温腔，热传导机构4的下表面朝下使得窄带激光器和标准具处于该保温腔中，使得窄带激光器和标准具更不易受外界温度影响，半导体制冷片1贴附在热传导机构4的上表面以对热传导机构4进行温度控制。当窄带激光器和标准具的温度达到稳定值时，由于保温腔的保温效果，温控器可以长时间不工作或以低功率工作，这样能够节省能源，使得本实用新型在电源匮乏的场景中能够使用较长时间。如图4所示，采用保温机构5时，可将散热机构安装在半导体制冷片1的上表面上，当散热机构包括散热片6和风扇7时，散热片6安装在半导体制冷片1的上表面。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种光纤光栅光源系统，包括光源系统和光纤光栅传感系统；其特征在于：

所述光源系统包括窄带激光器、温控模块和驱动模块，所述驱动模块与窄带激光器连接并驱动窄带激光器发光；

所述温控模块或驱动模块向所述窄带激光器发送温控信号使窄带激光器的腔内温度在一定范围内扫描，窄带激光器的中心波长随温度变化而在其带宽范围内扫描；

所述温控模块还包括温控器，所述温控器用于控制所述窄带激光器工作环境温度为稳定值；

所述光源系统输出中心波长扫描的窄带激光，该窄带激光进入所述光纤光栅传感系统。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：所述温控器控制窄带激光器工作环境温度的所述稳定值处于窄带激光器的腔内温度扫描范围内。

3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：所述窄带激光器的腔内温度扫描范围小于或等于10℃～50℃的范围，窄带激光器的工作环境温度的所述稳定值为30℃。

4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：所述温控器采用半导体温控器，所述窄带激光器设置在半导体温控器的温控区域上。

5.根据权利要求4所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：还包括散热机构，所述散热机构安装在半导体温控器上，半导体温控器进行制冷时，散热机构对半导体温控器的发热区域进行降温。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：所述光纤光栅传感系统包括标准具，所述温控器同时控制标准具的工作环境温度为稳定值。

7.根据权利要求6所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：还包括热传导机构，所述窄带激光器和标准具设置在热传导机构上，所述温控器控制热传导机构的温度值为稳定值。

8.根据权利要求7所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：还包括保温机构，所述热传导机构设置在保温机构内。

9.根据权利要求8所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：所述保温机构的外表上还设有一层保温棉。

10.根据权利要求9所述的一种光纤光栅光源系统，其特征在于：热传导机构与保温机构形成保温腔，所述窄带激光器和标准具处于所述保温腔中。

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