CN212300381U - 基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置 - Google Patents
基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，包括C波段可调谐激光器、光纤环形器、分光比为50：50的第一光纤耦合器、第一光偏振控制器、光纤衰荡环、不对称插入的声光调制器、声光调制器驱动源、平衡探测器、数据采集卡以及计算机；本实用新型将光纤光栅作为传感元件接入光纤衰荡环，调节连续激光的波长使其位于光纤光栅的线性工作区域内。由于光纤光栅的透射强度随外界参量的变化而线性变化，从而导致光纤衰荡环的总损耗和衰荡距离发生变化，因此本实用新型装置可应用于获取光纤光栅所处外界参量的变化。本实用新型结构简单，成本低，且具有更高的精度、灵敏度及稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤光栅传感解调装置，特别涉及基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置。
背景技术
光纤光栅具有体积小，全兼容于光纤，附加损耗小，极化不敏感，抗电磁干扰，耐腐蚀，响应快，谐振波长对温度、应变及折射率等外界参量都较敏感，易于组网以及易于规模化生产等优点，已经在民用工程、航空航天、石油化工、生物医学以及电力系统检测等领域得到了广泛的应用。
待测参量能引起光纤光栅中心波长的漂移，但是传统的波长解调方法受限于光谱分析仪及其分辨率，价格昂贵，解调精度低。近年来已经出现了一些采用传统的光纤腔衰荡光谱技术实现光纤光栅传感解调的报道，提高了测量精度和灵敏度，但是这类技术采用的都是脉冲光，需要脉冲激光器或采用电光调制器对光源进行脉冲调制。同时为处理衰荡脉冲信号，都必须选用快速光电探测器和高速数据采集设备，无法降低对电子元器件的要求，因此难以简化系统结构，难以进一步降低系统成本，在实际应用中受到很大限制。
发明内容
本实用新型的目的是提供基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，该装置不仅可避免波长解调和使用昂贵的光谱分析仪，而且光源采用连续光，不需要脉冲调制、快速探测与高速解调，具有成本低、灵敏度高以及测量精度高的优点。
本实用新型基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，包括C波段可调谐激光器、光纤环形器、分光比为50：50的第一光纤耦合器、第一光偏振控制器、光纤衰荡环、不对称插入的声光调制器、声光调制器驱动源、平衡探测器、数据采集卡以及计算机；
所述光纤衰荡环由第二光纤耦合器、延迟光纤、第二光偏振控制器、第三光纤耦合器、光纤光栅顺次连接为闭合环；第二光纤耦合器和第三光纤耦合器具有相同的分光比，且分光比不小于99：1；光纤光栅的反射率不大于10%；
C波段可调谐激光器的输出端连接光纤环形器的第一端口，光纤环形器的第二端口连接第一光纤耦合器的第一输入端口，其第三端口连接平衡探测器；第一光纤耦合器的第二输入端口连接平衡探测器；
第一光纤耦合器的第一输出端口连接第一光偏振控制器，其第二输出端口连接声光调制器；第一光偏振控制器连接光纤衰荡环中第二光纤耦合器的输入端口，声光调制器连接光纤衰荡环中的第三光纤耦合器的输入端口；
平衡探测器的输出端连接数据采集卡；声光调制器驱动源的一端连接声光调制器，其另一端连接计算机，数据采集卡连接计算机。
需要说明的是，光纤环形器的第一端口、第二端口、第三端口分别对应图1所示光纤环形器的端口①、②、③。第一光纤耦合器的第一输入端口、第二输入端口分别对应图1所示第一光纤耦合器的输入端口①、输入端口②（输入端口①、输入端口②即图1中标注于第一光纤耦合器左侧的端口①、②），第一光纤耦合器的第一输出端口、第二输出端口分别对应图1所示第一光纤耦合器的输出端口①、输出端口②（输出端口①、输出端口②即图1中标注于第一光纤耦合器右侧的端口①、②）。第二光纤耦合器的输入端口对应图1所示第二光纤耦合器的端口①，第三光纤耦合器的输入端口对应图1所示第三光纤耦合器的端口②。第二光纤耦合器的端口①连接第一光偏振控制器，其端口②连接光纤光栅；第三光纤耦合器的端口②连接声光调制器，其端口①连接光纤光栅。
本实用新型中，不对称插入的声光调制器指：声光调制器到第一光纤耦合器的输出端口①、②的距离不一样。只有不对称地将声光调制器插入到第一光纤耦合器的两个输出端形成的环路中，才能使顺时针方向和逆时针方向旋转的两束光发生频移的时间不一样，才能产生相位差，从而形成干涉。
进一步的，C波段可调谐激光器为Santec TSL-510C型号可调谐激光器。
进一步的，光纤环形器、第一光偏振控制器、第二光偏振控制器均采用MC FiberOptics公司的单模光纤。
进一步的，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器均采用MC FiberOptics公司的光纤耦合器。
进一步的，声光调制器采用Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP型号声光调制器。
进一步的，声光调制器驱动源采用VFF-100-20-SPF-A-C2-X型号驱动源。
进一步的，平衡探测器采用新福克斯模型2117。
进一步的，数据采集卡采用NI USB-6361 DAQ模块。
光纤光栅对温度、压力、应变、折射率等外界参量均比较敏感，所以本实用新型将光纤光栅作为传感元件接入光纤衰荡环，调节连续激光的波长使其位于光纤光栅的线性工作区域内。由于光纤光栅的透射强度随外界参量的变化而线性变化，从而导致光纤衰荡环的总损耗和衰荡距离发生变化，因此本实用新型装置可应用于获取光纤光栅所处外界参量的变化。
和现有技术相比，本实用新型光纤光栅传感解调装置具有如下优点和有益效果：
（1）采用频移干涉光纤环衰荡技术，不需要昂贵的光谱仪，不需要脉冲激光器或电光调制器，也不需要快速电子器件，因而具有结构简单、成本低的优势；
（2）同时采用频移干涉和差分探测，可消除外界干扰，具有更高的精度和稳定性；
（3）将频移干涉和光纤衰荡环结合，利用连续激光在光纤震荡环中多次循环衰减，来放大外界参量对光纤光栅的作用，因此可大大提高光纤光栅传感解调的灵敏度。
附图说明
图1是本实用新型光纤光栅传感解调装置的结构框图；
图2是激光波长在光纤光栅透射谱中的位置示意图。
图中，1-C波段可调谐激光器，2-光纤环形器，3-第一光纤耦合器，4-第一光偏振控制器，5-光纤衰荡环，5-1-第二光纤耦合器，5-2-延迟光纤，5-3-第二光偏振控制器，5-4-第三光纤耦合器，5-5-光纤光栅，6-声光调制器，7-声光调制器驱动源，8-平衡探测器，9-数据采集卡，10-计算机。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例
参见图1，所示光纤光栅传感解调装置，本实施例中光纤光栅传感解调装置包括C波段可调谐激光器1、光纤环形器2、分光比为50：50的第一光纤耦合器3、第一光偏振控制器4、光纤衰荡环5、不对称插入的声光调制器6、扫频范围为90-110MHz的声光调制器驱动源7、1MHz的平衡探测器8、100KHz的数据采集卡9以及计算机10，本实施例中，计算机10不仅可当作所采集数据的存储单元，也可通过植入数据处理软件对所采集数据进行处理（例如植入Labview程序），还可用来对声光调制器驱动源7发送指令以进行控制。声光调制器驱动源7用作声光调制器6的驱动源。其中，光纤衰荡环5由第二光纤耦合器5-1、约55米长的延迟光纤5-2、第二光偏振控制器5-3、第三光纤耦合器5-4、光纤光栅5-5顺次连接为闭合环。光纤衰荡环5的环长应大于激光光源的相干长度，本实施例中，光纤衰荡环总长度约60米。第一光纤耦合器3、第一光偏振控制器4、光纤衰荡环5和声光调制器6构成频移干涉萨格纳克干涉环。
本实用新型中，第二光纤耦合器5-1和第三光纤耦合器5-4的分光比应相等，且大于99：1。在本实施例中，所采用的第二光纤耦合器5-1和第三光纤耦合器5-4的分光比为99.5:0.5。本实用新型中，光纤光栅5-5反射率应不大于10%。在本实施例中，所采用的光纤光栅5-5反射率为10%。
本实施例中，C波段可调谐激光器1采用Santec TSL-510C型号可调谐激光器。光纤环形器2是三个端口的非可逆光纤器件，参见图1，光信号从光纤环形器的第一端口（即图1中所示端口①）输入，则只能从第二端口（即图1中所示端口②）输出；光信号从第二端口输入，则只能从第三端口（即图1中所示端口③）输出，光纤环形器起到非可逆传输光的作用。第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器5-1、第三光纤耦合器5-4均采用MC Fiber Optics公司的光纤耦合器；延迟光纤5-2采用YOFC光纤；第一光偏振控制器4和第二光偏振控制器5-3均采用MC Fiber Optics公司的单模光纤；声光调制器6采用Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP型号声光调制器；声光调制器驱动源7采用VFF-100-20-SPF-A-C2-X型号驱动源；平衡探测器8采用新福克斯模型2117；数据采集卡9采用NI USB-6361 DAQ模块。
参见图2，所示为激光波长和光纤光栅透射谱的位置关系示意图。通过调节本实施例中C波段可调谐激光器的波长，使C波段可调谐激光器发射的连续光波长位于光纤光栅5-5的线性工作区域I，也可以通过调节使得发射的连续光波长位于光纤光栅5-5的线性工作区域II。当外界参量变化时，光纤光栅的透射谱将发生整体移动，透射强度将随外界参量线性变化，导致光纤光栅引入的附加损耗也线性变化。基于此，可将本实用新型装置应用于测量光纤光栅所处外界参量。
本实施例中，调节C波段可调谐激光器1，使其发射的连续激光波长位于光纤光栅5-5的线性工作区域。C波段可调谐激光器1发射的连续激光经光纤环形器2的端口②，进入频移干涉萨格纳克干涉环，在第一光纤耦合器3处被分成顺时针和逆时针方向传输的两束光强相等的光。顺时针方向传播的光从第一光纤耦合器3的输出端口①输出至第一光偏振控制器4，再从第二光纤耦合器5-1的端口①进入光纤衰荡环5内循环衰减，每环行一圈99.5%的光留在光纤衰荡环5内继续循环，只有0.5%的光从第三光纤耦合器5-4泄露，经声光调制器6进行频移后到达第一光纤耦合器3。而逆时针方向传输的光则从第一光纤耦合器3的输出端口②输出至声光调制器6，再从第三光纤耦合器5-4的端口②进入光纤衰荡环5内循环衰减，同样的，每环行一圈只有0.5%的光从第二光纤耦合器5-1泄露，经第一光偏振控制器4返回第一光纤耦合器3。本实用新型中，第一光偏振控制器4和第二光偏振控制器5-3均用于调节光束的偏振态以及提高干涉条纹可见度。
在光纤衰荡环中，光纤光栅5-5反射光的频率与反向入射光纤光栅5-5的透射光的频率不同，一个是原光源频率, 另一个是频移后光频率，因此不会对反向入射光纤光栅5-5的透射光造成干扰。反射光也不会影响同时透射的同频率透射光，因为反射光经过分光比为99.5:0.5的光纤耦合器后，光强降为原来的(0.5%)2，对光纤衰荡环的入射光功率的影响可以忽略，并且光纤光栅5-5的反射率越低（如1%或0.1%），这种影响越发可以忽略。
当光源的相干长度短于光纤衰荡环的环长度时，在相反方向上环行圈数不相同的两束光不会发生干涉。本实施例中光源的相干长度约2.4 m，比约60米的光纤衰荡环短很多，因此在相反方向上环行圈数不相同的两束光不会发生干涉，但是环行圈数相同的两束光由于发生频移的位置不同，两者之间产生恒定相位差，从而在第一光纤耦合器3处发生干涉。之后又由第一光纤耦合器3平分成两束光强相等的光进入平衡探测器8，具体来说，第一束光通过第一光纤耦合器3左侧的端口②进入平衡探测器8；第二束光进入光纤环形器2的端口②，再从光纤环形器2端口③进入平衡探测器8，平衡探测器8对光信号进行差分探测后转换为电信号。数据采集卡9采集平衡探测器8输出的电信号数据，之后传输到计算机10中。
本实用新型中，当光纤光栅所处外界参量变化时，光纤光栅透射强度会随之发生线性变化，从而导致光纤衰荡环的总损耗和衰荡距离发生变化，而通过对传输至计算机10的电信号数据进行处理可获得衰荡距离。因此，本实用新型装置可应用于获取光纤光栅所处的外界参量。
通过在计算机内植入Labview程序，即可实现采集的电信号数据处理。利用Labview程序对电信号数据做快速傅里叶变换，获得幅度随传播距离衰减的信号，即空间域衰荡信号；提取空间域衰荡信号的峰值并对峰值进行拟合，获得光纤衰荡环的衰荡距离。基于衰荡距离，即可检测外界参数或外界参数的变化。
上述实施例所述是用以具体说明本实用新型，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本实用新型的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本实用新型的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。
Claims (6)
1.基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，其特征是：
包括C波段可调谐激光器、光纤环形器、分光比为50：50的第一光纤耦合器、第一光偏振控制器、光纤衰荡环、不对称插入的声光调制器、声光调制器驱动源、平衡探测器、数据采集卡以及计算机；
所述光纤衰荡环由第二光纤耦合器、延迟光纤、第二光偏振控制器、第三光纤耦合器、光纤光栅顺次连接为闭合环；第二光纤耦合器和第三光纤耦合器具有相同的分光比，且分光比不小于99：1；光纤光栅的反射率不大于10%；
C波段可调谐激光器的输出端连接光纤环形器的第一端口，光纤环形器的第二端口连接第一光纤耦合器的第一输入端口，其第三端口连接平衡探测器；第一光纤耦合器的第二输入端口连接平衡探测器；
第一光纤耦合器的第一输出端口连接第一光偏振控制器，其第二输出端口连接声光调制器；第一光偏振控制器连接光纤衰荡环中第二光纤耦合器的一输入端口，声光调制器连接光纤衰荡环中第三光纤耦合器的一输入端口；
平衡探测器的输出端连接数据采集卡；声光调制器驱动源的一端连接声光调制器，其另一端连接计算机，数据采集卡连接计算机。
2.如权利要求1所述的基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，其特征是：
所述C波段可调谐激光器为Santec TSL-510C型号可调谐激光器。
3.如权利要求1所述的基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，其特征是：
所述声光调制器采用Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP型号声光调制器。
4.如权利要求1所述的基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，其特征是：
所述声光调制器驱动源采用VFF-100-20-SPF-A-C2-X型号驱动源。
5.如权利要求1所述的基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，其特征是：
所述平衡探测器采用新福克斯模型2117。
6.如权利要求1所述的基于频移干涉光纤环衰荡的光纤光栅传感解调装置，其特征是：
所述数据采集卡采用NI USB-6361 DAQ模块。
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