專利名稱：一種大容量并行光纖光柵傳感分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及大容量并行光纖光柵傳感分析儀。
背景技術(shù)：
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光照射的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸，反射光的波長(zhǎng)由光纖光柵的有效折射率和折射率的變化周期決定，當(dāng)在外界溫度、壓力、位移等因素作用下引起光纖光柵長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖光柵的有效折射率和折射率周期變化，所以通過(guò)測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，就可以測(cè)量出外界因素變化情況。經(jīng)過(guò)多年研究，用于測(cè)量各種物理量的多種結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器己被制作出來(lái)，光纖光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕、高靈敏度、高分辨率等許多優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如圖1，光纖光柵傳感分析儀用來(lái)檢測(cè)和解調(diào)光纖光柵傳感信號(hào)，傳統(tǒng)光纖光柵傳感分析儀基于傳統(tǒng)ASE光源、光開(kāi)關(guān)、電子開(kāi)關(guān)、低采樣速率電路等。其存在以下缺陷第一，現(xiàn)有技術(shù)采用的光電轉(zhuǎn)換電路是線性放大電路或?qū)?shù)放大電路，線性放大電路的缺點(diǎn)是光功率的動(dòng)態(tài)輸入范圍??；對(duì)數(shù)放大電路的動(dòng)態(tài)輸入范圍比線性放大電路的輸入范圍稍大，但它的缺陷是放大后的波形會(huì)失真，造成測(cè)量精度和測(cè)量重復(fù)度降低。第二，傳統(tǒng)的ASE光源存在光功率小引起的通道容量小、傳輸距離短的缺點(diǎn)。第三，模擬控制掃描電路存在抗干擾能力差、溫度漂移、控制精度不高、不能在線修改控制參數(shù)的問(wèn)題。第四，傳統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)采集電路通道數(shù)量少，每個(gè)通道之間不是嚴(yán)格的同步采集，采用速度和采用位數(shù)低。第五，光開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道切換時(shí)間比較長(zhǎng)，一般切換一個(gè)通道需要幾十毫秒，造成每個(gè)通道采樣速度比較慢，隨著通道數(shù)的增加，通道的采樣速度等比例的降低，光開(kāi)光切換次數(shù)有一定的上限，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行會(huì)造成系統(tǒng)使用壽命比較短，光開(kāi)關(guān)、耦合器的使用導(dǎo)致通道之間不能進(jìn)行同步并行采集，各個(gè)通道只能按照輪詢的方式進(jìn)行采集。綜上所述，傳統(tǒng)光纖光柵傳感分析儀采樣速度低、通道容量小、通道之間不能同步采集、光功率小、測(cè)量精度低。而現(xiàn)在許多工程應(yīng)用中要求同時(shí)使用大量的光纖光柵傳感器、并要求所有傳感器進(jìn)行并行同步采集。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種大容量并行光纖光柵傳感分析儀，以解決現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵傳感分析儀光功率動(dòng)態(tài)輸入范圍小、通道數(shù)少、通道間不同步的問(wèn)題。[0011]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下—種大容量并行光纖光柵傳感分析儀，包括光源、光纖可調(diào)諧濾波器、控制掃描模塊、波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具、模擬數(shù)據(jù)采集模塊、光分路盒模塊、自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊；光源，用于向光纖可調(diào)諧濾波器提供光信號(hào)；光纖可調(diào)諧濾波器，用于向光分路盒模塊提供連續(xù)波長(zhǎng)序列的光；其上設(shè)置有光輸入端和控制輸入端；控制掃描模塊，用于控制光纖可調(diào)諧濾波器輸出連續(xù)波長(zhǎng)序列的光；所述光分路盒模塊設(shè)置有用于連接波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)輸出端口 ；用于連接光纖光柵傳感器的并行的第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙
向端口 ；用于連接自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端口、第二輸出端口、......、
第η輸出端口 ；自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊，用于將光分路盒模塊及波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸入到模擬數(shù)據(jù)采集模塊；所述光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置有η+1個(gè)光信號(hào)輸入端口、η+1個(gè)電信號(hào)輸出端口 ；模擬數(shù)據(jù)采集模塊，用于將自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳輸給外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備；所述光源的輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器的光輸入端連接，所述控制掃描模塊的輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器的控制輸入端連接，所述光纖可調(diào)諧濾波器的輸出端與光分路盒模塊的輸入端連接，所述光分路盒模塊的一個(gè)輸出端口與波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的輸入端連接；所述波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的輸出端以及光分路盒模的第一輸出端口、第二輸出端口、…… 、第η輸出端口分別與自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的η+1個(gè)光信號(hào)輸入端口一一對(duì)應(yīng)連接；所述自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的η+1個(gè)電信號(hào)輸出端口分別與模擬數(shù)據(jù)采集模塊連接；所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。較佳地，所述自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)一步包括第一微處理器、η+1個(gè)光電探測(cè)器、η+1個(gè)運(yùn)算放大器、η+1個(gè)程控放大器，其中每一光電探測(cè)器的輸入端連接每一光信號(hào)輸入端口 ；光電探測(cè)器用于把由光信號(hào)輸入端口輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出；每一運(yùn)算放大器的輸入端連接每一光電探測(cè)器的輸出端，且每一運(yùn)算放大器的輸出端連接每一程控放大器的輸入端；運(yùn)算放大器用于把光電探測(cè)器輸出的微弱的電流信號(hào)進(jìn)行放大，并以電壓信號(hào)輸出；每一程控放大器的輸出端連接每一電信號(hào)輸出端口 ；每一電信號(hào)輸出端口均連接模擬數(shù)據(jù)采集模塊；程控放大器用于對(duì)運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大；所述第一微處理器的輸出端分別連接每一程控放大器；所述第一微處理器的輸入端連接每一電信號(hào)輸出端口 ；第一微處理器米集電信號(hào)輸出端口的電壓值，與目標(biāo)范圍值進(jìn)行比較，如果電壓值小于目標(biāo)范圍值，則增加放大倍數(shù)，如果大于目標(biāo)范圍值則減小放大倍數(shù)，保證輸出的電信號(hào)幅度在某個(gè)范圍內(nèi)，不會(huì)過(guò)小導(dǎo)致無(wú)信號(hào)輸出，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大導(dǎo)致信號(hào)被截波。[0029]較佳地,所述光源為高功率激光光源，其輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器的光輸入端連接。較佳地，所述控制掃描模塊為數(shù)字控制掃描模塊，其進(jìn)一步包括第二微處理器、串口接口芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、濾波單元、放大芯片、可調(diào)電阻，其中所述第二微處理器分別與串口接口芯片和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片連接；所述第二微處理器，用于輸出方波同步信號(hào)給模擬數(shù)據(jù)采集模塊，及用于向數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出數(shù)字信號(hào)，及用于通過(guò)串口接口芯片與模擬數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信；所述串口接口芯片，用于與模擬數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行串口通信；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與濾波單元連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，用于把第二微處理器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；所述濾波單元與放大芯片連接；所述濾波單元，用于濾除數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出的電壓信號(hào)中的噪聲；所述放大芯片與可調(diào)電阻連接；所述放大芯片，用于把濾波單元輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并向所述光纖可調(diào)諧濾波器輸出放大后的電壓信號(hào)；所述可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)放大芯片的電壓放大倍數(shù)。較佳地，所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊為高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊，其進(jìn)一步包括觸發(fā)信號(hào)輸入端口、n+1個(gè)模擬量輸入端口、n+1個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)緩存器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列、觸發(fā)選擇單元；所述觸發(fā)信號(hào)輸入端口與所述觸發(fā)選擇單元連接；所述觸發(fā)選擇單元與所述數(shù)字控制掃描模塊連接；所述觸發(fā)選擇單元的輸出端分別與每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片連接；所述觸發(fā)選擇單元的輸入與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接；所述每一模擬量輸入端口分別與每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入連接；所述每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出分別與所述數(shù)據(jù)緩存器連接；所述數(shù)據(jù)緩存器與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接。較佳地，所述光分路盒模塊，進(jìn)一步包括—個(gè)第一均分光分路器，η個(gè)第二均分光分路器；第一輸出端口、第二輸出端口、……、第η輸出端口 ；所述第一均分光分路器設(shè)置有n+1個(gè)輸出端口 ；其中，η個(gè)輸出端口分別對(duì)應(yīng)與η 個(gè)第二均分光分路器連接；η個(gè)第二均分光分路器的輸出端分別對(duì)應(yīng)有第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端口；光纖可調(diào)諧濾波器輸入連續(xù)波長(zhǎng)序列的光進(jìn)入第一均分光分光器后被平均分成 n+1道光；其中η道光分別輸入η個(gè)第二均分光分路器，剩下一路從第一均分光分路器的一個(gè)輸出端口輸入到波長(zhǎng)校準(zhǔn)具；η個(gè)第二均分光分路器分別通過(guò)第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端
口把光輸入到對(duì)應(yīng)的η個(gè)光纖傳感器的輸入接口 ；11個(gè)光纖傳感器反射回來(lái)的光再次經(jīng)過(guò)
第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端口返回；返回的光再分別通過(guò)第一輸出端
口、第二輸出端口、……、第η輸出端口輸入給自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊。較佳地，所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)USB數(shù)據(jù)傳輸總線/PCI總線與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。較佳地，所述第二微處理器輸出方波同步信號(hào)的一個(gè)端口與所述觸發(fā)信號(hào)輸入端連接；所述串口接口芯片與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接；所述第二微處理器通過(guò)串口接口芯片與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列做雙向通訊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵傳感分析儀光功率動(dòng)態(tài)輸入范圍小、通道數(shù)少、通道間不同步的問(wèn)題，其有益效果具體如下I)本實(shí)用新型采用了自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換電路，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光功率輸入動(dòng)態(tài)范圍更大、波形不失真、采樣精度更高、通道數(shù)更多。2)本實(shí)用新型采用了高功率激光光源，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光功率大、光傳輸距離更遠(yuǎn)、所帶的通道數(shù)更多。3)本實(shí)用新型采用了數(shù)字控制掃描電路，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是控制精度高、抗干擾性更強(qiáng)、溫度影響漂移小、控制參數(shù)可在線修改。4)本實(shí)用新型采用了高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集電路，使用了高速的 FPGA芯片、高速的USB2. O數(shù)據(jù)傳輸總線、同步時(shí)序電路、高速的大容量FIFO緩沖存儲(chǔ)器、高速的16位AD芯片，解決了傳統(tǒng)技術(shù)的通道數(shù)少，采樣速度低，采樣精度低，通道之間不同步的問(wèn)題。5)本實(shí)用新型采用了光分路盒模塊，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道并行傳輸。

圖I為傳統(tǒng)光纖光柵傳感分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型一種大容量并行光纖光柵傳感分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型數(shù)字控制掃描模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型光分路盒模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型具體實(shí)施例的一種大容量并行光纖光柵傳感分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了方便理解，對(duì)一些說(shuō)明書(shū)中出現(xiàn)的專有名詞作出解釋高功率激光光源是一種光源器件，輸出一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜，它集成了光纖放大器、平坦度抑制器、功率自動(dòng)調(diào)節(jié)和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，其具有高功率、高品質(zhì)、高穩(wěn)定、 體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的ASE光源技術(shù)相比，光源輸出光功率高達(dá)85%以上，光源輸出功率提高了 100倍以上，電源功耗則下降50%，光源有效使用壽命提高10年以上。光纖可調(diào)諧濾波器是一種基于光纖法-拍腔原理的光濾波器，具體體積小、穩(wěn)定性高、掃描頻率高的特點(diǎn)，通過(guò)壓電陶瓷電路控制法-珀腔的長(zhǎng)度控制輸出的光譜的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具是一種波長(zhǎng)校準(zhǔn)參考模塊，它反射的波峰的波長(zhǎng)很穩(wěn)定，在工作溫度范圍內(nèi)波長(zhǎng)隨溫度的變化很小，一般在Ipm之內(nèi)。均分光分路器是一種全光型的光器件，把輸入光按照光功率等比例的分成多路光進(jìn)行輸出。光分路盒模塊是一種全光型的光器件，由多個(gè)均光分路器組成，其作用是把輸入光分成多路等光功率的光輸出，輸出的光通過(guò)光纖輸出到各個(gè)通道的光纖傳感器，光纖傳感器會(huì)反射回特定波長(zhǎng)的光并沿原路返回，光分路盒模塊接收各個(gè)通道反射回來(lái)的光并從另外相對(duì)應(yīng)的端口輸出給光電轉(zhuǎn)換電路的輸入端口。η可以趨于無(wú)窮，代表任意一個(gè)自然數(shù)。如圖2, —種大容量并行光纖光柵傳感分析儀,包括光源、光纖可調(diào)諧濾波器2、 控制掃描模塊、波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4、模擬數(shù)據(jù)采集模塊、光分路盒模塊5、自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6。其中，光源，用于向光纖可調(diào)諧濾波器提供光信號(hào)；光纖可調(diào)諧濾波器2，用于向光分路盒模塊提供連續(xù)波長(zhǎng)序列的光；其上設(shè)置有光輸入端和控制輸入端；控制掃描模塊，用于控制光纖可調(diào)諧濾波器輸出連續(xù)波長(zhǎng)序列的光；光分路盒模塊5設(shè)置有用于連接波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)輸出端口 AO ；用于通過(guò)η個(gè)光纖光柵測(cè)量通道連接光纖光柵傳感器的并行的第一雙向端口 SI、 第二雙向端口 S2、……、第N雙向端口 Sn;用于連接自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6的第一輸出端口 Al、第二輸出端口 Α2、……、第η輸出端口 An ；自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6,用于將光分路盒模塊5及波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸入到模擬數(shù)據(jù)采集模塊；所述光電轉(zhuǎn)換模塊5設(shè)置有n+1個(gè)光信號(hào)輸入端口(IN0、IN1、IN2、…、INn)、n+l 個(gè)電信號(hào)輸出端口(0UT0、0UT1、0UT2、...、0UTn)。模擬數(shù)據(jù)采集模塊，用于將自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳輸給外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備8 ；所述光源的輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器2的光輸入端連接，所述控制掃描模塊的輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器2的控制輸入端連接，光纖可調(diào)諧濾波器2的輸出端與光分路盒模塊5的輸入端連接，光分路盒模塊5的輸出端口 AO與波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4的輸入端連接。波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4的輸出端以及光分路盒模的第一輸出端口 Al、第二輸出端口
A2、......、第η輸出端口 An分別與自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6的n+1個(gè)光信號(hào)輸入
端口對(duì)應(yīng)連接；自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6的n+1個(gè)電信號(hào)輸出端口分別與模擬數(shù)據(jù)采集模塊連接；所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備8連接。其中，所述光源為高功率激光光源1，其輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器2的光輸入端連接。控制掃描模塊為數(shù)字控制掃描模塊3。模擬數(shù)據(jù)采集模塊為高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊7。其中，如圖3，自適應(yīng)高速多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6，進(jìn)一步包括第一微處理器61、n+l個(gè)光電探測(cè)器61、n+l個(gè)運(yùn)算放大器63、n+l個(gè)程控放大器 64。[0081]所述每一光信號(hào)輸入端口連接每一光電探測(cè)器62的輸入端；每一光電探測(cè)器62 的輸出端連接每一運(yùn)算放大器63的輸入端；每一運(yùn)算放大器63的輸出端連接每一程控放大器64的輸入端；每一程控放大器64的輸出端連接每一電信號(hào)輸出端口 ；每一電信號(hào)輸出端口均連接模擬數(shù)據(jù)采集模塊。第一微處理器61的輸出端分別連接每一程控放大器64 ;第一微處理器61的輸入端連接每一電信號(hào)輸出端口。其中，光信號(hào)輸入端口，用于輸入由光分路盒模塊5及波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4輸出的光信號(hào)。光電探測(cè)器62,用于把由光信號(hào)輸入端口輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出；運(yùn)算放大器63,用于把光電探測(cè)器輸出的微弱的電流信號(hào)進(jìn)行放大,并以電壓信號(hào)輸出；程控放大器64,用于對(duì)運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大；電信號(hào)輸出端口，用于輸出由程控放大器64放大后的電壓信號(hào)。第一微處理器61,用于實(shí)時(shí)米集電信號(hào)輸出端口的信號(hào)電壓值，進(jìn)行反饋計(jì)算后實(shí)時(shí)控制每一程控放大器。第一微處理器61即中央處理器，具有控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能，具體可以是單片機(jī)、ARM控制器、DSP控制器,第一微處理器61米集電信號(hào)輸出端口的電壓值,與目標(biāo)范圍值進(jìn)行比較，如果電壓值小于目標(biāo)范圍值，則增加放大倍數(shù)，如果大于目標(biāo)范圍值則減小放大倍數(shù)，保證輸出的電信號(hào)幅度在某個(gè)范圍內(nèi)，不會(huì)過(guò)小導(dǎo)致無(wú)信號(hào)輸出，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大導(dǎo)致信號(hào)被截波。這里的“自適應(yīng)”，是指能夠自動(dòng)檢測(cè)輸入光功率的大小，然后在微處理器的控制下自動(dòng)調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，保證輸出的電壓信號(hào)穩(wěn)定在某個(gè)范圍內(nèi)，防止光功率過(guò)小導(dǎo)致無(wú)信號(hào)輸出，也防止光功率過(guò)大導(dǎo)致信號(hào)被截波。其中，如圖4，數(shù)字控制掃描模塊3，其進(jìn)一步包括第二微處理器31、串口接口芯片32、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片33、濾波單元34、放大芯片35、 可調(diào)電阻36。第二微處理器31分別與串口接口芯片32和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片33連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片33與濾波單元34連接；濾波單元34與放大芯片35連接；放大芯片35與可調(diào)電阻 36連接。其中，串口接口芯片32，用于與模擬數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行串口通信；第二微處理器31，用于輸出方波同步信號(hào)給模擬數(shù)據(jù)采集模塊，及用于向數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出數(shù)字信號(hào)，及用于通過(guò)串口接口芯片與模擬數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信。第二微處理器31即中央處理器，具有控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能，具體可以是單片機(jī)、ARM控制器、DSP控制器。第二微處理器31有一輸出口向光纖可調(diào)諧濾波器2輸出方波同步信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片33，用于把第二微處理器31輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。濾波單元34，用于濾除數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片33輸出的電壓信號(hào)中的噪聲。放大芯片35，用于把濾波單元34輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并向所述光纖可調(diào)諧濾波器2輸出放大后的電壓信號(hào)。具體實(shí)施時(shí)，放大芯片輸出三角波電壓信號(hào)給光纖可調(diào)諧濾波器2，以控制光纖可調(diào)諧濾波器2的工作，三角波電壓信號(hào)的幅度可通過(guò)可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，其頻率可通過(guò)模擬數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行控制?？烧{(diào)電阻36，用于調(diào)節(jié)放大芯片35的電壓放大倍數(shù)。其中，如圖5，高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊7，其進(jìn)一步包括[0096]觸發(fā)信號(hào)輸入端口、n+1個(gè)模擬量輸入端口(AM)、ANl、……、ANn)、n+1個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADO、ADI、……、ADn )、先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器(FIFO)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、 觸發(fā)選擇單元。所述觸發(fā)信號(hào)輸入端口與所述觸發(fā)選擇單元連接；所述觸發(fā)選擇單元與所述數(shù)字控制掃描模塊連接；所述觸發(fā)選擇單元的輸出端分別與每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片連接；所述觸發(fā)選擇單元的輸入與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接；所述每一模擬量輸入端口分別與每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入連接；所述每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出分別與所述數(shù)據(jù)緩存器連接；所述數(shù)據(jù)緩存器與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接。數(shù)字控制掃描模塊3的第二微處理器31輸出方波同步信號(hào)的一個(gè)端口與所述觸發(fā)信號(hào)輸入端口連接；串口接口芯片32與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)連接；第二微處理器 31通過(guò)串口接口芯片32與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)做雙向通訊。觸發(fā)選擇單元可對(duì)觸發(fā)方式進(jìn)行選擇，可選擇外部觸發(fā)或軟件觸發(fā)。圖5中，高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊6通過(guò)USB通信專用芯片(USB2. O芯片) 及USB數(shù)據(jù)總線與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。這里僅為舉例，具體實(shí)施時(shí)，模擬數(shù)據(jù)采集模塊還可通過(guò)其他方式與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接，如可采用PCI總線與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。如圖6，光分路盒模塊5，進(jìn)一步包括—個(gè)第一均分光分路器，η個(gè)第二均分光分路器；第一輸出端口、第二輸出端口、……、第η輸出端口 ；第一均分器為一個(gè)I分(n+1)均分光分路器；第二均分器為一個(gè)I分2均分光分路器。所述第一均分光分路器設(shè)置有n+1個(gè)輸出端口 ；其中，η個(gè)輸出端口分別對(duì)應(yīng)與η 個(gè)第二均分光分路器連接；η個(gè)第二均分光分路器的輸出端分別對(duì)應(yīng)有第一雙向端口 SI、 第二雙向端口 S2、……、第η雙向端口 Sn。光纖可調(diào)諧濾波器輸入連續(xù)波長(zhǎng)序列的光進(jìn)入第一均分光分光器后被平均分成 n+1道光；其中η道光分別輸入η個(gè)第二均分光分路器，剩下一路從第一均分光分路器的一個(gè)輸出端口輸入到波長(zhǎng)校準(zhǔn)具。η個(gè)第二均分光分路器分別通過(guò)第一雙向端口 SI、第二雙向端口 S2、……、第η 雙向端口 Sn把光輸入到對(duì)應(yīng)的η個(gè)光纖光柵傳感器的輸入接口 ；η個(gè)光纖傳感器反射回來(lái)的光再次經(jīng)過(guò)第一雙向端口 SI、第二雙向端口 S2、……、第η雙向端口 Sn返回；返回的光
再分別通過(guò)第一輸出端口 Al、第二輸出端口 Α2、......、第η輸出端口 An輸入給自適應(yīng)高
速多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6。下面通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述。本實(shí)施例中，高功率激光光源I產(chǎn)生的光的光功率大于20dbm，光譜波長(zhǎng)為C+L波段，波長(zhǎng)范圍為153(Tl610nm，帶寬為80nm。如圖7，本實(shí)施例中，n=64，即一共有64個(gè)光纖光柵測(cè)量通道，每個(gè)通道都可以按照200KHz的采樣速率進(jìn)行并行采集，高功率激光光源的光譜帶寬為80nm，每個(gè)光纖光柵傳感器帶寬為2nm，同一通道可以串接80nm/2nm=40個(gè)不同波長(zhǎng)帶寬的光纖光柵傳感器，本實(shí)施例總共可以同時(shí)解調(diào)64x40=2560個(gè)傳感器，可滿足比較大型的工程應(yīng)用。
1[0111]高功率激光光源I產(chǎn)生的光輸入到光纖可調(diào)諧濾波器2，光纖可調(diào)諧濾波器2在數(shù)字控制掃描模塊3的控制下輸出連續(xù)波長(zhǎng)序列的光，光纖可調(diào)諧濾波器2輸出的光輸入到I 分65的光分路盒模塊5，光分路盒模塊5把輸入光平分成65個(gè)通道，AO端口的光直接輸出給波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4,波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具4把相應(yīng)波長(zhǎng)的光輸出到自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6的光輸入信號(hào)端口 INO對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器。光分路盒模塊5的SI端口到S64端口的光分別輸出給64個(gè)通道的光纖光柵傳感器輸入接口，光纖光柵傳感器把相應(yīng)波長(zhǎng)的光沿光纖原路反射到I分64光分路盒模塊5的Al端口到A64端口，I分64光分路盒模塊5的Al端口到 A64端口的光輸出到自適應(yīng)高速多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6的INl通道到IN64通道的光電探測(cè)器，65路自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊6把每個(gè)通道的輸入光轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)輸入到65路高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊7，所述65路的模擬數(shù)據(jù)采集模塊7把65路的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)，通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線傳輸給外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備8，外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備 8收到數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、波長(zhǎng)數(shù)據(jù)解調(diào)、物理量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和顯示。同時(shí)， 數(shù)字控制掃描模塊3會(huì)向高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊7發(fā)送方波信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)控制； 并且數(shù)字控制掃描模塊3與高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊7做雙向通訊。儀器啟動(dòng)采集時(shí)，高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)串口給數(shù)字控制掃描模塊發(fā)送控制參數(shù)和啟動(dòng)命令，數(shù)字模塊運(yùn)行啟動(dòng)后輸出連續(xù)的方波信號(hào)給高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)字控制掃描模塊3產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定、高線性的三角波電壓信號(hào)控制光纖可調(diào)諧濾波器的工作，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，參數(shù)可以通過(guò)軟件進(jìn)行在線修改。高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊7采用了高速的FPGA芯片、多片高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，F(xiàn)PGA程序利用同步時(shí)序電路、芯片鎖存技術(shù)，并行高速的采集所有通道的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道之間的數(shù)據(jù)采集的嚴(yán)格同步，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)高速USB數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)傳送給外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備，并且采樣速率可通過(guò)軟件在線修改，實(shí)現(xiàn)不同采樣速率的采集。USB數(shù)據(jù)總線的傳輸速速率最高可以達(dá)到480Mbps，每秒480兆位，如果每路A/D采集采樣精度為 16位、采樣速率為200KHz，最大并行同步通道可以達(dá)到480Mbps/16bit/200KHz=150個(gè)通道，如果每路A/D采集采樣精度為16位、采樣速率為400KHZ，最大并行同步通道可以達(dá)到 480Mbps/16bit/400KHz=75 個(gè)通道。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵傳感分析儀光功率動(dòng)態(tài)輸入范圍小、通道數(shù)少、通道間不同步的問(wèn)題，其有益效果具體如下I.本實(shí)用新型采用了自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換電路，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光功率輸入動(dòng)態(tài)范圍更大、波形不失真、采樣精度更高、通道數(shù)更多。2. 本實(shí)用新型采用了高功率激光光源，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光功率大、光傳輸距離更遠(yuǎn)、所帶的通道數(shù)更多。3. 本實(shí)用新型采用了數(shù)字控制掃描電路，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是控制精度高、抗干擾性更強(qiáng)、溫度影響漂移小、控制參數(shù)可在線修改。4. 本實(shí)用新型采用了高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集電路，使用了高速的FPGA 芯片、高速的USB2. O數(shù)據(jù)傳輸總線、同步時(shí)序電路、高速的大容量FIFO緩沖存儲(chǔ)器、高速的 16位AD芯片，解決了傳統(tǒng)技術(shù)的通道數(shù)少，采樣速度低，采樣精度低，通道之間不同步的問(wèn)題。5.本實(shí)用新型采用了光分路盒模塊，技術(shù)優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道并行傳輸。本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本實(shí)用新型。優(yōu)選實(shí)施例并沒(méi)有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該實(shí)用新型僅為所述的具體實(shí)施方式
。顯然，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說(shuō)明書(shū)選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本實(shí)用新型的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本實(shí)用新型。本實(shí)用新型僅受權(quán)利要求書(shū)及其全部范圍和等效物的限制。
權(quán)利要求1.一種大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，包括光源、光纖可調(diào)諧濾波器、控制掃描模塊、波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具、模擬數(shù)據(jù)采集模塊、光分路盒模塊、自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊；所述光分路盒模塊設(shè)置有用于連接波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)輸出端口；用于連接光纖光柵傳感器的并行的第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端Π ；用于連接自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端口、第二輸出端口、……、第η 輸出端口 ；所述自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置有η+1個(gè)光信號(hào)輸入端口、η+1個(gè)電信號(hào)輸出端口 ；所述光源的輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器的光輸入端連接，所述控制掃描模塊的輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器的控制輸入端連接，所述光纖可調(diào)諧濾波器的輸出端與光分路盒模塊的輸入端連接，所述光分路盒模塊的一個(gè)輸出端口與波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的輸入端連接；所述波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的輸出端以及光分路盒模的第一輸出端口、第二輸出端口、……、第η 輸出端口分別與自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的η+1個(gè)光信號(hào)輸入端口一一對(duì)應(yīng)連接；所述自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的η+1個(gè)電信號(hào)輸出端口分別與模擬數(shù)據(jù)采集模塊連接； 所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)一步包括第一微處理器、η+1個(gè)光電探測(cè)器、η+1個(gè)運(yùn)算放大器、 η+1個(gè)程控放大器，其中每一光電探測(cè)器的輸入端連接每一光信號(hào)輸入端口；每一運(yùn)算放大器的輸入端連接每一光電探測(cè)器的輸出端，且每一運(yùn)算放大器的輸出端連接每一程控放大器的輸入端；每一程控放大器的輸出端連接每一電信號(hào)輸出端口 ；每一電信號(hào)輸出端口均連接模擬數(shù)據(jù)采集模塊；所述第一微處理器的輸出端分別連接每一程控放大器；所述第一微處理器的輸入端連接每一電信號(hào)輸出端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述光源為高功率激光光源，其輸出端與光纖可調(diào)諧濾波器的光輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述控制掃描模塊為數(shù)字控制掃描模塊，其進(jìn)一步包括第二微處理器、串口接口芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、 濾波單元、放大芯片、可調(diào)電阻，其中所述第二微處理器分別與串口接口芯片和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與濾波單元連接；所述濾波單元與放大芯片連接；所述放大芯片與可調(diào)電阻連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊為高速多路并行模擬數(shù)據(jù)采集模塊，其進(jìn)一步包括觸發(fā)信號(hào)輸入端口、n+1個(gè)模擬量輸入端口、n+1個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)緩存器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列、觸發(fā)選擇單元；所述觸發(fā)信號(hào)輸入端口與所述觸發(fā)選擇單元連接；所述觸發(fā)選擇單元與所述數(shù)字控制掃描模塊連接；所述觸發(fā)選擇單元的輸出端分別與每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片連接；所述觸發(fā)選擇單元的輸入與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接；所述每一模擬量輸入端口分別與每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入連接；所述每一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出分別與所述數(shù)據(jù)緩存器連接；所述數(shù)據(jù)緩存器與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述光分路盒模塊，進(jìn)一步包括一個(gè)第一均分光分路器，η個(gè)第二均分光分路器；第一輸出端口、第二輸出端口、......、第η輸出端口 ；所述第一均分光分路器設(shè)置有n+1個(gè)輸出端口 ；其中，η個(gè)輸出端口分別對(duì)應(yīng)與η個(gè)第二均分光分路器連接；η個(gè)第二均分光分路器的輸出端分別對(duì)應(yīng)有第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端口；光纖可調(diào)諧濾波器輸入連續(xù)波長(zhǎng)序列的光進(jìn)入第一均分光分光器后被平均分成n+1 道光；其中η道光分別輸入η個(gè)第二均分光分路器,剩下一路從第一均分光分路器的一個(gè)輸出端口輸入到波長(zhǎng)校準(zhǔn)具；η個(gè)第二均分光分路器分別通過(guò)第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端口把光輸入到對(duì)應(yīng)的η個(gè)光纖傳感器的輸入接口 ；η個(gè)光纖傳感器反射回來(lái)的光再次經(jīng)過(guò)第一雙向端口、第二雙向端口、......、第η雙向端口返回；返回的光再分別通過(guò)第一輸出端口、第二輸出端口、......、第η輸出端口輸入給自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述模擬數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)USB數(shù)據(jù)傳輸總線/PCI總線與外圍計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的大容量并行光纖光柵傳感分析儀，其特征在于，所述第二微處理器輸出方波同步信號(hào)的一個(gè)端口與所述觸發(fā)信號(hào)輸入端連接；所述串口接口芯片與所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列連接；所述第二微處理器通過(guò)串口接口芯片與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列做雙向通訊。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種大容量并行光纖光柵傳感分析儀，包括波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具、光分路盒模塊、自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊。所述光分路盒模塊設(shè)置有用于連接波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)輸出端口；用于連接光纖光柵傳感器的并行的第一雙向端口、第二雙向端口、……、第n雙向端口；用于連接自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的第一輸出端口、第二輸出端口、……、第n輸出端口；所述自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置有n+1個(gè)光信號(hào)輸入端口、n+1個(gè)電信號(hào)輸出端口。所述光分路盒模塊的一個(gè)輸出端口與波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的輸入端連接；所述波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的輸出端以及光分路盒模的第一輸出端口、第二輸出端口、……、第n輸出端口分別與自適應(yīng)多路并行光電轉(zhuǎn)換模塊的n+1個(gè)光信號(hào)輸入端口一一對(duì)應(yīng)連接。
文檔編號(hào)G01D5/353GK202350810SQ20112051919
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者張榮貴, 楊海根, 袁斌 申請(qǐng)人:上海漢昆光電科技有限公司