專利名稱：準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種能同時實現(xiàn)準分布式光纖光柵靜態(tài)傳感和局部動態(tài)傳感的解調(diào)裝置，尤其涉及一種準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置。
背景技術(shù)：
光纖布喇格光柵是一種光纖無源器件，它利用光纖的光敏特性，通過紫外光的照射使纖芯的折射率發(fā)生周期性的改變，由此改變了光在該區(qū)域的傳播方式，由于它直接在光纖纖芯內(nèi)形成，具有極低的插入損耗，并且它具有頻寬窄、高反射率的特點，因此光纖光柵是一種理想的光學(xué)濾波器。
光纖光柵的制作方法并不復(fù)雜，隨著光纖光柵自動化生產(chǎn)平臺的建立，制作出高性能、低成本的可靠光纖光柵已經(jīng)成為可能，因此它的應(yīng)用日益廣泛。除了在光通信領(lǐng)域的用途外，光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越受重視，因為當(dāng)光纖光柵受到溫度及應(yīng)力響應(yīng)時，它的中心波長的飄移呈線性變化(1nm/100℃，1.2nm/1000με)，這種線性變化為應(yīng)力，應(yīng)變，溫度等物理參數(shù)的檢測提供了一種很好的傳感元件。因此，目前以光纖光柵技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器正成為傳感及技術(shù)領(lǐng)域中的又一大熱點。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器有主要的幾個技術(shù)優(yōu)點1.不受電磁波干擾，抗腐蝕性強，鑒于其波長絕對編碼特性，它不會受到光源波動及系統(tǒng)損耗的影響，可靠性高。
2.靈敏度高，反應(yīng)速度快，檢測范圍大，可重復(fù)性好。
3.可復(fù)用性強，采用多個光纖光柵傳感器易于構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。
4.結(jié)構(gòu)簡單緊湊，探頭尺寸小，尤其適合于埋入材料內(nèi)部構(gòu)成智能材料和結(jié)構(gòu)。
光纖光柵傳感器實用化的關(guān)鍵技術(shù)之一是波長的解調(diào)檢測方法，利用光纖光柵波長編碼這一特點，通過波長解調(diào)就能獲得傳感信號的變化狀態(tài)。最初對布拉格光柵傳感器波長的檢測主要還是借助于光譜儀等光學(xué)儀器，這種方法有很大的局限性，首先價格昂貴，并且體積較大，不適用于現(xiàn)場測量；其次，它的檢測精度不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供一種能夠提高應(yīng)用靈活性和解調(diào)精度且成本低廉的準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置。
本實用新型采用如下技術(shù)方案一種準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置，由激光諧振腔、第二耦合器和光纖光柵組成，第二耦合器一個輸出端與光纖光柵連接，激光諧振腔為環(huán)形激光諧振腔，該環(huán)形激光諧振腔由摻鉺光纖放大器、第一耦合器和光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器組成，第一耦合器的一個輸出端通過隔離器與摻鉺光纖放大器的輸入端連接，摻鉺光纖放大器的輸出端通過隔離器與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的一端連接，光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的另一端與第一耦合器的一端連接，第一耦合器的另一個輸出端通過隔離器與第二耦合器的輸入端連接，在第二耦合器的另一個輸入端上連接有第三耦合器且與該第三耦合器的輸入端連接，在光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的電信號輸入端與第三耦合器的兩個輸出端之間分別連接有反饋裝置和控制裝置，該反饋裝置由光電探測模塊、乘法器、低通濾波器和積分器組成，光電探測模塊的輸出端與乘法器的一個輸入端連接，在乘法器的另一個輸入端上連接有抖動信號發(fā)生器且與抖動信號發(fā)生器的輸出端連接，乘法器的輸出端與低通濾波器的輸入端連接，低通濾波器的輸出端與積分器)的輸入端連接，積分器的輸出端通過放大器與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的電信號輸入端連接，上述控制裝置由光電探測模塊、比較器、單片機和數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，光電探測模塊的輸出端與比較器的一個輸入端連接，比較器的另一個輸入端接參考電壓，比較器的輸出端與單片機的輸入輸出端連接，單片機的另一輸入輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，在單片機的串行接口上連接有控制用計算機且通過電平轉(zhuǎn)換電路與計算機的串行接口連接；比較器和單片機采用帶有比較器的型號為AT89C2051的單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用的型號為DAC8531，電平轉(zhuǎn)換器采用的芯片型號為MAX232，光電探測模塊的輸出端與單片機的P1.0端連接，參考電壓接入單片機的P1.1端，單片機的P1.2端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SYNC端連接，P1.3端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SCLK端連接，單片機的P1.4端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的DIN端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的Vout輸出端通過放大器與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的電信號輸入端連接，單片機的RXD端與電平轉(zhuǎn)換器的R2OUT端連接，單片機的TXD端與電平轉(zhuǎn)換器的T2IN端連接，計算機串行接口的RXD端與電平轉(zhuǎn)換器的T2OUT端連接，計算機串行接口的TXD端與電平轉(zhuǎn)換器的R2IN端連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點
(1)采用單片機控制的鋸齒波產(chǎn)生電路使得該解調(diào)系統(tǒng)同時結(jié)合了光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的兩種工作方式，因此在一個系統(tǒng)里具有準分布式靜態(tài)傳感和局部動態(tài)傳感兩種功能，大大提高了解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性。
(2)該解調(diào)系統(tǒng)在光柵的復(fù)用過程中，通過乘法器和低通濾波器，將被調(diào)制后的光信號中一階信號(相當(dāng)于誤差信號)解調(diào)出來，然后通過積分放大后加在光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器上形成正反饋。使得中心波長被可調(diào)諧激光鎖定，可以減小探測峰值附近的噪聲干擾，使得復(fù)用模式下的解調(diào)精度顯著提高。
(3)采用光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器構(gòu)成有源解調(diào)系統(tǒng)，可以提高信噪比，增加復(fù)用光柵數(shù)量，并進一步提高解調(diào)精度。
(4)該解調(diào)系統(tǒng)是對傳統(tǒng)光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器解調(diào)系統(tǒng)所做的大幅改進，因此具有易于設(shè)計，成本低的優(yōu)點。


圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)框圖。
圖2(a)是本實用新型在復(fù)用掃描時光纖光柵和可調(diào)諧激光光譜圖。
圖2(b)是本實用新型在動態(tài)解調(diào)時光纖光柵和可調(diào)諧激光光譜圖。
圖3(a)是本實用新型在復(fù)用掃描時數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出波形。
圖3(b)是本實用新型在動態(tài)解調(diào)時數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出波形。
圖4是本實用新型的光電探測電路。
圖5是本實用新型單片機與數(shù)模轉(zhuǎn)換器和計算機的連接電路。
具體實施方式
一種準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置，由激光諧振腔、第二耦合器6和光纖光柵7組成，第二耦合器6一個輸出端與光纖光柵7連接，激光諧振腔為環(huán)形激光諧振腔，該環(huán)形激光諧振腔由摻鉺光纖放大器1、第一耦合器5和光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器20組成，第一耦合器5的一個輸出端通過隔離器2與摻鉺光纖放大器1的輸入端連接，摻鉺光纖放大器1的輸出端通過隔離器4與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器20的一端連接，光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器20的另一端與第一耦合器5的一端連接，第一耦合器5的另一個輸出端通過隔離器3與第二耦合器6的輸入端連接，在第二耦合器6的另一個輸入端上連接有第三耦合器8且與該第三耦合器8的輸入端連接，在光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器20的電信號輸入端與第三耦合器8的兩個輸出端之間分別連接有反饋裝置和控制裝置，該反饋裝置由光電探測模塊9、乘法器11、低通濾波器12和積分器13組成，光電探測模塊9的輸出端與乘法器11的一個輸入端連接，在乘法器11的另一個輸入端上連接有抖動信號發(fā)生器14且與抖動信號發(fā)生器14的輸出端連接，乘法器11的輸出端與低通濾波器12的輸入端連接，低通濾波器12的輸出端與積分器13的輸入端連接，積分器13的輸出端通過放大器19與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器20的電信號輸入端連接，上述控制裝置由光電探測模塊10、比較器15、單片機16和數(shù)模轉(zhuǎn)換器18組成，光電探測模塊10的輸出端與比較器15的一個輸入端連接，比較器15的另一個輸入端接參考電壓，比較器15的輸出端與單片機16的輸入輸出端連接，單片機16的另一輸入輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器18的輸入端連接，在單片機16的串行接口上連接有控制用計算機17且通過電平轉(zhuǎn)換電路21與計算機17的串行接口連接，上述抖動信號發(fā)生器14可采用生產(chǎn)廠商提供的以ICL8038為核心的信號發(fā)生電路，低通濾波器12采用目前現(xiàn)有技術(shù)中常見的有源低通濾波器，如含運算放大器的RC有源低通濾波器，乘法器11采用AD630，積分器13采用目前現(xiàn)有技術(shù)中常見的積分運算電路，如采用運算放大器和RC構(gòu)成積分運算電路，光纖光柵7采用連續(xù)UV相干光氬離子倍頻激光刻制的光纖光柵，其中心波長在光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器的自由光程范圍內(nèi)，在本實施例中，比較器15和單片機16采用帶有比較器的型號為AT89C2051的單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器18采用的型號為DAC8531，電平轉(zhuǎn)換器21采用的芯片型號為MAX232，光電探測模塊10的輸出端與單片機的P1.0端連接，參考電壓接入單片機的P1.1端，單片機的P1.2端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SYNC端連接，P1.3端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SCLK端連接，單片機的P1.4端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的DIN端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的Vout輸出端通過放大器與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器20的電信號輸入端連接，單片機的RXD端與電平轉(zhuǎn)換器的R2OUT端連接，單片機的TXD端與電平轉(zhuǎn)換器的T2IN端連接，計算機17串行接口的RXD端與電平轉(zhuǎn)換器的T2OUT端連接，計算機串行接口的TXD端與電平轉(zhuǎn)換器的R2IN端連接。
本實用新型的工作原理和工作過程如下計算機17首先通過串口通信給單片機16傳輸指令，根據(jù)指令的不同單片機分別進行三種不同的工作流程。工作流程1即掃描復(fù)用，單片機通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器18產(chǎn)生鋸齒波，當(dāng)單片機與比較器相連的輸入輸出端接受到一個高電平的時候，單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器停止抬升電壓并停留在當(dāng)前電平值一段時間，隨后跳變至一個較高電平繼續(xù)完成鋸齒波，這樣可調(diào)諧激光就逐個掃描了每個傳感光纖光柵，并且在短時間內(nèi)可調(diào)諧激光鎖定了每一個傳感光纖光柵的中心波長。工作流程2即跟蹤鎖定，計算機首先給單片機發(fā)送一個整數(shù)N(即用戶想要跟蹤的傳感光柵的序數(shù))，單片機保存數(shù)字N，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器18產(chǎn)生鋸齒波，當(dāng)單片機與比較器相連的輸入輸出端接受到一個高電平的時候，單片機通過內(nèi)部的計數(shù)器M計數(shù)，當(dāng)滿足M+1＝N的條件時，則單片機與比較器相連的輸入輸出端再接受到一個高電平的時候，單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器停止抬升電壓并一直保持在該電平，這樣可調(diào)諧激光就跟蹤鎖定了該傳感光纖光柵的中心波長。工作流程3即返回，計算機給單片機發(fā)出指令使單片機停止工作并返回待機狀態(tài)，隨時準備接受計算機的新指令。
權(quán)利要求1.一種準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置，由激光諧振腔、第二耦合器(6)和光纖光柵(7)組成，第二耦合器(6)一個輸出端與光纖光柵(7)連接，其特征在于激光諧振腔為環(huán)形激光諧振腔，該環(huán)形激光諧振腔由摻鉺光纖放大器(1)、第一耦合器(5)和光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器(20)組成，第一耦合器(5)的一個輸出端通過隔離器(2)與摻鉺光纖放大器(1)的輸入端連接，摻鉺光纖放大器(1)的輸出端通過隔離器(4)與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器(20)的一端連接，光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器(20)的另一端與第一耦合器(5)的一端連接，第一耦合器(5)的另一個輸出端通過隔離器(3)與第二耦合器(6)的輸入端連接，在第二耦合器(6)的另一個輸入端上連接有第三耦合器(8)且與該第三耦合器(8)的輸入端連接，在光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器(20)的電信號輸入端與第三耦合器(8)的兩個輸出端之間分別連接有反饋裝置和控制裝置，該反饋裝置由光電探測模塊(9)、乘法器(11)、低通濾波器(12)和積分器(13)組成，光電探測模塊(9)的輸出端與乘法器(11)的一個輸入端連接，在乘法器(11)的另一個輸入端上連接有抖動信號發(fā)生器(14)且與抖動信號發(fā)生器(14)的輸出端連接，乘法器(11)的輸出端與低通濾波器(12)的輸入端連接，低通濾波器(12)的輸出端與積分器(13)的輸入端連接，積分器(13)的輸出端通過放大器(19)與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器(20)的電信號輸入端連接，上述控制裝置由光電探測模塊(10)、比較器(15)、單片機(16)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(18)組成，光電探測模塊(10)的輸出端與比較器(15)的一個輸入端連接，比較器(15)的另一個輸入端接參考電壓，比較器(15)的輸出端與單片機(16)的輸入輸出端連接，單片機(16)的另一輸入輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(18)的輸入端連接，在單片機(16)的串行接口上連接有控制用計算機(17)且通過電平轉(zhuǎn)換電路(21)與計算機(17)的串行接口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置，其特征在于比較器(15)和單片機(16)采用帶有比較器的型號為AT89C2051的單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(18)采用的型號為DAC8531，電平轉(zhuǎn)換器(21)采用的芯片型號為MAX232，光電探測模塊(10)的輸出端與單片機的P1.0端連接，參考電壓接入單片機的P1.1端，單片機的P1.2端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SYNC端連接，P1.3端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SCLK端連接，單片機的P1.4端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的DIN端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的Vout輸出端通過放大器與光纖法布里—珀羅可調(diào)濾波器(20)的電信號輸入端連接，單片機的RXD端與電平轉(zhuǎn)換器的R2OUT端連接，單片機的TXD端與電平轉(zhuǎn)換器的T2IN端連接，計算機(17)串行接口的RXD端與電平轉(zhuǎn)換器的T2OUT端連接，計算機串行接口的TXD端與電平轉(zhuǎn)換器的R2IN端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種準分布式動靜態(tài)傳感的光纖布拉格光柵傳感復(fù)用裝置，由激光諧振腔、第二耦合器和光纖光柵組成，第二耦合器一個輸出端與光纖光柵連接，激光諧振腔為環(huán)形激光諧振腔，該環(huán)形激光諧振腔由摻鉺光纖放大器、第一耦合器和光纖法布里－珀羅可調(diào)濾波器組成，本實用新型具有在一個系統(tǒng)里具有準分布式靜態(tài)傳感和局部動態(tài)傳感兩種功能，解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性大大提高了，可以減小探測峰值附近的噪聲干擾，使得復(fù)用模式下的解調(diào)精度顯著提高，提高信噪比，增加復(fù)用光柵數(shù)量，并進一步提高解調(diào)精度，易于設(shè)計，成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01D5/353GK2765146SQ20052006850
公開日2006年3月15日 申請日期2005年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
發(fā)明者崔一平, 汪弋平, 李安民, 惲斌峰 申請人:東南大學(xué)