CN217541958U - 手持式超弱光纤光栅波长解调仪 - Google Patents

Abstract

手持式超弱光纤光栅波长解调仪，包括壳体，所述壳体内设有光子集成器件、波长信号处理及控制板卡、电源模块，壳体设有触摸屏；波长信号处理及控制板卡分别连接光子集成器件、电源模块、触摸屏。波长信号处理及控制板卡对光子集成器件进行指令和参数配置。光子集成器件产生波长和频率可变化的激光脉冲，经过放大、光路选择以及光电转换后，再由波长信号处理及控制板卡由完成模数转换、光栅定位及波长实时解析，输出超弱光栅的波长及位置信息。该解调仪以高度集成的嵌入式系统为核心开发波长信号处理及控制板卡，取代X86计算机，直接解调超弱光栅传感器的位置和波长信息。同时对多个光学器件进行集成设计，大幅降低了解调仪的功耗和体积。

Description

手持式超弱光纤光栅波长解调仪

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感领域。具体涉及一种手持式超弱光纤光栅波长解调仪。

背景技术

光纤光栅传感器由于其精度高、轻便、耐腐蚀、抗电磁干扰等一系列优点已被广泛应用于结构安全、安防监测等场合。超弱光纤光栅（以下简称“超弱光栅”）是对反射率低于0.1%光栅的统称，其单波长上可复用数千个光栅，极大地提升了光纤光栅的复用容量。随着超弱光栅的大规模制备技术成熟及普及，其大容量、高强度、制作简单等优势逐渐获得认可，在土木工程、轨道交通、火灾报警中获得迅速推广。

目前超弱光栅采集系统多采用底层数据采集和X86计算机处理的组合方案，大型板卡和X86主板的体积和功耗体积和功耗居高不下，信号控制与数据传输的连接线多，存在接插件松动、传输数据掉包以及传输速度受限等问题，导致解调系统的体积硕大、实时性差，难以满足野外或复杂工程环境监测的需要。此外，传统的超弱光栅解调装置多采用分立的光器件搭建，光学有源器件的数量多，独立制冷的电路配置重复，功耗高，光纤与电缆交叉，可靠性差。随着智能物联网技术的大规模推广，亟需一款体积小、功耗低且性能强大的超弱光栅解调模块，能够适应野外及各种复杂的工程应用场景。

发明内容

针对现有的解调设备解调速度慢，体积大、功耗高，无法满足工程应用场景的问题，本实用新型提出了一种手持式超弱光纤光栅波长解调仪，该解调仪将光子芯片集成封装，电路部分单板化，以嵌入式系统为核心开发波长信号处理及控制板卡，在底层完成单元配置、A/D转换、信号采集与处理、通信传输等工作，无需与X86计算机进行交互，直接解调超弱光栅传感器的位置和波长信息。该解调仪简化了系统结构，大幅降低了解调仪的功耗和体积，提升了解调速度，为温度、应变、振动等多参数解调以及野外监测提供了有效方案

本实用新型采取的技术方案为：

手持式超弱光纤光栅波长解调仪，包括壳体，所述壳体内设有光子集成器件、波长信号处理及控制板卡、电源模块，壳体设有触摸屏；波长信号处理及控制板卡分别连接光子集成器件、电源模块、触摸屏。

所述光子集成器件包括多芯片集成封装的光器件，所有光器件均集成于同一控制板卡上；所述光子集成器件设有第一接口、第二接口。

所述光子集成器件包括内置脉冲式波长扫描激光器芯片，泵浦光源，MEMS光开关，光电探测器；

内置脉冲式波长扫描激光器芯片连接泵浦光源，泵浦光源分别连接MEMS光开关、光电探测器，MEMS光开关连接第一接口，光电探测器连接第二接口。

所述第一接口能够作为光输入/输出接口，第二接口能够作为控制接口、电源接口、或者电信号输出接口，在控制信号的作用下选择当前的光通道或自动切换光通道。

所述内置脉冲式波长扫描激光器芯片能够根据波长信号处理及控制板卡2的控制指令，在1528nm~1568nm的波长范围内以相同的步距进行周期性的波长变换。

所述MEMS光开关在控制信号的作用下选择当前的光通道或自动切换光通道。

所述光子集成器件还包括掺铒光纤、泵浦耦合器、光环形器、光滤波器，泵浦光源与掺铒光纤、泵浦耦合器构成EDFA光放大器，用于放大光脉冲信号，并均衡不同波长的光功率，调整系统的动态范围。

所述波长信号处理及控制板卡包括嵌入式系统、采集电路、光器件驱动电路，所述嵌入式系统与所述电路均集成于同一控制板卡上；所述波长信号处理及控制板卡设有第三接口、第四接口、第五接口、第六接口，第四接口与第二接口相连；

所述第三接口可作为电源接口，第四接口可作为控制接口、电信号输入接口和电输入/输出通信接口，第五接口可作为电输入/输出通信接口与上位机交互，第六接口可作为控制接口、电输入/输出通信接口。

所述波长信号处理及控制板卡包括信号处理及控制电路、光器件控制接口电路、光器件驱动接口电路、高速模数转换电路、电源接口电路、通信接口电路；

光器件控制接口电路、光器件驱动接口电路、高速模数转换电路均连接信号处理及控制电路；

电源接口电路连接信号处理及控制电路，信号处理及控制电路连接通信接口电路。

所述信号处理及控制处理电路采用高集成度的嵌入式系统，如单片机或FPGA系统，也可以是ARM和FPGA的SOC系统

所述电源接口电路对电源接口进行控制，对电源模块或外部电源进行自动切换，在低功耗模式下只保持嵌入式最小系统工作，切断其它接口及单元的供电。

所述通信接口电路可以是千兆以太网，或USB，或WIFI，或RS232等。

所述电源模块内嵌于壳体，电源模块包含电芯、第七接口，第七接口与第四接口连接。

所述第七接口可作为电源接口和控制接口。

所述触摸屏包括触摸式液晶显示屏、第八接口，第八接口与第六接口相连，所述第八接口可作为电信号输入/输出接口、电源接口。

所述壳体与光子集成器件、波长信号处理及控制板卡、电源模块和触摸屏机械固定连接，壳体具有第九接口、第十接口、第十一接口，第九接口与第一接口相连，第十接口与第三接口相连，第十一接口与第五接口相连。

所述壳体采用铝合金一体铣削加工，直接对各单元的功率器件进行散热。

所述第九接口可作为光输入/输出接口，第十接口可作为电源接口，第十一接口可作为电输入/输出通信接口与上位机交互。

所述光子集成器件产生波长重复变化的激光脉冲，对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后，由第二接口输出。

所述波长信号处理及控制板卡通过接口对光子集成器件进行指令和参数设置；

波长信号处理及控制板卡由第四接口接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及波长实时解析，保存超弱光栅的位置信息，输出波长信息。

所述触摸屏通过第八接口接受波长信号处理及控制板卡的信息并显示，并反馈人机交互信息。

所述壳体通过第九接口接入传感介质，壳体通过第十接口接收电源模块或外部供电，壳体通过第十一接口与上位机交互。

手持式超弱光纤光栅波长解调仪的传感方法，包括以下步骤：

S1：模块上电，信号处理及控制电路完成自身的参数配置，依次启动其他单元的供电；

S2：用户通过触摸屏将起始波长、光通道、光功率等参数下发到波长信号处理及控制板卡2；

S3：波长信号处理及控制板卡通过控制接口电路对光子集成器件的扫描范围及周期、光放大器的增益进行设定，对MEMS光开关的当前通道或切换规律进行指定；

S4: 波长信号处理及控制板卡通过光器件控制接口电路、检测光子集成器件的同步信号，由高速模数转换电路对触摸屏的模拟输出信号进行采集和A/D转换；

S5: 信号处理及控制电路实时检测高速模数转换电路输出的数字信号，根据反射信号在时域上的强度特征截取光栅的反射信号，按照光时域反射测距算法（OTDR）确定每个超弱光纤光栅的位置，并保存初始值；

S6：信号处理及控制电路根据S5获取的超弱光纤光栅的位置，连续采集高速模数转换电路的信号，实时解算每个光栅的峰值波长的变化；

S7：根据预先校准传感器的温度或应变系数，计算对应超弱光纤光栅的温度或应变的感测值；

S8：通过通信接口电路将感测值通过千兆以太网、USB、WIFI、RS232等上传网络或上位机。

本实用新型一种手持式超弱光纤光栅波长解调仪，技术效果如下：

（1）结构简单，可靠性好：

单板电路与光子集成器件结合，简化了系统结构。避免了分立器件的多接头问题，模块可靠性好。铝壳体外制冷设计，导热效果好，降低环境因素对设备影响。

（2）轻便小巧，操作方便：

采用光子集成器件替代分立的光器件，缩小光路的体积小，降低功耗；采用嵌入式系统完成数据采集、处理、通信，将诸多光模块控制器集成到一张板卡上，功耗降低到20W以下，降幅80%。低功耗模式下，系统功率可以下降到5W以下；引入触摸屏进行人机交互，方便操作。

（3）供电灵活，携带方便：

采用9V~24V的宽压直流输入，方便通用适配器供电；无市电时，灵活切换锂电池供电。

附图说明

图1为本实用新型手持式超弱光纤光栅波长解调仪的结构示意图；

图1中，1-光子集成器件；2-波长信号处理及控制板卡；3-电源模块；4-触摸屏；5-壳体。

图2为本实用新型的光子集成器件示意图；

图2中，11-内置脉冲式波长扫描激光器芯片，12-泵浦光源，13-MEMS光开关，14-光电探测器，15-第一接口15，16-第二接口。

图3为本实用新型的波长信号处理及控制板卡示意图；

图3中，20-第六接口，21-信号处理及控制电路、22-光源控制接口电路、23-光学线路控制接口电路、24-高速模数转换电路、25-电源接口电路、26-通信接口电路、27-第三接口、28-第四接口、29-第五接口；

图4为本实用新型的电源模块示意图；

图4中，31-电芯，32-第七接口。

图5为本实用新型的触摸屏示意图；

图5中，41-触摸式液晶显示屏，42-第八接口；

图6为本实用新型的外壳示意图。

图6中，54-机械固定壳体，51-第九接口，52第十接口，53-第十一接口。

具体实施方式

本实用新型提供了一种手持式超弱光纤光栅波长解调仪，以下结合附图，对实施例予以说明。

手持式超弱光纤光栅波长解调仪，包括壳体5，所述壳体5内设有光子集成器件1、波长信号处理及控制板卡2、电源模块3，壳体5设有触摸屏4；波长信号处理及控制板卡2分别连接光子集成器件1、电源模块3、触摸屏4。

所述光子集成器件1，包括内置脉冲式波长扫描激光器芯片11，泵浦光源12，MEMS光开关13，光电探测器14、第一接口15、第二接口16，以及掺铒光纤、泵浦耦合器、光环形器、光滤波器等分立器件，所有光器件均集成于同一控制板卡上。其中，脉冲式波长扫描激光器芯片11可以根据所述波长信号处理及控制板卡2的控制指令在1528nm~1568nm的波长范围内以8pm的步距进行周期性的波长变换。泵浦光源12与掺铒光纤、泵浦耦合器构成EDFA光放大器，用于放大光脉冲信号，并均衡不同波长的光功率，调整系统的动态范围。MEMS光开关13在控制信号的作用下选择当前的光通道或自动切换光通道。第一接口15可作为光输入/输出接口，第二接口16可作为控制接口、电源接口、电信号输出接口，在控制信号的作用下选择当前的光通道或自动切换光通道。

所述波长信号处理及控制板卡2，包括信号处理及控制电路21、光器件控制接口电路22、光器件驱动接口电路23、高速模数转换电路24、电源接口电路25、通信接口电路26、第三接口27、第四接口28、第五接口29、第六接口20。所有系统与电路均集成于同一控制板卡上；其中第四接口28与第二接口16相连。其中，信号处理及控制处理电路21采用赛灵思Zynq7020最小系统，内存1Gbyte，带以太网芯片。电源接口电路25对电源接口进行控制，对电源模块3或外部电源进行自动切换，在低功耗模式下只保持嵌入式最小系统工作，切断其它接口及单元的供电。通信接口电路26连接千兆以太网。第三接口27可作为电源接口，第四接口28可作为控制接口、电信号输入接口和电输入/输出通信接口，第五接口29可作为电输入/输出通信接口与上位机交互。

所述电源模块3采用锂电池，内嵌于壳体4，电源模块3包含电芯31与第七接口32、第十二接口；其中，第七接口32与第四接口28连接；第七接口32可作为电源接口和控制接口，第十二接口可作为电源接口。

所述触摸屏4，包括触摸式液晶显示屏41，以及第八接口42；其中第八接口42与第五接口29相连；第八接口42可作为电信号输入/输出接口、电源接口。

所述壳体5，与光子集成器件1、波长信号处理及控制板卡2、电源模块3和触摸屏4机械固定连接，具有第九接口51、第十接口52、第十一接口53，其中第九接口51与第一接口15相连，第十接口52与第三接口27相连，第十一接口53与第五接口29相连。

壳体5采用铝合金一体铣削加工，直接对各单元的功率器件进行散热。第九接口51可作为光输入/输出接口，第十接口52可作为电源接口，第十一接口53可作为电输入/输出通信接口与上位机交互。

该解调仪信息传递过程如下：

波长信号处理及控制板卡2通过接口对光子集成器件1进行指令和参数设置；光子集成器件1产生波长重复变化的激光脉冲，对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后，由第二接口16输出。所述波长信号处理及控制板卡2由第四接口28接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及波长实时解析，保存超弱光栅的位置信息，输出波长信息。

所述触摸屏4通过第八接口42接受波长信号处理及控制板卡2的信息并显示，并反馈人机交互信息；所述的壳体5通过第九接口51接入传感介质，第十接口52接收电源模块3或外部供电，第十一接口53与上位机交互。

综上所述，本实用新型公开的手持式超弱光纤光栅波长解调仪，高度集成的嵌入式系统为核心开发波长信号处理及控制板卡2，同时完成单元配置、A/D转换、信号采集与处理、通信传输等工作，无需额外配置X86计算机，直接解调超弱光栅传感器的位置和波长信息。与此同时，对光源和光学线路进行单元化集成，大幅降低了解调仪的功耗和体积，提升了解调速度，实现了温度、应变、振动等多参数解调以及传感设备的统一控制管理，在超弱光纤光栅工程监测领域具有重要的应用价值。

Claims (10)

1.手持式超弱光纤光栅波长解调仪，包括壳体（5），其特征在于：所述壳体（5）内设有光子集成器件（1）、波长信号处理及控制板卡（2）、电源模块（3），壳体（5）设有触摸屏（4）；波长信号处理及控制板卡（2）分别连接光子集成器件（1）、电源模块（3）、触摸屏（4）。

2.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述光子集成器件（1）包括多芯片集成封装的光器件，所有光器件均集成于同一控制板卡上；所述光子集成器件（1）设有第一接口（15）、第二接口（16）。

3.根据权利要求2所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述光子集成器件（1）包括内置脉冲式波长扫描激光器芯片（11），泵浦光源（12），MEMS光开关（13），光电探测器（14）；

内置脉冲式波长扫描激光器芯片（11）连接泵浦光源（12），泵浦光源（12）分别连接MEMS光开关（13）、光电探测器（14），MEMS光开关（13）连接第一接口（15），光电探测器（14）连接第二接口（16）。

4.根据权利要求3所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述光子集成器件（1）还包括掺铒光纤、泵浦耦合器，泵浦光源（12）与掺铒光纤、泵浦耦合器构成EDFA光放大器，用于放大光脉冲信号，并均衡不同波长的光功率，调整系统的动态范围。

5.根据权利要求2所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述波长信号处理及控制板卡（2）包括嵌入式系统、采集电路、光器件驱动电路，所述嵌入式系统与所述电路均集成于同一控制板卡上；所述波长信号处理及控制板卡（2）设有第三接口（27）、第四接口（28）、第五接口（29）、第六接口（20），第四接口（28）与第二接口（16）相连。

6.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述波长信号处理及控制板卡（2）包括信号处理及控制电路（21）、光器件控制接口电路（22）、光器件驱动接口电路（23）、高速模数转换电路（24）、电源接口电路（25）、通信接口电路（26）；

光器件控制接口电路（22）、光器件驱动接口电路（23）、高速模数转换电路（24）均连接信号处理及控制电路（21）；

电源接口电路（25）连接信号处理及控制电路（21），信号处理及控制电路（21）连接通信接口电路（26）。

7.根据权利要求5所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述电源模块（3）内嵌于壳体（5），电源模块（3）包含电芯（31）、第七接口（32），第七接口（32）与第四接口（28）连接。

8.根据权利要求2所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述触摸屏（4）通过第八接口（42）接受波长信号处理及控制板卡（2）的信息并显示，并反馈人机交互信息。

9.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述壳体（5）通过第九接口（51）接入传感介质，壳体（5）通过第十接口（52）接收电源模块（3）或外部供电，壳体（5）通过第十一接口（53）与上位机交互。

10.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅波长解调仪，其特征在于：所述光子集成器件（1）用于产生波长重复变化的激光脉冲，对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后，由第二接口（16）输出。

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