專利名稱：一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖傳感、光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器作為智能化結(jié)構(gòu)的傳感器，具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、易集成、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點，早已作為有效的無損檢測技術(shù)成功應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域中，同時還可在水利水電、煤礦、材料工業(yè)、船舶、化學(xué)醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用，并可埋設(shè)在土木工程領(lǐng)域的混凝土結(jié)構(gòu)和組件里，對結(jié)構(gòu)的完整性和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行健康監(jiān)測。尤其是其波長編碼特性以及能在單根光纖上實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量的優(yōu)點更是其它傳感器所無法比擬的，具有廣闊的應(yīng)用前景。光纖光柵是一種制作在光纖上的具有窄帶反射特性的光學(xué)濾波器，其工作原理如附圖1所示，根據(jù)光纖耦合模理論，寬帶光在光纖光柵中傳輸?shù)臅r候，會產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射:入B=2.neffA (I)式中，A B為布拉格中心波長，neff為有效折射率，A為光柵周期。在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，外界物理量即待測量信息是以光纖光柵的反射波長為載體來傳遞的。A和neff都會因外界環(huán)境的變化而改變，從而引起布拉格反射波長也發(fā)生相應(yīng)偏移，而光纖布拉格光柵的纖芯折射率neff和光柵周期A又將隨著外界溫度或應(yīng)變的變化而變化。光纖布拉格光柵在應(yīng)力作用下會因為光柵周期的伸縮及彈光效應(yīng)導(dǎo)致光柵中心反射波長的變化，而溫度對中心波長的影響則是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起。光纖光柵中心波長的變化量A X,在一定 的范圍內(nèi)和應(yīng)變e、溫度變化AT存在如下的線性關(guān)系:A 入 B/ 入 B= e 1- Y (2)A A B/ A B= ( a +e) A T (3)式中:e為光纖的應(yīng)變，Y為光纖材料的彈光系數(shù)，a為光纖材料的熱脹系數(shù)，AT為溫度變化量，e=l/n(dn/dT)為熱光系數(shù)。通過測量波長的變化根據(jù)上述的關(guān)系就能確定需感知的溫度和應(yīng)力。因此，波長解調(diào)技術(shù)一直是該領(lǐng)域的研究熱點，高精度、快速、低成本的實現(xiàn)解調(diào)，是光纖光柵傳感器大規(guī)模工程化應(yīng)用的一個重要前提。目前，對光纖光柵波長進(jìn)行解調(diào)的方法主要有光譜儀檢測法、匹配光柵法、邊緣濾波法、可調(diào)諧光纖F-PFabry-Perot濾波法、非平衡M-Z光纖干涉儀法、邁克爾遜干涉儀解調(diào)法、波長掃描光纖激光器解調(diào)法等。這些方法歸納起來可分為:寬帶光源/寬帶濾波接收、寬帶光源/可調(diào)窄帶接收、寬帶光源/干涉接收以及可調(diào)諧窄帶光源/寬帶接收四類方案。目前，世界上實用化解調(diào)技術(shù)主要采用以下三種方案:1采用寬帶光源和可調(diào)諧F-P濾波器對傳感光纖光柵的反射譜進(jìn)行掃描；2采用色散原件和陣列相結(jié)合的光譜成像技術(shù)進(jìn)行波長分析；3采用大功率可調(diào)諧窄帶激光源對傳感光纖光柵進(jìn)行波長掃描，參考如下相關(guān)的國內(nèi)外專利:[0011]高精度光纖光柵傳感信號解調(diào)儀中國實用新型專利CN 101216327 B基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中國實用新型，CN 201680848 U一種高精度光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)中國實用新型專利CN 101586986 B一種多通道光纖光柵解調(diào)儀中國實用新型專利CN 101718942 B高速高精度多通道布拉格光柵解調(diào)儀中國實用新型專利CN 102252704 A一種光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)中國實用新型專利CN 102183267 A一種可調(diào)激光型光纖光柵波長解調(diào)裝置中國實用新型專利CN 102494874 A一種布拉格光柵傳感系統(tǒng)(Fiber Bragg Grating Sensor System)(美國專利US7333680B2)采用寬帶光源的波長解調(diào)系統(tǒng)，由于Bragg反射波長的光僅占整個光譜的極小一部分，故其信噪比很低，而前期采用全模擬技術(shù)，即光源連續(xù)掃描，探測器連續(xù)接收，用硬件進(jìn)行峰值檢測，提取峰值信息，這種方法雖然簡單直接，但是無法通過算法獲得更高的精度；后期隨著激 光器技術(shù)的發(fā)展，大功率可調(diào)諧激光器問世，光源采用可調(diào)諧窄帶激光器代替寬帶光源，大大提高了其信噪比，且改進(jìn)接收方式，通過采用數(shù)字化接收方式，即光源連續(xù)掃描，在探測器端使用AD轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，對數(shù)字信號序列進(jìn)行運算，從而得到峰值信息，這種方法的優(yōu)點是對于接收到的數(shù)字序列可以進(jìn)行各種算法，比如擬合法，質(zhì)心算法等，對光柵的光譜形狀更有適應(yīng)性，進(jìn)一步提高了測試精度。但缺點是:在AD采樣保持時間內(nèi)，光源波長還在改變，測到的是平均波長的結(jié)果，容易帶來測試誤差。到目前為止，國內(nèi)外公開的所有關(guān)于高精度波長解調(diào)儀的文獻(xiàn)或?qū)＠遣捎靡陨纤龅慕庹{(diào)方法，即光源連續(xù)掃描法，不論是采用寬帶光源還是采用可調(diào)的窄帶光源。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于克服上述光纖光柵解調(diào)儀的不足，提供一種基于全數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括:一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其不同之處在于:其包括數(shù)字化可調(diào)諧光源、光耦合器或環(huán)形器、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集單元、計算控制單元；數(shù)字化可調(diào)諧光源的輸出端接光耦合器或環(huán)形器的輸入端，光率禹合器或環(huán)形器的一輸出端串接N個布拉格光柵,另一輸出端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊后接入數(shù)據(jù)采集單元，最終進(jìn)入計算控制單元。以上方案中，所述數(shù)字化可調(diào)諧光源采用非連續(xù)掃描光源，可以任意設(shè)定波長和功率，并可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設(shè)置某一波長的停留時間，獲得更高的波長精度。以上方案中，所述數(shù)字化可調(diào)諧光源、數(shù)據(jù)采集單元和計算控制單元之間用同步數(shù)據(jù)線連接。這樣，數(shù)據(jù)采集和光源波長設(shè)定可以做到完全同步，可以消除傳統(tǒng)掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，進(jìn)一步提高了波長解調(diào)的精度。以上方案中，所述數(shù)字化可調(diào)諧光源或由寬帶光源、可調(diào)諧濾波器、程控電路構(gòu)成；或由各種半導(dǎo)體集成的可調(diào)諧窄帶光源、程控電路構(gòu)成；或由環(huán)形腔激光器、程控電路構(gòu)成，所述環(huán)形腔激光器或由EDFA、可調(diào)諧濾波器構(gòu)成，所述環(huán)形腔激光器或由S0A、可調(diào)諧濾波器構(gòu)成；或由半導(dǎo)體外腔激光器、程控電路構(gòu)成，半導(dǎo)體外腔激光器由半導(dǎo)體增益芯片、衍射光柵、MEMS反射構(gòu)成。以上方案中，所述光耦合器或環(huán)形器2分別選用理論分光比為50:50的光耦合器，或選用10:90、20:80、30:70、40:60等多種分光比的光耦合器。以上方案中，所述光電轉(zhuǎn)換模塊由探測器PIN、光電轉(zhuǎn)換、濾波、放大、整形電路構(gòu)成。以上方案中，所述數(shù)據(jù)采集單元是由高精度模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路。以上方案中，所述計算控制單元包括同步信號發(fā)生模塊、數(shù)字信號處理模塊、通訊接口，所述計算控制單元可以是單片機、ARM或工控機、計算機中的任一種。對比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的原理及有益效果如下:本實用新型采用數(shù)字化可調(diào)諧光源，該數(shù)字化可調(diào)諧光源不是連續(xù)掃描的光源，而是離散的，可以任意設(shè)置波長和功率，同時數(shù)字化可調(diào)諧光源，可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設(shè)置某一波長的停留時間；數(shù)據(jù)采集和光源波長設(shè)定可以做到完全同步，可以消除傳統(tǒng)掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，獲得更高的波長精度。

圖1為布拉格光纖光柵的工作原理不意圖；圖2為本實用新型的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型的數(shù)字化可調(diào)諧光源與傳統(tǒng)掃描光源波長與時間關(guān)系的對比示意圖。
具體實施方式
本實用新型的主要思想是提出一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，SP采用數(shù)字化可調(diào)諧光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的掃面光源做光纖光柵解調(diào)儀的光源，因數(shù)字化可調(diào)諧光源是離散的，可以任意設(shè)置波長和功率，且可隨意改變波長的間隔和排列順序，增加了波長測試的靈活性；另數(shù)字化可調(diào)諧光源、數(shù)據(jù)采集單元和計算控制單元之間用同步數(shù)據(jù)線連接，這樣，數(shù)據(jù)采集和光源波長設(shè)定可以做到完全同步，可以消除傳統(tǒng)掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，進(jìn)一步提高了波長解調(diào)的精度?，F(xiàn)結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步描述:參閱附圖2，本實用新型的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀包括數(shù)字化可調(diào)諧光源1、光耦合器或環(huán)形器2、光電轉(zhuǎn)換模塊4、帶同步信號的數(shù)據(jù)采集單元5、計算控制單元6。其間的連接關(guān)系為:數(shù)字化可調(diào)諧光源I的輸出端接光耦合器或環(huán)形器2的
輸入端，光I禹合器或環(huán)形器2的一輸出端串接N個布拉格光柵3-1,3-2......3-N,另一輸出
端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊4后接入數(shù)據(jù)采集單元5，最終進(jìn)入計算控制單元6。優(yōu)選的，所述數(shù)字化可調(diào)諧光源I采用非連續(xù)掃描光源，可以任意設(shè)定波長和功率，并可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設(shè)置某一波長的停留時間，獲得更高的波長精度。優(yōu)選的，所述數(shù)字化可調(diào)諧光源1、數(shù)據(jù)采集單元5和計算控制單元6之間用同步數(shù)據(jù)線連接。這樣，數(shù)據(jù)采集和光源波長設(shè)定可以做到完全同步，可以消除傳統(tǒng)掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題，進(jìn)一步提高了波長解調(diào)的精度。優(yōu)選的，所述數(shù)字化可調(diào)諧光源I或由寬帶光源、可調(diào)諧濾波器、程控電路構(gòu)成；或由各種半導(dǎo)體集成的可調(diào)諧窄帶光源、程控電路構(gòu)成；或由環(huán)形腔激光器、程控電路構(gòu)成，所述環(huán)形腔激光器或由EDFA、可調(diào)諧濾波器構(gòu)成，所述環(huán)形腔激光器或由S0A、可調(diào)諧濾波器構(gòu)成；或由半導(dǎo)體外腔激光器、程控電路構(gòu)成，半導(dǎo)體外腔激光器由半導(dǎo)體增益芯片、衍射光柵、MEMS反射構(gòu)成。優(yōu)選的，所述光耦合器或環(huán)形器2分別選用理論分光比為50:50的光耦合器，或選用10:90,20:80,30:70,40:60等多種分光比的光耦合器。優(yōu)選的，所述光電轉(zhuǎn)換模塊4由探測器PIN、光電轉(zhuǎn)換、濾波、放大、整形電路構(gòu)成。優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集單元5是由高精度模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路。優(yōu)選的，所述計算控制單元6包括同步信號發(fā)生模塊、數(shù)字信號處理模塊、通訊接口，所述計算控制單元6可以是單片機、ARM或工控機、計算機中的任一種。光路原理如下:數(shù)字化可調(diào)諧光源I發(fā)出的光經(jīng)過耦合器或者環(huán)行器2進(jìn)入測試光纖3內(nèi)，經(jīng)測試光纖上的光纖光柵3-1，3-2....3-N反射，攜帶被測信息的光反向通過耦合器或者環(huán)行器2，入射到光電轉(zhuǎn)換模塊4上，經(jīng)同步的數(shù)據(jù)采集單元5采集信號，送入計算和控制單元6，根據(jù)不同波長的反射率，計算出光纖光柵反射的波長，從而得到待測光纖光柵溫度或應(yīng)變的信息。圖3為數(shù)字化可調(diào)諧光源與傳統(tǒng)掃描光源的對比示意圖，上圖為傳統(tǒng)掃描光源波長與時間關(guān)系示意圖，圖中 其掃描波長與時間關(guān)系為連續(xù)關(guān)系，這樣，在數(shù)據(jù)采集過程中，特別在AD采樣保持時間內(nèi)，光源波長還在改變，測到的是平均波長，容易帶來測試誤差。下圖為本實用新型用的數(shù)字化可調(diào)諧光源，其波長與時間關(guān)系是離散的，在某一段采集時間內(nèi)，可以設(shè)定一個固定波長，待采集完成后，根據(jù)同步信息指令，隨機設(shè)定下一個波長進(jìn)行測試，只要不做人為中斷，上述采集過程將會一直持續(xù)，最終采集數(shù)據(jù)匯總到計算和控制單元中，由計算和控制單元進(jìn)行分析處理。以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案，都落入本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:其包括數(shù)字化可調(diào)諧光源(I)、光耦合器或環(huán)形器(2)、光電轉(zhuǎn)換模塊(4)、數(shù)據(jù)采集單元(5)、計算控制單元(6)；數(shù)字化可調(diào)諧光源(I)的輸出端接光耦合器或環(huán)形器(2 )的輸入端，光耦合器或環(huán)形器(2 )的一輸出端串接N個布拉格光柵(3-1, 3-2,......, 3-N),另一輸出端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊(4)后接入數(shù)據(jù)采集單元(5)，最終進(jìn)入計算控制單元(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述數(shù)字化可調(diào)諧光源(I)采用非連續(xù)掃描光源，可以任意設(shè)定波長和功率，并可改變波長的間隔和排列順序，也可靈活地設(shè)置某一波長的停留時間，獲得更高的波長精度。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述數(shù)字化可調(diào)諧光源(I)、數(shù)據(jù)采集單元(5)和計算控制單元(6)之間用同步數(shù)據(jù)線連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述數(shù)字化可調(diào)諧光源(I)或由寬帶光源、可調(diào)諧濾波器、程控電路構(gòu)成；或由各種半導(dǎo)體集成的可調(diào)諧窄帶光源、程控電路構(gòu)成；或由環(huán)形腔激光器、程控電路構(gòu)成，所述環(huán)形腔激光器或由EDFA、可調(diào)諧 濾波器構(gòu)成，所述環(huán)形腔激光器或由SOA、可調(diào)諧濾波器構(gòu)成；或由半導(dǎo)體外腔激光器、程控電路構(gòu)成，半導(dǎo)體外腔激光器由半導(dǎo)體增益芯片、衍射光柵、MEMS反射構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述光耦合器或環(huán)形器(2)分別選用理論分光比為50:50的光耦合器，或選用10:90、20:80、30:70、40:60等多種分光比的光耦合器。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述光電轉(zhuǎn)換模塊(4)由探測器PIN、光電轉(zhuǎn)換、濾波、放大、整形電路構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集單元(5)是由高精度模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于:所述計算控制單元(6)包括同步信號發(fā)生模塊、數(shù)字信號處理模塊、通訊接口。
專利摘要本實用新型提供了一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于包括一個可以任意設(shè)定波長和功率的數(shù)字化可調(diào)諧光源，一個耦合器或者環(huán)行器，一個光電轉(zhuǎn)換模塊，一個帶同步信號的數(shù)據(jù)采集單元，以及一個計算和控制單元。數(shù)字化可調(diào)諧光源光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器或者環(huán)行器進(jìn)入測試光纖，經(jīng)測試光纖上的光纖光柵反射，攜帶被測信息的光反向通過耦合器或者環(huán)行器，入射到光電轉(zhuǎn)換模塊上，經(jīng)同步的數(shù)據(jù)采集單元采集信號，送入計算和控制單元，根據(jù)不同波長的反射率，計算出光纖光柵反射的波長，從而得到待測光纖光柵溫度或應(yīng)變的信息。本實用新型光纖光柵解調(diào)儀的優(yōu)點在于，可以消除傳統(tǒng)掃描式光源因為光纖光柵距離不同帶來的同步問題。
文檔編號G01D5/38GK203100750SQ201220696599
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者張麗, 邵軍 申請人:張麗