基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明為基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及運(yùn)行方法，本系統(tǒng)可調(diào)激光器輸出的波長(zhǎng)周期性變化的窄帶光波激光束中一路分為N路入射N個(gè)傳感器通道，各傳感器通道中波長(zhǎng)變化范圍不重疊的FBG按特征波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)、位置由近到遠(yuǎn)排列。另一路進(jìn)入校準(zhǔn)通道的標(biāo)準(zhǔn)具，各傳感器通道的反射光和標(biāo)準(zhǔn)具的透射光分別經(jīng)各光電探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路接入FPGA，F(xiàn)PGA的輸出端接工控機(jī)，控制信號(hào)接可調(diào)激光器。其運(yùn)行方法為可調(diào)激光器周期性掃描的窄帶激光進(jìn)入各傳感器通道、當(dāng)與某個(gè)FBG的特征波長(zhǎng)相同時(shí)被反射，另一路激光透射標(biāo)準(zhǔn)具，二者轉(zhuǎn)為電信號(hào)進(jìn)入工控機(jī)，得該FBG波長(zhǎng)變化量。本發(fā)明可連續(xù)掃描，實(shí)時(shí)波長(zhǎng)校準(zhǔn)精度達(dá)1με，F(xiàn)PGA并行采集處理，解調(diào)速度高。
【專利說(shuō)明】基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù),具體為一種基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及運(yùn)行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前多數(shù)光纖光柵傳感系統(tǒng)是由寬帶光源、光分束器、光纖光柵傳感器、可調(diào)濾波器件、光電探測(cè)器和相應(yīng)的電路系統(tǒng)構(gòu)成。光纖光柵傳感器在環(huán)境條件的應(yīng)變或溫度變化的影響下，反射波長(zhǎng)發(fā)生改變，經(jīng)可調(diào)諧濾波器件后，通過(guò)光電探測(cè)器接收，由電路系統(tǒng)解調(diào)得出當(dāng)前的反射波長(zhǎng)，對(duì)比初始波長(zhǎng)，根據(jù)當(dāng)前反射波長(zhǎng)的變化即可得到光纖光柵傳感所處位置的應(yīng)變或溫度變化量。
[0003]由于現(xiàn)有的光纖光柵傳感系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻寬帶光源只有一小部分被使用，所以光源的利用率低，傳感信號(hào)信噪比差。且由于后端每次進(jìn)行掃頻時(shí)只能掃描一個(gè)通道，難以實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的復(fù)用和實(shí)時(shí)波長(zhǎng)的校準(zhǔn)，直接影響可解調(diào)的傳感器數(shù)量和解調(diào)精度。現(xiàn)有的光纖光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)的速度主要取決于數(shù)據(jù)處理速度和波長(zhǎng)掃描速度，波長(zhǎng)掃描速度受光信號(hào)發(fā)出返回的時(shí)間限制，目前一般在Hz量級(jí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括可調(diào)激光器、耦合器和多個(gè)光纖光柵傳感器通道，可調(diào)激光器輸出周期變化的窄帶掃描激光，對(duì)各傳感器通道的光纖光柵傳感器掃描，待測(cè)傳感器反射的光波經(jīng)光纖環(huán)形器接入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器的輸出端經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路，連接FPGA (Field — Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)電路，F(xiàn)PGA電路的輸出端接工控機(jī)。
[0005]本發(fā)明的另一目的是設(shè)計(jì)上述基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)的運(yùn)行方法，可調(diào)激光器輸出周期變化的窄帶掃描激光，對(duì)各傳感器通道的光纖光柵傳感器掃描，待測(cè)傳感器反射的光波經(jīng)光纖環(huán)形器或耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器，所得電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，由FPGA采集，送工控機(jī)處理，解調(diào)出光纖光柵的波長(zhǎng)變化，從而得到環(huán)境物理參數(shù)的變化。
[0006]本發(fā)明的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括激光器、稱合器、環(huán)形器、光電探測(cè)器和N個(gè)傳感器通道，N為I?16的整數(shù)，每個(gè)傳感器通道為串聯(lián)的I?20個(gè)布拉格光纖光柵傳感器，各個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)不同、且波長(zhǎng)變化范圍不重疊，激光器輸出的激光束經(jīng)I XN耦合器分為N路，分別經(jīng)環(huán)形器或2X I耦合器入射N個(gè)傳感器通道，每個(gè)傳感器通道的反射光返回環(huán)形器或2 X I耦合器，由環(huán)形器或2 X I耦合器的另一輸出端分別接入各自的光電探測(cè)器，本發(fā)明的激光器為可調(diào)激光器，輸出波長(zhǎng)周期性變化的窄帶光波，其波長(zhǎng)變化范圍覆蓋本系統(tǒng)各布拉格光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化范圍。各傳感器通道中的光纖光柵傳感器按特征波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)、其位置由近到遠(yuǎn)排列。各光電探測(cè)器分別經(jīng)各信號(hào)調(diào)理電路接入FPGA電路，F(xiàn)PGA電路的輸出端接工控機(jī)，F(xiàn)PGA電路的控制信號(hào)輸出端接可調(diào)激光器。
[0007]所述可調(diào)激光器為基于F-P濾波器的環(huán)形腔可調(diào)激光器，基于光纖光柵的可調(diào)諧激光器，基于體光柵的可調(diào)諧激光器中的任一種。
[0008]本系統(tǒng)還有波長(zhǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)具，可調(diào)激光器輸出的激光束先接入1X2耦合器分為2路，一路接入I XN耦合器分為N路傳感器通道，另一路則接入標(biāo)準(zhǔn)具為校準(zhǔn)通道，透射標(biāo)準(zhǔn)具的激光束接入其光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器的輸出電信號(hào)經(jīng)一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路也接入FPGA電路。
[0009]所述基于F-P濾波器的環(huán)形腔可調(diào)激光器，包括泵浦激光器、波分復(fù)用器、摻鉺光纖、激光器1X2耦合器、可調(diào)諧F-P濾波器及光纖隔離器；泵浦激光器輸出的激光連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出端順序連接摻鉺光纖、激光器I X 2耦合器、可調(diào)諧F-P濾波器(可調(diào)諧法布里-柏羅濾波器)及光纖隔離器，光纖隔離器的輸出端也接入波分復(fù)用器的輸入端，構(gòu)成的環(huán)腔。激光器1X2 f禹合器的另一輸出端為本例可調(diào)激光器的輸出端,輸出可調(diào)諧激光束。FPGA電路的控制信號(hào)輸出端接可調(diào)激光器的可調(diào)諧F-P濾波器。
[0010]所述標(biāo)準(zhǔn)具為F-P (Fabry-Perot法布里-柏羅)標(biāo)準(zhǔn)具或者為氣體吸收腔。
[0011]為保證精度，所述標(biāo)準(zhǔn)具置于溫控模塊上。
[0012]為保證精度，所述可調(diào)諧F-P濾波器置于溫控模塊上。
[0013]N個(gè)傳感器通道的N個(gè)環(huán)形器為規(guī)格相同的環(huán)形器，或者N個(gè)2X I耦合器為規(guī)格相同N個(gè)2X I f禹合器。
[0014]所述N個(gè)傳感器通道中的一個(gè)或多個(gè)傳感器通道可接光開(kāi)關(guān)或分路器，一個(gè)接光開(kāi)關(guān)或分路器的傳感器通道擴(kuò)展為η個(gè)傳感器通道，η為2?16的整數(shù)。
[0015]所述N個(gè)環(huán)形器或者N個(gè)2 X I耦合器所接的光電探測(cè)器，以及標(biāo)準(zhǔn)具所接的光電探測(cè)器為相同的光電探測(cè)器。
[0016]各光電探測(cè)器所接的信號(hào)調(diào)理電路為相同的信號(hào)調(diào)理電路。
[0017]可調(diào)激光器輸出的激光束所接的1X2耦合器分光比為90/10，90%的激光束接入I XN耦合器，10%的激光束接入標(biāo)準(zhǔn)具。
[0018]本發(fā)明的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)的運(yùn)行方法如下:
[0019]根據(jù)FPGA電路的信號(hào)，可調(diào)激光器輸出周期性掃描的窄帶激光，其每個(gè)周期掃描的窄帶激光波長(zhǎng)與各布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，其掃描波長(zhǎng)是從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)；該激光束經(jīng)過(guò)1X2耦合器分為2路，其中一路透射標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器，光電探測(cè)器的輸出電信號(hào)接入其對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路；IX 2耦合器分出的另一路激光經(jīng)I XN耦合器分成N路，分別經(jīng)過(guò)環(huán)形器或2Χ I耦合器入射各傳感器通道中待測(cè)的布拉格光纖光柵傳感器，當(dāng)掃描的入射光與某個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)相同時(shí)被反射，反射回的光波經(jīng)環(huán)形器或2Χ I耦合器進(jìn)入該傳感器通道對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器，各相關(guān)光電探測(cè)器將轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)送入對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，各信號(hào)調(diào)理電路對(duì)接收的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA電路采集各信號(hào)調(diào)理電路所得數(shù)字信號(hào)，發(fā)送到其所連接的工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行波峰檢測(cè)。
[0020]進(jìn)入校準(zhǔn)通道的激光束透射標(biāo)準(zhǔn)具，在一個(gè)掃描周期中，標(biāo)準(zhǔn)具濾波器透射100個(gè)等間隔的波峰，經(jīng)過(guò)其光電探測(cè)器所得的在時(shí)域上的電信號(hào)就呈現(xiàn)出波長(zhǎng)確定的100個(gè)波峰，電信號(hào)經(jīng)過(guò)其信號(hào)調(diào)理電路被FPGA電路采集，發(fā)送到工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)具的電信號(hào)確定當(dāng)前布拉格光纖光柵傳感器返回的電信號(hào)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即得到該布拉格光纖光柵傳感器此刻的波長(zhǎng)值，進(jìn)而得到波長(zhǎng)變化量。之后根據(jù)所得波長(zhǎng)變化量按公式計(jì)算出該布拉格光纖光柵傳感器所處位置的溫度或應(yīng)變值。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及運(yùn)行方法的優(yōu)點(diǎn)為:1、可實(shí)現(xiàn)高速、高信噪比的光纖光柵傳感器的信號(hào)解調(diào)；可調(diào)激光器的掃描波長(zhǎng)是從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)，各傳感器通道中的光纖光柵傳感器按特征波長(zhǎng)由短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)、位置的設(shè)置由近到遠(yuǎn)，而且各個(gè)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化范圍不重疊；當(dāng)掃描波長(zhǎng)是從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)，距離遠(yuǎn)的光纖光柵傳感器反射返回的波長(zhǎng)在時(shí)域上會(huì)被拉開(kāi)，在工控機(jī)對(duì)某個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，減掉該傳感器與環(huán)形器之間的距離傳輸所需的時(shí)間即可；因而不會(huì)有不同的光纖光柵傳感器反射光重疊的現(xiàn)象，就不必等到所有的反射信號(hào)光返回后再進(jìn)行下一個(gè)周期的掃描，而是可以連續(xù)掃描，大大提高了掃描的速度，可達(dá)kHz量級(jí)；2、FPGA電路為并行采集處理電路，可同時(shí)采集多個(gè)傳感通道信號(hào)采集，工控機(jī)同時(shí)對(duì)多路信號(hào)解調(diào)，更提高了系統(tǒng)解調(diào)速度；3、本系統(tǒng)可容納多個(gè)通道，每個(gè)通道通過(guò)進(jìn)一步復(fù)用都可擴(kuò)展為4個(gè)傳感通道，每個(gè)通道最多可攜帶20個(gè)光纖光柵傳感器，因此本系統(tǒng)的容量達(dá)數(shù)百個(gè)光纖光柵傳感器，適用于大型工程和建筑等各種大型結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)健康安全監(jiān)測(cè)；4、可調(diào)諧激光器在溫度和環(huán)境影響下會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)漂移；本系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)具可實(shí)時(shí)波長(zhǎng)校準(zhǔn)，消除了激光器波長(zhǎng)漂移的影響，實(shí)現(xiàn)高信噪比解調(diào)，波長(zhǎng)校準(zhǔn)精度達(dá)到?μ ε，可達(dá)到Ipm的解調(diào)精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0024]圖內(nèi)標(biāo)號(hào)為:1、可調(diào)激光器，2、1Χ2耦合器，3、標(biāo)準(zhǔn)具，4、1Χ4耦合器，5、環(huán)形器，6、光開(kāi)關(guān)，7、傳感器通道，8、光電探測(cè)器，9、信號(hào)調(diào)理電路，10、FPGA電路，11、工控機(jī)，12、溫控模塊，13、2X1耦合器；
[0025]1-1、泵浦激光器，1-2、波分復(fù)用器，1-3、摻鉺光纖，1-4、激光器1X2耦合器，1-5、可調(diào)F-P濾波器，1-6、光纖隔離器。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及使用方法實(shí)施例1
[0028]本基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)施例1如圖1所不，包括可調(diào)激光器1、1X2耦合器2、1X4耦合器4、環(huán)形器5、光電探測(cè)器8和16個(gè)傳感器通道7，本例的可調(diào)激光器I為基于光纖光柵的可調(diào)諧激光器，米用基于體光柵的可調(diào)諧激光器與本例情況相同?？烧{(diào)激光器I輸出的波長(zhǎng)周期性變化的窄帶光波的波長(zhǎng)變化范圍覆蓋本系統(tǒng)內(nèi)各光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化范圍，其輸出的激光束先接入I X 2耦合器2分為2路，本例的I X 2耦合器2分光比為90/10，90%的激光束接入1X4耦合器4，10%的激光束接入標(biāo)準(zhǔn)具3。I X 2耦合器2分出的2路激光中一路接入I X 4耦合器4分為4路傳感器通道7，另一路則接入標(biāo)準(zhǔn)具3為校準(zhǔn)通道，本例的標(biāo)準(zhǔn)具3為氣體吸收腔。I X 4耦合器4分出的4路激光，分別進(jìn)入4個(gè)環(huán)形器5，各環(huán)形器5相同，每個(gè)環(huán)形器5的一個(gè)輸出端接光開(kāi)關(guān)6，又分為4路，即共16路傳感器通道7 ;每個(gè)傳感器通道7串聯(lián)I?20個(gè)布拉格光纖光柵傳感器，各個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)不同、且波長(zhǎng)變化范圍不重疊。各傳感器通道7中的布拉格光纖光柵傳感器按特征波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)、其位置由近到遠(yuǎn)排列。每個(gè)傳感器通道7的反射光返回環(huán)形器5，由環(huán)形器5的另一輸出端分別接入各自的光電探測(cè)器8 ;接入標(biāo)準(zhǔn)具3的激光透射標(biāo)準(zhǔn)具3后接入其光電探測(cè)器8，環(huán)形器5和標(biāo)準(zhǔn)具3所接的各光電探測(cè)器8均相同。各光電探測(cè)器8輸出的電信號(hào)分別經(jīng)各信號(hào)調(diào)理電路9接入FPGA電路10，本例得信號(hào)調(diào)理電路9均相同。FPGA電路10為并行采集電路，F(xiàn)PGA電路8的輸出端接工控機(jī)11，F(xiàn)PGA電路10的控制信號(hào)輸出端接可調(diào)激光器I。
[0029]本基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)運(yùn)行方法實(shí)施例1如下:
[0030]根據(jù)FPGA電路10的信號(hào)，可調(diào)激光器I輸出周期性掃描的窄帶激光，其每個(gè)周期掃描的窄帶激光波長(zhǎng)與本系統(tǒng)各布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，其掃描波長(zhǎng)是從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)；該激光束經(jīng)過(guò)1X2耦合器2分為2路，其中一路透射標(biāo)準(zhǔn)具3進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器8，光電探測(cè)器8的輸出電信號(hào)接入其對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路9 ;1 X 2耦合器2分出的另一路經(jīng)I X 4耦合器4分成4路，分別經(jīng)過(guò)環(huán)形器5進(jìn)入光開(kāi)關(guān)6，每一路再分為4路，可調(diào)激光器I輸出的周期性掃描的窄帶激光入射16路傳感器通道7中待測(cè)的布拉格光纖光柵傳感器，當(dāng)掃描的入射光與某個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)相同時(shí)被反射，反射回的布拉格光波經(jīng)環(huán)形器5進(jìn)入該傳感器通道7對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器8，各相關(guān)光電探測(cè)器將轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)送入對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路9，各信號(hào)調(diào)理電路9對(duì)接收的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA電路10采集各信號(hào)調(diào)理電路9所得數(shù)字信號(hào)，發(fā)送到其所連接的工控機(jī)11，工控機(jī)11對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行波峰檢測(cè)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)具3的光電探測(cè)器8所得的電信號(hào)確定當(dāng)前布拉格光纖光柵傳感器返回的電信號(hào)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，得到該布拉格光纖光柵傳感器此刻的波長(zhǎng)值，進(jìn)而得到波長(zhǎng)變化量；之后根據(jù)所測(cè)得的該傳感器通道7反射光的波長(zhǎng)變化量按公式計(jì)算出該布拉格光纖光柵傳感器所處位置的溫度或應(yīng)變值。
[0031]基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)及使用方法實(shí)施例2
[0032]本基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)施例2如圖2所不,其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I相似，其4個(gè)環(huán)行器用4個(gè)相同的2X I耦合器13代替，本例的標(biāo)準(zhǔn)具3為F-P是(Fabry-Perot法布里_柏羅)標(biāo)準(zhǔn)具。
[0033]所述可調(diào)激光器I為基于F-P濾波器的環(huán)形腔可調(diào)激光器，包括泵浦激光器1-1、波分復(fù)用器1-2、摻鉺光纖1-3、激光器I X 2耦合器1-4、可調(diào)諧F-P濾波器1_5及光纖隔離器1-6 ;泵浦激光器1-1輸出的激光連接波分復(fù)用器1-2，波分復(fù)用器1-2的輸出順序連接摻鉺光纖1-3、激光器1X2耦合器1-4、可調(diào)諧F-P濾波器1-5及光纖隔離器1_6，光纖隔離器1-6的輸出端也接入波分復(fù)用器1-2的輸入端，構(gòu)成的環(huán)腔。激光器1X2耦合器1-4的另一輸出端為本例可調(diào)激光器I的輸出端，輸出可調(diào)諧激光束。FPGA電路10的控制信號(hào)輸出端接可調(diào)激光器I的可調(diào)諧F-P濾波器1-5。
[0034]本例泵浦激光器1-1為980nm的泵浦激光器，本例的波分復(fù)用器為980nm/1550nm
的波分復(fù)用器。
[0035]本例的標(biāo)準(zhǔn)具3和可調(diào)諧F-P濾波器1-5置于溫控模塊12上，保持恒溫工作，以提聞系統(tǒng)精度。
[0036]本基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)的運(yùn)行方法實(shí)施例2如下:
[0037]本例的泵浦激光器1-1、波分復(fù)用器1-2、摻鉺光纖1-3、激光器1X2耦合器1_4、可調(diào)諧F-P濾波器1-5、光纖隔離器1-6構(gòu)成環(huán)腔可調(diào)激光器1，在FPGA電路10的調(diào)諧控制信號(hào)的周期作用下，可調(diào)諧F-P濾波器1-5的輸出為與之對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的窄帶光波。這個(gè)周期性掃描的窄波光波經(jīng)過(guò)1X2耦合器2被分成兩路。其中一路經(jīng)1X4耦合器4分成4路路后，經(jīng)2X I耦合器13入射到4路傳感器通道7的布拉格光纖光柵傳感器，當(dāng)入射光掃描到某個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)時(shí)，反射回的布拉格光波經(jīng)2X I耦合器13返回，送入光電探測(cè)器8 ； 1X2耦合器2分出的另一路激光入射到標(biāo)準(zhǔn)具3，標(biāo)準(zhǔn)具3透射的等間隔波峰進(jìn)入其光電探測(cè)器8，用于對(duì)可調(diào)諧F-P濾波器1-5的光波進(jìn)行校準(zhǔn)。各光電探測(cè)器8輸出的電信號(hào)分別經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路9進(jìn)行進(jìn)一步的放大、調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA電路10采集各信號(hào)調(diào)理電路所得數(shù)字信號(hào)，發(fā)送到其所連接的工控機(jī)11，工控機(jī)11對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行波峰檢測(cè)。在一個(gè)掃描周期中，標(biāo)準(zhǔn)具3透射100個(gè)等間隔的波峰，將掃描光譜范圍分成了100段，對(duì)這些波峰點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到可調(diào)諧F-P濾波器1-5的掃描控制光波轉(zhuǎn)換的電信號(hào)和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，根據(jù)當(dāng)前的布拉格光纖光柵傳感器返回的電信號(hào)峰值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)具3的電信號(hào)，即可知道該布拉格光纖光柵傳感器此刻的波長(zhǎng)值，進(jìn)而按公式計(jì)算出該布拉格光纖光柵傳感器所處位置的溫度或應(yīng)變值。
[0038]上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開(kāi)的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括激光器、稱合器、環(huán)形器(5)、光電探測(cè)器(8)和N個(gè)傳感器通道(7)，N為I~16的整數(shù)，每個(gè)傳感器通道(7)為串聯(lián)的I~20個(gè)布拉格光纖光柵傳感器，各個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)不同、且波長(zhǎng)變化范圍不重疊，激光器輸出的激光束經(jīng)I X N耦合器分為N路，分別經(jīng)環(huán)形器(5)或2 X I耦合器入射N個(gè)傳感器通道(7 )，每個(gè)傳感器通道(7 )的反射光返回環(huán)形器(5 )或2 X I耦合器(13 )，由環(huán)形器(5)或2X1耦合器(13)的另一輸出端分別接入各自的光電探測(cè)器(8)，其特征在于: 所述激光器為可調(diào)激光器(I )，輸出波長(zhǎng)周期性變化的窄帶光波，其波長(zhǎng)變化范圍覆蓋本系統(tǒng)各布拉格光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化范圍；各傳感器通道(7)中的布拉格光纖光柵傳感器按特征波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)、其位置由近到遠(yuǎn)排列；各光電探測(cè)器(8)分別經(jīng)各信號(hào)調(diào)理電路(9)接入FPGA電路(10)，F(xiàn)PGA電路(10)的輸出端接工控機(jī)(11 )，F(xiàn)PGA電路(10)的控制信號(hào)輸出端接可調(diào)激光器(I)； 本系統(tǒng)還有波長(zhǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)具(3)，可調(diào)激光器(I)輸出的激光束先接入I X 2耦合器(2)分為2路，一路接入IXN耦合器(4)分為N路傳感器通道(7)，另一路則接入標(biāo)準(zhǔn)具(3)為校準(zhǔn)通道，透射標(biāo)準(zhǔn)具(3)的激光束接入其光電探測(cè)器(8)，該光電探測(cè)器(8)的輸出電信號(hào)經(jīng)一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路(9)也接入FPGA電路(10)； 所述可調(diào)激光器(I)為基于F-P濾波器的環(huán)形腔可調(diào)激光器，基于光纖光柵的可調(diào)諧激光器，基于體光柵的可調(diào)諧激光器中的任一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: 所述基于F-P濾波器的環(huán)形腔可調(diào)激光器包括泵浦激光器(1-1)、波分復(fù)用器(1-2)、摻鉺光纖(1-3)、激光器I X 2耦合器(1-4)、可調(diào)諧F-P濾波器(1-5)及光纖隔離器(1_6);泵浦激光器(1-1)輸出的激光連接波分復(fù)用器(1-2)，波分復(fù)用器(1-2)的輸出端順序連接摻鉺光纖(1-3)、激光器1X2耦合器(1-4)、可調(diào)諧F-P濾波器(1-5)及光纖隔離器(1-6)，光纖隔離器(1-6)的輸出端也接入波分復(fù)用器(1-2)的輸入端，構(gòu)成的環(huán)腔；激光器I X 2耦合器(1-4)的另一輸出端為本可調(diào)激光器(I)的輸出端,輸出可調(diào)諧激光束；FPGA電路(10)的控制信號(hào)輸出端接可調(diào)激光器(I)的可調(diào)諧F-P濾波器(1-5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: 所述標(biāo)準(zhǔn)具(3)為F-P標(biāo)準(zhǔn)具,或者為氣體吸收腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: 所述標(biāo)準(zhǔn)具(3 )置于溫控模塊(12 )上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: 所述可調(diào)諧F-P濾波器(1-5)置于溫控模塊(12)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: N個(gè)傳感器通道(7)的N個(gè)環(huán)形器(5)為規(guī)格相同的環(huán)形器，或者N個(gè)2X1耦合器(13)為規(guī)格相同N個(gè)2X I f禹合器(13)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: 所述N個(gè)傳感器通道(7)中的一個(gè)或多個(gè)通道接光開(kāi)關(guān)(6)或分路器，一個(gè)接光開(kāi)關(guān)(6)或分路器的通道擴(kuò)展為η個(gè)傳感器通道(7)，η為2~16的整數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述N個(gè)環(huán)形器(5 )或者N個(gè)2 X I耦合器(13 )所接的光電探測(cè)器(8 )，以及標(biāo)準(zhǔn)具(3 )所接的光電探測(cè)器(8)為相同的光電探測(cè)器；各光電探測(cè)器(8)所接的信號(hào)調(diào)理電路(9)為相同的信號(hào)調(diào)理電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于: 所述可調(diào)激光器輸出的激光束所接的1X2耦合器(2)分光比為90/10，90%的激光束接入I X N耦合器(4 )，10%的激光束接入標(biāo)準(zhǔn)具(3 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的基于窄帶掃描光源的光纖光柵傳感系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于: 根據(jù)FPGA電路(10)的信號(hào)，可調(diào)激光器(I)輸出周期性掃描的窄帶激光，其每個(gè)周期掃描的窄帶激光波長(zhǎng)與各布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，其掃描波長(zhǎng)是從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)；該激光束經(jīng)過(guò)1X2耦合器(2)分為2路，其中一路透射標(biāo)準(zhǔn)具(3)進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器(8)，光電探測(cè)器(8)的輸出電信號(hào)接入其對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路(9) ；1X2耦合器(2 )分出的另一路激光經(jīng)I X N耦合器(4 )分成N路，分別經(jīng)過(guò)環(huán)形器(5 )或2 X I耦合器(13)入射各傳感器通道(7)中待測(cè)的布拉格光纖光柵傳感器，當(dāng)掃描的入射光與某個(gè)布拉格光纖光柵傳感器的特征波長(zhǎng)相同時(shí)被反射，反射回的光波經(jīng)環(huán)形器(5)或2X1 f禹合器(13)進(jìn)入該傳感器通道(7)對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器(8)，各相關(guān)光電探測(cè)器(8)將轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)送入對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路(9)，各信號(hào)調(diào)理電路(9)對(duì)接收的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA電路(10)采集各信號(hào)調(diào)理電路(9)所得數(shù)字信號(hào)，發(fā)送到其所連接的工控機(jī)(11 )，工控機(jī)(11)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行波峰檢測(cè)；進(jìn)入校準(zhǔn)通道的激光束透射標(biāo)準(zhǔn)具(3 )，在一個(gè)掃描周期中，標(biāo)準(zhǔn)具(3)濾波器透射100個(gè)等間隔的波峰，經(jīng)過(guò)其光電探測(cè)器(8)所得的在時(shí)域上的電信號(hào)呈現(xiàn)出波長(zhǎng)確定的100個(gè)波峰，電信號(hào)經(jīng)過(guò)其信號(hào)調(diào)理電路(9)被FPGA電路(10 )采集，發(fā)送到工控機(jī)(11)，工控機(jī)(11)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)具(3 )的電信號(hào)確定當(dāng)前布拉格光纖光柵傳感器返回的電信號(hào)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，得到該布拉格光纖光柵傳感器此刻的波長(zhǎng)值，進(jìn)而得到波長(zhǎng)變化量；之后根據(jù)所得波長(zhǎng)變化量按公式計(jì)算出該布拉格光纖光柵傳感器所處位置的溫度或應(yīng)變`值。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK103512510SQ201310502616
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】楊軍, 王航, 魏帥, 陽(yáng)華, 岳耀笠, 程犁清 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所