CN217953654U - 便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪 - Google Patents

Abstract

便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括机箱，机箱内设有超弱光栅声波级振动解调模块、主控制板、显示器，所述主控制板分别连接超弱光栅声波级振动解调模块、显示器。所述超弱光栅声波级振动解调模块包括光电集成处理单元，第一接口，光电集成处理单元连接第一接口；所述机箱设有第二接口，第二接口连接第一接口；所述主控制板包括计算处理单元、第三接口，第三接口分别连接第一接口、第二接口。本实用新型解调仪实现了温度、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。

Description

便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪。

背景技术

基于超弱光纤光栅分布式声波级振动传感技术在周界边防、机械结构监测、能源管道运输、地震波监测等领域具有广阔的应用前景。以超弱光栅的反射信号的干涉来感测声音或振动信号可以有效抑制瑞利散射导致的随机扰动（12 dB），并获得20 dB以上的信噪比改善，被认定为“最确信的分布式声波测量和世界最高灵敏度”的光纤感测技术，成为近年内研究的热点。

然而，复杂的工程应用场景对监测设备的体积和可靠性提出了较高的要求。传统检测设备采样数据复杂，并以X86计算机进行信号处理和解调，导致解调设备的体积较大、能耗高。此外，传统的DAS解调装置集成度低，元件分立搭建，组件数量多，光纤与电缆交叉，连接可靠性差。随着工程应用的发展，亟需一款体积小、功耗低且性能强大的超弱光栅声波级振动解调仪，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DAS解调仪体积大，功耗高，操作繁琐，无法满足工程应用场景等问题。本实用新型提供一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，该解调仪以嵌入式系统为核心开发嵌入式板卡，将光源和光纤线路集成化，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。与此同时，采用脉冲式窄线宽激光脉器取代光源和光调制器，对光学线路进行集成设计，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，为振动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：

便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括机箱，机箱内设有超弱光栅声波级振动解调模块、主控制板、显示器，所述主控制板分别连接超弱光栅声波级振动解调模块、显示器。

所述超弱光栅声波级振动解调模块包括光电集成处理单元，第一接口，光电集成处理单元连接第一接口；

所述机箱设有第二接口，第二接口连接第一接口；

所述主控制板包括计算处理单元、第三接口，第三接口分别连接第一接口、第二接口。

所述机箱内还设有电源模块，电源模块连接电源控制板。

所述电源模块设有第四接口，电源控制板设有第五接口，第五接口分别连接第四接口、第三接口、第一接口。

所述显示器设有第六接口。

所述光电集成处理单元包括壳体、光学模块、嵌入式板卡，壳体内设有光学模块、嵌入式板卡，光学模块连接嵌入式板卡。

所述光学模块包括窄线宽激光脉冲发生器、光脉冲放大器、光环形器、光路选择开关、相位解调装置；

窄线宽激光脉冲发生器连接光脉冲放大器，光脉冲放大器连接光环形器，光环形器分别连接光路选择开关、相位解调装置；

光学模块设有第七接口。

所述嵌入式板卡包括信号处理及控制电路，信号处理及控制电路分别连接光源控制接口电路、功率及通道控制接口电路、高速模数转换电路、电源接口电路、通信接口电路；

嵌入式板卡设有第八接口，第八接口连接第七接口。

所述壳体设有第九接口。

所述相位解调装置为3×3相位解调装置，该装置包括光环形器、3×3相位耦合、第一光程差相位补偿装置、第二光程差相位补偿装置、信号输出端，在同一块电路板上单板集成。光进入光环形器后，一部分直接进入信号输出端，另一部分进入3×3相位耦合，并在第一光程差相位补偿装置和第二光程差相位补偿装置中进行相位补偿后，再次耦合传递到信号输出端，以此实现对光信号的相位补偿与解调。

本实用新型一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，技术效果如下：

1）体积小，功耗低，操作方便：

本实用新型一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，可人工携带，体积和重量大幅度降低；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90%。低功耗模式下，系统功率可以下降到5W以下。相比较传统DAS分析仪，数据量只有传统DAS的2.6%。通过集成电脑主板和显示装置，能方便现场参数设置，以及实景数据采集。

2）结构简单，外制冷设计，可靠性好：

本实用新型一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，根据组件的特性进行单元化设计，采用半导体集成或单板集成的方式构建窄线宽激光脉冲发生器，对光学线路进行整合，采用嵌入式系统完成信号采集处理，简化了系统结构。铝壳体外制冷设计，导热效果好。避免了分立组件的多接头问题，模块可靠性好。

3）用电灵活，适用于野外监测：

本实用新型一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，外接9V~24V的适配器，可以直接接入220V电压，也可以直接接入太阳能电池板，用电方便；机器内置锂电池，无外接供电时支持3小时数据采集，满足野外太阳能供电的需求；模块支持众多物联网接口协议，可无缝接入智能物联网系统进行统一控制和远程采集，实现解调模块的远程控制，无人值守。

附图说明

图1为本实用新型解调仪的结构示意图。

图2为本实用新型解调仪的光电集成处理单元结构示意图。

图3为本实用新型解调仪的相位解调装置结构示意图。

具体实施方式

如图1~图3所示，便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括机箱2，机箱2内设有超弱光栅声波级振动解调模块1、主控制板3、显示器6，所述主控制板3分别连接超弱光栅声波级振动解调模块1、显示器6。

所述超弱光栅声波级振动解调模块1包括光电集成处理单元，第一接口12，光电集成处理单元连接第一接口12，第一接口12用于数据输出、电源输入与光输入/输出。

所述机箱2设有散热装置、第二接口23，第二接口23连接第一接口12。第二接口23用于电源输入接口、光信号接入。

所述主控制板3包括计算处理单元、第三接口32，第三接口32分别连接第一接口12、第二接口23。第三接口32用于数据输入/输出、显示输入/输出接口、电源输入以及控制。

所述机箱2内还设有电源模块4，电源模块4连接电源控制板5。

所述电源模块4设有第四接口42，第四接口42用于电量控制、电源输入/输出。

电源控制板5设有主控电路板、第五接口52，第五接口52分别连接第四接口42、第三接口32、第一接口12。第五接口52用于电量控制、电源输入/输出。

所述显示器6设有第六接口62，第六接口62用于显示输入/输出。显示器6可呈现翻盖式或直屏触摸式结构。

所述光电集成处理单元包括壳体113、光学模块111、嵌入式板卡112，壳体113内设有光学模块111、嵌入式板卡112，光学模块111连接嵌入式板卡112。

所述光学模块111包括：窄线宽激光脉冲发生器1111、光脉冲放大器1112、光环形器1113、光路选择开关1114、相位解调装置1115。窄线宽激光脉冲发生器1111连接光脉冲放大器1112，光脉冲放大器1112连接光环形器1113，光环形器1113分别连接光路选择开关1114、相位解调装置1115。光学模块111设有第七接口1116。

窄线宽激光脉冲发生器1111可以是直接调制的窄线宽半导体激光器，也可以是窄线宽激光器与外置电光调制器单板集成的器件。

窄线宽激光脉冲发生器1111的工作波长在1550nm左右，线宽小于200KHz。

光路选择开关1114可分时连接不同监测任务的4种光栅阵列，可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。

光电集成处理单元通过第七接口1116对窄线宽激光脉冲发生器1111进行调制形成激光脉冲，对光脉冲放大器1112、光路选择开关1114进行配置；所述光脉冲放大器1112对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号，经过相位补偿模块后，完成光电转换，由第九接口1131输出；

所述嵌入式板卡112包括信号处理及控制电路，信号处理及控制电路分别连接光源控制接口电路、功率及通道控制接口电路、高速模数转换电路、电源接口电路、通信接口电路。

嵌入式板卡112设有第八接口1121，第八接口1121连接第七接口1116。

其中，信号处理及控制电路采用高集成度的嵌入式系统，如ARM和FPGA的SOC系统；

电源接口电路采用9V~24V宽压直流输入，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；

通信接口电路可以是千兆以太网等。

所述光源控制接口电路采用大电流MOSFET的栅极控制，通过FPGA输出的电平控制导通或断开，实现分时启动。

所述功率及通道控制接口电路采用RS232串口进行通信，由FPGA下发电流值和通道号，并回读设置成功后的EDFA电流值以及光开关的通道号。

所述 高速模数转换电路包括单端转差分芯片、增益可调放大器、14 bits250MSPS高速模拟/数字转换芯片，输入的模拟电信号通过单端-差分转换后，根据需求进行增益，最后进行模数转换。

所述嵌入式板卡112接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及相位实时解析，输出光纤长度方向上声波级的微振动相位信息。

所述主控制板3接收数据并进行图形化处理；所述显示器6通过接口接受主控制板3图像信息并显示，并反馈人机交互信息。

所述机箱2通过第二接口23接入传感介质，接收电源模块4或外部供电，可根据电量反馈自主选择供电方式，在电源模块4与外接电源之间自主切换。机箱2通过第二接口23与上位机交互。

所述壳体113设有第九接口1131，输出光电信号。

所述相位解调装置1115为3×3相位解调装置，该装置包括光环形器11151、3×3相位耦合11152、第一光程差相位补偿装置11153、第二光程差相位补偿装置11154、信号输出端11155，在同一块电路板上单板集成。光进入光环形器11151后，一部分直接进入信号输出端11155，另一部分进入3×3相位耦合11152，并在第一光程差相位补偿装置11153和第二光程差相位补偿装置11154中进行相位补偿后，再次耦合传递到信号输出端11155，以此实现对光信号的相位补偿与解调。由光栅中传入的包含震动信息的光信号在第一光程差相位补偿装置11153、第二光程差相位补偿装置11154中得到相位补偿，从而使光信号产生干涉。对各位置的采集数据进行筛选、平均计算，按照3×3反正切算法进行相位计算，得到每个位置的相位值，并进行反卷绕，获取各位置光纤上的连续的动态相位信号。

所述散热装置可对机箱2内各单元组件进行散热，机箱2外侧具有外部锁扣，可实现手提。该解调仪整体重量不超过6kg,可实现手提式运输。可根据电量反馈，自动识别选择电源供电。电源控制板5可单独与外接电源连接，对解调仪实现供电；也可控制电源模块4，由电源模块4对电源控制板5通电，从而对解调仪实现供电。

本实用新型的一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括超弱光栅声波级振动解调模块1、便携式的机箱2、主控制板3、电源模块4（锂电池）、电源控制板5、显示器6。该实用新型以嵌入式系统为核心开发波长信号处理及控制单元，将光源和光纤线路集成化，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振动相位信息，简化了系统结构，大幅降低了解调仪的功耗和体积；且该解调仪可利用电源控制板与锂电池实现自动电源切换控制。

本实用新型提出的一种便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，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 (8)

1.便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括机箱（2），机箱（2）内设有超弱光栅声波级振动解调模块（1）、主控制板（3）、显示器（6），所述主控制板（3）分别连接超弱光栅声波级振动解调模块（1）、显示器（6）；其特征在于：所述超弱光栅声波级振动解调模块（1）包括光电集成处理单元，第一接口（12），光电集成处理单元连接第一接口（12）；

所述机箱（2）设有第二接口（23），第二接口（23）连接第一接口（12）；

所述主控制板（3）包括计算处理单元、第三接口（32），第三接口（32）分别连接第一接口（12）、第二接口（23）。

2.根据权利要求1所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述机箱（2）内还设有电源模块（4），电源模块（4）连接电源控制板（5）。

3.根据权利要求2所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述电源模块（4）设有第四接口（42），电源控制板（5）设有第五接口（52），第五接口（52）分别连接第四接口（42）、第三接口（32）、第一接口（12）。

4.根据权利要求1所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述显示器（6）设有第六接口（62）。

5.根据权利要求1所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述光电集成处理单元包括壳体（113）、光学模块（111）、嵌入式板卡（112），壳体（113）内设有光学模块（111）、嵌入式板卡（112），光学模块（111）连接嵌入式板卡（112）。

6.根据权利要求5所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述光学模块（111）包括：窄线宽激光脉冲发生器（1111）、光脉冲放大器（1112）、光环形器（1113）、光路选择开关（1114）、相位解调装置（1115）；

窄线宽激光脉冲发生器（1111）连接光脉冲放大器（1112），光脉冲放大器（1112）连接光环形器（1113），光环形器（1113）分别连接光路选择开关（1114）、相位解调装置（1115）；

光学模块（111）设有第七接口（1116）。

7.根据权利要求5所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述嵌入式板卡（112）包括信号处理及控制电路，信号处理及控制电路分别连接光源控制接口电路、功率及通道控制接口电路、高速模数转换电路、电源接口电路、通信接口电路；

嵌入式板卡（112）设有第八接口（1121），第八接口（1121）连接第七接口（1116）。

8.根据权利要求5所述便携式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述壳体（113）设有第九接口（1131）。

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