专利名称：光纤光栅传感器的波长检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光波长的检测仪，尤其是涉及一种光纤光栅传感器的波长检测仪。特别适用于高速、高分辨率的测量光纤光栅传感器(包括单个或多个光纤光栅传感器)的特性。
背景技术：
光纤光栅是一种新型光纤无源器件，自1978年问世至今，世界上许多科研和工程技术人员投身到光纤光栅的研制和应用工作中。与其相关的各种技术得到了很大发展。 1989年研究成功的基于掩膜板的紫外写入制作技术使光纤光栅的批量化生产和工业化应用成为可能。现在，光纤光栅已经广泛的应用于光纤通信和传感领域之中。在传感器领域中，光纤光栅传感器具有(1)基于光波波长和带宽为传感机制，使测量信号不受光源强度波动、光纤弯曲、光纤连接损耗和探测器灵敏度变化等因素的影响；( 可以使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器，同时对多个测量点、多个物理量进行准分布测量；C3)体积小、重量轻、不受电磁干扰、本质安全。所以，光纤光栅已被应用于制作高精度、高可靠性的温度、应变、压力、位移、振动、声音和磁场等传感器，在航空、船舶、电力、石油化工和医学等多个领域中发挥着重要的作用。大多数光纤光栅传感器对各种物理量的测量是基于光纤光栅的波长随物理量的改变这一特性来实现的。因此，制作光纤光栅传感器的波长检测仪，对光纤光栅的波长进行测量并将其解调成所测物理量的值是光纤光栅传感器系统中一项不可避免的重要技术。目前，人们已经用多种方法设计制作出光纤光栅传感器波长的检测仪器。然而，这些仪器中有的测量分辨率高但速度慢，有的测量速度高但分辨率低。因此，目前的光纤光栅传感器的波长检测仪还没有同时具备既高分辨率又高速测量光纤光栅传感器波长的功能。而且，现有技术的光纤光栅波长解调仪基本是针对一定规模的传感网络设计，一般可以测量几十个到上百个光纤光栅传感器的波长，因而结构相对比较复杂，成本也相应的较高。
发明内容为了克服上述现有技术中存在的问题，达到一台光纤光栅传感器的波长检测仪同时具备既高分辨率又高速测量光纤光栅传感器波长的目的，本实用新型提供一种新型光纤光栅传感器的波长检测仪，能够同时高速高分辨率地测量光纤光栅传感器的波长，能够同时测量光纤光栅传感器的静态和动态性能。本实用新型为了达到上述的目的，提供一种光纤光栅传感器的波长检测仪，它包括至少1个光输入端口和至少1个数据输出端口，与光输入端口输出端连接的至少1个波长调制模块，与波长调制模块连接的少1个数据采集模块，与数据采集模块连接的至少1个数据处理模块，数据处理模块的输出端连接到数据输出端口上。如上述的结构，被检测的光纤光栅传感器输出的光从光输入端口入射到波长调制模块中，波长调制模块将不同波长的光调制成与不同波长相对应的光强并将其转化为与光强相对应的电信号；数据采集模块将该电信号(模拟信号)分成若干等分并转换成数字信号输入到数据处理模块中，数据处理模块通过该信号的透射函数的倒数获得所述光纤光栅传感器的波长值。本实用新型与现有技术中的波长检测仪相比具有显著的效益。 具有较高的测量速率，较宽的速率测量范围。如上述本实用新型的结构，因为本实用新型的光纤光栅传感器的波长检测仪所采用的光学、光纤器件均为无源器件，不影响测量速度。所述的波长调制模块、数据采集模块和数据处理模块内所包含器件均可采用目前具备很高工作频率的商用产品。所以本实用新型的波长检测仪能够用来测量较高频率变化的光纤光栅传感器的波长。同时又可以对光纤光栅传感器的波长作静态测量。所以测量速度的动态范围较宽。测量速率可以达到100MHz。 测量速率的动态范围为0 IOOMHz。 具有很高的波长分辨率。如上述本实用新型的结构，因为本实用新型内包括波长调制模块、数据采集模块。 波长调制模块将不同波长的光调制成与波长相对应的光强并将其转化为与光强相对应的电信号，数据采集模块将其信号分成若干等分，每一等分即为波长检测仪的波长分辨率。当波长调制模块所选择的器件其自由光谱范围(FSR)达到0.4nm，数据采集模块所选择的器件达到14位时，数据采集模块可以将二分之一个自由光谱范围(FSR)即0. 2nm内的波长分成16384等份。因此，该波长检测仪具有0.0125pm的波长分辨率。这样的波长分辨率可以对应于光纤光栅传感器的0. 0125微应变。所以本实用新型的波长检测仪具有0. 0125pm的波长分辨率。·具有较宽的波长测量范围。如上述的结构，因为本实用新型内包括波长调制模块，可以选择或增加波长调制模块内的不同器件用以扩展波长测量范围。目前本实用新型的波长检测仪的测量带宽可达至Ij 40nmo 结构较简单。如上述本实用新型的结构，与上述现有技术中的光纤光栅波长解调仪对比，本实用新型的波长检测仪既可以测量单个光纤光栅传感器的波长，又可以测量多个光纤光栅传感器的波长，其结构比较简单，成本比较低廉。
图1是本实用新型的光纤光栅传感器的波长检测仪一实施例的结构示意图；图2是本实用新型的光纤光栅传感器的波长检测仪中的波长调制模块第一实施例的结构示意图；图3是应用本实用新型的光纤光栅传感器的波长检测仪进行检测光纤光栅传感器特性的一实施例的示意图；图4是图2所示的波长调制模块内两个基本光纤F-P器件的透射谱线图；图4中 横坐标为光波长λ，单位为nm ；纵坐标为光纤F-P器件的透射函数；曲线15为图2中基本光纤F-P器件7的透射函数曲线，曲线16为图2中基本光纤F-P器件8的透射函数曲线；图5为图4中波长调制模块内两个基本光纤F-P器件透射函数的倒数谱线图；图5中横坐标为光波长λ，单位为nm ；纵坐标为透射函数的倒数。正弦曲线17为基本光纤 F-P器件7的透射函数15的倒数，正弦曲线18为基本光纤F-P器件8的透射函数16的倒数；图6为图5中波长调制模块内两个基本光纤F-P器件透射函数的倒数偏置后的谱线图；图6中横坐标为光波长λ，单位为nm ；纵坐标为偏置后的光纤F-P器件透射函数的倒数。曲线19为基本光纤F-P器件7透射函数的倒数曲线17取偏置后的正弦曲线，曲线 20为基本光纤F-P器件8透射函数的倒数曲线18取偏置后的正弦曲线；图7为波长调制模块内还包括两个辅助光纤F-P器件的第二实施例的结构示意图；图8为图7所示第二实施例的波长调制模块中一组偏置后的光纤F-P器件透射函数倒数的谱线图；图8中横坐标为光波长λ，单位为nm ；纵坐标为光纤F-P器件透射函数的倒数；曲线25为辅助光纤F-P器件21透射函数的倒数；曲线沈辅助光纤F-P器件22透射函数的倒数；图9为波长调制模块内还包括扩展光纤F-P器件的第三实施例的结构示意图；图10为图9所示的波长调制模块内基本光纤F-P器件7、8和扩展光纤F-P器件 27的透射函数取倒数并偏置后的正弦曲线图；图10中曲线四为扩展光纤F-P器件27透射函数取倒数并偏置后的正弦曲线；图11为波长调制模块内还包括光纤斜边滤波器的第四实施例的结构示意图；图12为图11所示的第四实施例的波长调制模块内两个基本光纤F-P器件透射函数和光纤斜边滤波器的谱线图；图12中横坐标为光波长λ，单位为nm ；纵坐标为透射函数。线32为光纤斜边滤波器30的透射函数；图13为波长调制模块内还包括数据处理电路模块的第五实施例的结构示意图；图14为本实用新型中包括多个波长调制模块的一实施例结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型光纤光栅传感器的波长检测仪的结构特征。如图1所示，本实用新型的光纤光栅传感器的波长检测仪，它包括光输入端口 1， 与光输入端口输出端1连接的波长调制模块2，与波长调制模块2连接的数据采集模块3， 与数据采集模块3连接的数据处理模块4以及与数据处理模块4连接的的数据输出端口 5。 在本实施例中，光输入端口输出端1与波长调制模块2之间是以光纤连接的；波长调制模块 2与数据采集模块3之间，数据采集模块3与数据处理模块4之间以及数据处理模块4与数据输出端口 5之间均以电缆连接。所述数据采集模块内包括至少1个模数转换器。所述数据处理模块内包括至少1个微处理器。所述波长调制模块2内包括至少1个与光输入端口 1输出端连接的多路光纤分路器，与多路光纤分路器输出端连接的至少2个光纤F-P器件，分别与光纤F-P器件输出端连接的至少2个光电探测器，与光电探测器输出端连接的至少1个电输出端口。图2是波长调制模块2第一实施例的结构示意图。在本实施例中，波长调制模块 2包含1个多路光纤分路器，2个光纤F-P器件，2个光电探测器和1个电输出端口。这个[0041]其中，ΙΣΙ 为透射光的强度，/.ΦΙ为入射光的强度。这里假设^Pl为1。如果忽略
F-P器件镜面引起的相位变化，则相位为其中λ为输入光的波长，θ为光纤F-P器件中光的入射角，G、n、d为F-P器件的参数。令0为第一基本光纤F-P器件7的相位，ft为第二基本光纤F-P器件8的相位。如果第二基本光纤F-P器件8的光的入射角θ为0，则％与入射光波长的关系如等式(3)所
示， 这里两个基本光纤F-P器件7和8具有相同G、n、d，但入射角θ不同，所以它们的透射谱形状相同但存在相位差。如果入射角θ的差别恰好使式( 满足
结构为波长调制模块的基本结构，称为基本波长调制模块。基本波长调制模块内所包括的 2个光纤F-P器件称为基本光纤F-P器件。如图2所示，在本实施例中，波长调制模块2包括与光输入端口 1输出端以光纤连接的1个多路光纤分路器6，与多路光纤分路器的一个输出端以光纤连接的为第一基本光纤F-P器件7，与多路光纤分路器另一个输出端以光纤连接的为第二基本光纤F-P器件8， 与第一基本光纤F-P器件7输出端以光纤连接的为第一光电探测器9，与第二基本光纤F-P 器件8输出端以光纤连接的为第二光电探测器10，与第一、第二光电探测器9、10的输出端以电线缆连接的电输出端口 11。图3是应用本实用新型的光纤光栅传感器的波长检测仪进行检测光纤光栅传感器特性的一实施例的示意图。如图3所示，在测试光纤光栅传感器波长时，由宽带光源12 发出的光经耦合器13入射至光纤光栅传感器14。在本实施例中，所述光纤光栅传感器中光纤光栅的周期为1 μ m量级。光纤光栅传感器14将部分宽带光源12发出的光反射，反射光经耦合器13传输到光纤光栅传感器的波长检测仪的光输入端口 1。从光输入端口 1进入波长检测仪由光纤传输至波长调制模块2，波长调制模块2将输入光根据不同的波长调制成相应的不同的光强并转化为电信号，数据采集模块3将波长调制模块2输出的模拟电信号分成若干等份并转换为数字信号，再传输到数据处理模块4中，数据处理模块4对于输入的信号进行分析处理，它通过波长调制模块输出的透射函数的倒数获得所述光纤光栅传感器的波长值。再由数据输出端口 5输出。如图2所示，输入波长调制模块2内的光被多路光纤分路器6分成两路，其中一路传输到第一基本光纤F-P器件7中，另一路传输到第二基本光纤F-P器件8中。输入光纤F-P器件的光在F-P器件内形成干涉，致使不同波长的输入光有着不同的输出强度。光纤F-P器件的透射函数rfo)为
权利要求1.一种光纤光栅传感器的波长检测仪，包括至少1个光输入端口和至少1个数据输出端口，其特征在于包括与光输入端口输出端连接的至少1个波长调制模块，与波长调制模块连接的至少1个数据采集模块，与数据采集模块连接的至少1个数据处理模块，数据处理模块的输出端连接到数据输出端口上。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述数据采集模块内包括至少1个模数转换器。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述数据处理模块内包括至少1个微处理器。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述波长调制模块内包括至少1个与光输入端口输出端连接的多路光纤分路器，与多路光纤分路器输出端连接的至少2个光纤F-P器件，分别与光纤F-P器件输出端连接的至少2个光电探测器，与光电探测器输出端连接的至少1个电输出端口。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述波长调制模块内所包括的至少2个的光纤F-P器件中包括透射谱线形状相同而存在相位差的两个基本光纤F-P器件。
6.根据权利要求4或5所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述波长调制模块内还包括与所述两个基本光纤F-P器件同周期但不同相位的两个辅助光纤F-P器件。
7.根据权利要求4或5所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述波长调制模块内还包括自由光谱范围是所述基本光纤F-P器件两倍或两倍整数倍的扩展光纤F-P 器件。
8.根据权利要求4或5所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述波长调制模块内还包括光纤斜边滤波器。
9.根据权利要求4所述的光纤光栅传感器的波长检测仪，其特征在于所述波长调制模块内还包括连接在光电探测器输出端的数据处理电路模块。
专利摘要一种光纤光栅传感器的波长检测仪，包括至少1个光输入端口，至少1个波长调制模块，至少1个数据采集模块，至少1个数据处理模块以及至少1个数据输出端口。被检测的光纤光栅传感器输出的光从光输入端口入射到波长调制模块中，波长调制模块将不同波长的光调制成与波长相对应的光强并将其转化为与光强相对应的电信号；数据采集模块将该信号分成若干等分并转换成数字信号输入到数据处理模块中，数据处理模块通过该信号的透射函数的倒数获得所述光纤光栅传感器的波长值。具有较高的测量速率，较宽的速率测量范围，很高的波长分辨率和较宽的波长测量范围。
文档编号G01J9/00GK201993173SQ201120087028
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者韦占雄 申请人:韦占雄