一种光纤光栅解调仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种光纤光栅解调仪，其特征在于：包括扫描光源(1)、分光比为99:1的耦合器(2)、PLC分路器模块(3)、多个3dB耦合器(4)、光纤光栅阵列(6)、参考光路(7)、数据采集模块(12)、主控板(13)、工控机(17)和显示器(18)，其中，所述参考光路(7)包括第一参考光栅(8)、第二参考光栅(9)、第三参考光栅(10)和温度传感器，温度传感器与主控板连接，第一参考光栅(8)的波长λ2和第二参考光栅(9)的波长λ3靠近系统波长的一端，第三参考光栅(10)的波长λ4靠近系统波长的另一端，且λ4-λ3和λ3-λ2的比例在4:1到7:1之间。与现有技术相比，本实用新型利用简单的3个参考光栅和1个温度传感器来代替价格昂贵的FP标准具作为参考光路，很有效地消除了消除扫描光源的本身蠕变，滞后和漂移使光源输出波长发生变化对解调的精度和准确度的影响。
【专利说明】一种光纤光栅解调仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光纤光栅解调仪。
【背景技术】
[0002]近年来基于光纤光栅温度和压力传感器测量系统在电力能源、石油化工、轨道交通、隧道桥梁等领域应用十分广泛，成为经济增长的一个亮点，相关技术也成为人们研究的热点。光纤光栅测量技术可以实现远距离的实时测量和监控，且具有测量范围宽，高精度和高稳定度的特点，特别是在强电磁干扰场合或者防爆场合优势尤为明显。
[0003]传统上，光纤光栅解调技术采用光谱仪，滤色片以及波长计，但这些解调系统存在价格昂贵，体积大等缺点，不适合工程应用。为此人们相继提出许多适合工程应用的解调方法。基于扫描光源的解调方案是目前常见的解调方法之一。扫描光源的解调方法本质上仍是基于可调谐FP技术，在扫描光源FP滤波器上的压电体PZT上加载一定电压，调节PZT腔间隔，从而使扫描光源输出特定的波长。由于压电体PZT结构本身存在蠕变、滞后和漂移等缺点，故解调仪需要有参考光路对解调波长进行修正，以消除这些影响，提高解调系统的准确度。传统的做法是参考光路采用热稳定性良好的FP标准具实现，但FP标准具价格昂贵，只适合实验室原理验证，不适合工程实际应用。同时在多通道应用中，由于每个通道的光栅数量和间隔不一样，导致光栅反射回来的信号大小不一样，如何使光栅信号检测电路具有通用性和兼容性以适应不同通道的要求也是解调方案需要研究的内容，目前从公布的现有技术来看还没有很好的解决办法。
实用新型内容
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种光纤光栅解调仪，该解调仪方案能消除由于扫描光源本身蠕变、滞后和漂移使波长解调结果产生影响，从而正确解调出波长数据。
[0005]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:该光纤光栅解调仪，其特征在于:包括扫描光源、分光比为99:1的稱合器、PLC分路器模块、多个3dB稱合器、光纤光栅阵列、参考光路、数据采集模块、主控板、工控机和显示器，其中扫描光源的电源输入端与主控板连接，扫描光源在主控板输出的扫描电压控制下输出光信号，扫描光源输出的光信号通过耦合器的A端进入，耦合器的B端为分光比中99的部分，耦合器的C端为分光比I中I的部分，耦合器的B端接PLC分路器模块，耦合器的C端进入参考光路，PLC分路器模块的各通道输出端分别通过一个3dB耦合器后进入光纤光栅阵列，光纤光栅阵列中光纤光栅反射回来的信号依次通过与其连接的3dB耦合器传到数据采集模块，参考光路的输出端也与数据采集模块连接，数据采集模块与主控板连接，主控板与工控机连接，工控机与显示器连接；
[0006]其中，所述参考光路包括第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅和温度传感器，温度传感器与主控板连接，上述三个参考光栅的波长需要满足一定要求，才能对扫描光源进行修正和补偿，以消除扫描光源漂移，蠕变对系统测量精度和稳定性的影响，同时也可补偿扫描光源的非线性。系统选取的光栅信号波段范围在λ I到λ 5之间,则要求扫描光源的波长扫描范围总是在λ I到λ 5之间，使解调系统不遗漏光栅，保证系统工作的稳定性，参考光栅选取准则:第一参考光栅的波长λ 2和第二参考光栅的波长λ 3靠近系统波长的一端λ I,第三参考光栅的波长λ 4靠近系统波长的另一端λ 5,且λ4_λ3和λ3_λ2的比例在4:1到7:1之间。作为优选，取入2和入3靠近入1，入4靠近入5，λ 4-λ 3波长差和λ 3- λ 2的波长差比值为5:1。
[0007]为保证参考光路的相对稳定性，需要3个参考光栅具有相同温度。本方案放弃复杂的温度控制电路的实现方式，而采用简单的结构设计来实现这一功能，实现方式为:第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅和温度传感器均设置在一铝块内，该铝块上开有U型槽，三个参考光栅和温度传感器互相紧靠设置在该U型槽中，同时U型槽内的缝隙内设置导热硅胶固定，铝块上加有铝板密封。实际测试表明，采用这种结构三个光栅之间的温度误差小于0.1摄氏度，能满足工业场合的要求。
[0008]所述PLC分路器模块由九个1X8PLC分路器组成，其中耦合器的B端与其中一个1X8PLC分路器的输入端连接，该1X8PLC分路器的八个输出端分别与剩下的八个1X8PLC分路器的输入端连接。实际使用中可根据通道数量合理调整1X8PLC分路器的数量，配置成所需通道，这边需要说明的是，当组合64个通道时，由于系统采集系统最大只支持64通道(包含I路参考通道)故实际只能使用其中的63个通道，I个为备用通道。
[0009]所述数据采集模块用于实现对光栅原始信号波峰的提取与中心波长解析，包括16块数据采集板，每块数据采集板121均包括有4个光路通道、一块采集板CPU和R232接口电路，每个光路通道均设有PIN 二极管、自动增益控制电路和模数转换器，4个光路通道的模数转换器与采集板CPU连接，同时采集板CPU还与自动增益控制电路连接，然后采集板CPU通过R232接口电路与主动板连接。每块数据采集板可通过该数据采集板上的拨位开关设置该数据采集板地址，采集板CPU对每个光路通道的自动增益控制电路进行自动控制。采集板CPU采用主频在72ΜΗΖ以上的单片机，模数转换器为采样率在IM以上的12位模数转换器。
[0010]数据采集模块对自动增益控制电路的放大倍数进行实时调整，每一次完整的扫描过程，采集板CPU对模数转换器采样的光纤光栅信号的幅值进行检测，若最大值超过模数转换器参考值的0.9倍，则相应减小自动增益控制电路的放大倍数；若最大值小于模数转换器参考值的0.5倍，则相应增大自动增益控制电路的放大倍数。采用AGC电路的放大倍数进行实时调整，有利于增强硬件对各个通道的通用性和兼容性，不会因为各个通道的光栅数量不一致，距离和长度不一致，导致信号的大小各不相同，硬件需要针对每个通道单独设计放大倍数的弊端。
[0011]所述主控板包括:放大及驱动电路、数模转换电路和主控板CPU，主控板CPU与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端与放大及驱动电路的输入端连接，放大及驱动电路的输出端与扫描光源连接。主控板CPU采用主频在72MHZ以上的单片机，数模转换电路为16位数模转换器，主控板与数据采集模块采用板卡式连接方式，具体为接插件连接方式，通信接口为RS232，主控板通过定时查询和中断组合的方式实现I对多通讯，上电后主控板自动完成对数据采集模块的自动识别，识别地址为每块采集板拨位开关的地址。[0012]所述扫描光源的扫描策略为:扫描光源采用锯齿波电压来驱动，主控板CPU通过控制数模转换电路，再通过放大及驱动电路产生锯齿波，扫描电压范围在0-50V之间，完整的一次扫描过程包括三个阶段:准备阶段，正向扫描阶段和反向扫描阶段，各阶段对应的时间分别为tl，t2和t3，t2>t3>tl，准备阶段扫描电压维持在准备电压，持续时间为tl，作用为稳定光源，为正向扫描做准备；正向扫描阶段电压从起始电压按一定斜率升高到最大电压，持续时间为t2，斜率由扫描步进数决定；反向扫描时间电压从最大电压按一定斜率扫描到准备电压，持续时间为t3，为下一次扫描做好准备，准备电压和起始电压相同或不同。
[0013]扫描光源锯齿波扫描电压的实时调整策略:首先设置准备电压、正向扫描的起始电压，最大电压和扫描步进数；扫描光源开始扫描后，主控板对数据采集模块上传上来的参考光路的光栅信号进行分析，决定扫描电压范围是否需要实时调整:
[0014]若解析出参考光路的数据显示参考光栅数量为3个及相邻两个参考光栅之间的峰值位置符合预先设定的范围，则说明扫描光源的蠕变和漂移对系统的影响不大，不用对扫描电压进行调整；
[0015]若解析出数据显示参考光栅数量为2个或I个，则说明扫描光源的蠕变和漂移对系统影响很大，使得扫描光源输出的波段范围发生了偏移，则必须对扫描光源的扫描电压进行调整，通过解析出来的参考光栅的位置来向上或向下调整起始电压和最大电压，来改变扫描光源光信号波长输出范围，进行下一次扫描，再次判断参考光路的解析数据是否符合要求，若不符合，则再次调整，直到调整到位。
[0016]工控机主要完成波长数据修正和人机接口功能，对主控板上传的有用数据进行分析，根据参考光栅与温度之间的一一对应关系，对各个通道的光栅中心波长进行修正，实时显示到显示器上。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:本实用新型利用简单的3个参考光栅和I个温度传感器来代替价格昂贵的FP标准具作为参考光路，很有效地消除了扫描光源的本身蠕变，用较少的成本解决了工程中的实际问题，具有很强的实用性和新颖性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型实施例中光纤光栅解调仪的系统整体框图；
[0019]图2为本实用新型实施例中数据采集板的框图；
[0020]图3为本实用新型实施例中PLC分路器模块的组成框图；
[0021]图4为本实用新型实施例中光信号通过三个参考光栅后透射谱示意图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0023]如图1所示的光纤光栅解调仪，其包括扫描光源1、分光比为99:1的耦合器2、PLC分路器模块3、多个3dB稱合器4、光纤光栅阵列6、参考光路7、数据米集模块12、主控板13、工控机17和显不器18,其中扫描光源I的电源输入端与主控板13连接,扫描光源I在主控板13输出的扫描电压控制下输出光信号，扫描光源I输出的光信号通过耦合器2的A端进入，稱合器2的B端为分光比中99的部分,稱合器2的C端为分光比I中I的部分,稱合器2的B端接PLC分路器模块3，耦合器2的C端进入参考光路7，PLC分路器模块3的各通道输出端分别通过一个3dB f禹合器4后进入光纤光栅阵列6,光纤光栅阵列6中光纤光栅反射回来的信号依次通过与其连接的3dB耦合器4传到数据采集模块12，参考光路7的输出端也与数据采集模块12连接，数据采集模块12与主控板13连接，主控板13与工控机17连接，工控机17与显示器18连接；
[0024] 其中，所述参考光路7包括第一参考光栅8、第二参考光栅9、第三参考光栅10和温度传感器11，温度传感器11与主控板的主控板CPU连接，上述三个参考光栅的波长需要满足一定要求，才能对扫描光源进行修正和补偿，以消除扫描光源漂移，蠕变对系统测量精度和稳定性的影响，同时也可补偿扫描光源的非线性。图4为扫描光源光信号通过3个光栅后的透射信号不例，若系统选取的光栅信号波段范围在λ I到λ 5之间,则要求扫描光源的波长扫描范围总是在λ?到λ 5之间，使解调系统不遗漏光栅，保证系统工作的稳定性，参考光栅选取准则:第一参考光栅的波长λ 2和第二参考光栅的波长λ 3靠近系统波长的一端λ I,第三参考光栅的波长λ 4靠近系统波长的另一端λ 5,且λ4_λ3和λ3_λ2的比例在4:1到7:1之间。本实施例中，取λ 2和λ 3靠近λ 1，λ 4靠近λ 5，λ 4-λ 3波长差和λ 3- λ 2的波长差比值为5:1。
[0025]为保证参考光路的相对稳定性，需要3个参考光栅具有相同温度。本方案放弃复杂的温度控制电路的实现方式，而采用简单的结构设计来实现这一功能，实现方式为:第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅和温度传感器均设置在一铝块内，该铝块上开有U型槽，三个参考光栅和温度传感器互相紧靠设置在该U型槽中，同时U型槽内的缝隙内设置导热硅胶固定，铝块上加有铝板密封。实际测试表明，采用这种结构三个光栅之间的温度误差小于0.1摄氏度，能满足工业场合的要求。
[0026]所述PLC分路器模块由九个1X8PLC分路器24组成，其中耦合器的B端与其中一个1X8PLC分路器的输入端连接，该1X8PLC分路器的八个输出端分别与剩下的八个1X8PLC分路器的输入端连接。实际使用中可根据通道数量合理调整1X8PLC分路器24的数量，配置成所需通道，这边需要说明的是，当组合64个通道时，由于系统采集系统最大只支持64通道(包含I路参考通道)故实际只能使用其中的63个通道，I个为备用通道，参见图3所示。[0027]所述数据采集模块12用于实现对光栅原始信号波峰的提取与中心波长解析，包括16块数据采集板121，每块数据采集板包括4个光路通道、一块采集板CPU22和R232接口电路23，参见图2所示，每个光路通道均设有PIN 二极管19、自动增益控制电路20和模数转换器21，4个光路通道的模数转换器21与采集板CPU22连接，同时采集板CPU22还与自动增益控制电路20连接，然后采集板CPU22通过R232接口电路23与主动板13连接。每块数据采集板可通过该数据采集板上的拨位开关设置该数据采集板地址，采集板CPU对每个光路通道的自动增益控制电路进行自动控制。采集板CPU采用主频在72ΜΗΖ以上的单片机，模数转换器为采样率在IM以上的12位模数转换器，参见图2所示。
[0028]数据采集模块对自动增益控制电路的放大倍数进行实时调整，每一次完整的扫描过程，采集板CPU对模数转换器采样的光纤光栅信号的幅值进行检测，若最大值超过模数转换器参考值的0.9倍，则相应减小自动增益控制电路的放大倍数；若最大值小于模数转换器参考值的0.5倍，则相应增大自动增益控制电路的放大倍数。采用AGC电路的放大倍数进行实时调整，有利于增强硬件对各个通道的通用性和兼容性，不会因为各个通道的光栅数量不一致，距离和长度不一致，导致信号的大小各不相同，硬件需要针对每个通道单独设计放大倍数的弊端。
[0029]所述主控板13包括:放大及驱动电路14、数模转换电路15和主控板CPU16，主控板CPU与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端与放大及驱动电路的输入端连接，放大及驱动电路的输出端与扫描光源连接。主控板CPU采用主频在72MHZ以上的单片机，数模转换电路为16位数模转换器，主控板与数据采集模块采用板卡式连接方式，具体为接插件连接方式，通信接口为RS232，主控板通过定时查询和中断组合的方式实现I对多通讯，上电后主控板自动完成对数据采集模块的自动识别，识别地址为每块采集板拨位开关的地址。
[0030]工控机主要完成波长数据修正和人机接口功能。对主控板上传的有用数据进行分析，根据参考光栅与温度之间的一一对应关系，对各个通道的光栅中心波长进行修正，实时显示到显示器上。
[0031]本实施例提供的光纤光栅解调仪的工作原理为:扫描光源I在主控板13输出锯齿波扫描电压控制下，输出光信号，光信号通过分光比为99:1的稱合器2的A端进入,B端输出接PLC分路器模块3，C端进入参考光路7，PLC分路器模块3各通道输出通过与其连接的3dB耦合器4后进入光纤光栅阵列6，光纤光栅阵列6反射回来的信号依次通过3dB耦合器4的端口 C和端口 B传到PIN 二极管19，数据采集模块对包括三个参考光栅及各个光路通道的光信号进行自动增益控制电路，然后通过模数转换器转换成数字信号，通过一般多项式拟合的方法并对三个参考光栅及各光路通道进行数据解析，解析出参考光栅数量及峰值位置，通过RS232方式以2Mbps波特率向主控板13传输数据，主控板13收齐各个数据采集模块传来的数据后，判断参考光路光栅数据是否符合要求，若不符，调整扫描电压范围，进行下一次扫描；若符合，连同参考光路的温度数据按一定规律组装后通过RS232方式以115200bps波特率向PC104工控机17传输数据，PC104工控机17接收到数据后根据参考光栅与温度之间的一一对应关系，对各个通道的光栅中心波长进行修正，实时显示到显示器18。
[0032]所述扫描光源I的扫描策略为:扫描光源I米用锯齿波电压来驱动，主控板CPU16通过控制数模转换电路15，再通过放大及驱动电路14产生锯齿波，扫描电压范围在0-50V之间，完整的一次扫描过程包括三个阶段:准备阶段，正向扫描阶段和反向扫描阶段，各阶段对应的时间分别为tl，t2和t3，t2>t3>tl，准备阶段扫描电压维持在准备电压，持续时间为tl，作用为稳定光源，为正向扫描做准备；正向扫描阶段电压从起始电压按一定斜率升高到最大电压，持续时间为t2，斜率由扫描步进数决定，实际工作时，起作用的就是正向扫描时间，正向扫描开始，数据采集模块12按一定的时间间隔对各通道光栅信号进行ADC采样，正向扫描结束，ADC米样也结束；反向扫描时间电压从最大电压按一定斜率扫描到准备电压，持续时间为t3，为下一次扫描做好准备，准备电压和起始电压相同或不同。
[0033]扫描光源锯齿波扫描电压的实时调整策略:首先设置准备电压、正向扫描的起始电压，最大电压和扫描步进数；扫描光源开始扫描后，主控板13对数据采集模块12上传上来的参考光路7的光栅信号进行分析，决定扫描电压范围是否需要实时调整:
[0034]若解析出参考光路的数据显示参考光栅数量为3个及相邻两个参考光栅之间的峰值位置符合预先设定的范围，则说明扫描光源的蠕变和漂移对系统的影响不大，不用对扫描电压进行调整；
[0035]若解析出数据显示参考光栅数量为2个或I个，则说明扫描光源的蠕变和漂移对系统影响很大，使得扫描光源输出的波段范围发生了偏移，则必须对扫描光源的扫描电压进行调整，通过解析出来的参考光栅的位置来向上或向下调整起始电压和最大电压，来改变扫描光源光信号波长输出范围，进行下一次扫描，再次判断参考光路的解析数据是否符合要求，若不符合，则再次调整，直到调整到位，扫描电压的实时调整策略能调整由于扫描光源的蠕变和漂移导致光源输出波段发生变化，从而导致通道丢光栅的情况，从而提高系统的稳定性。
[0036]本实施例采用扫描光源，同时用经过标定的3个光栅替代FP标准具作为参考光路，通过对参考光路波长的解析对扫描光源的扫描电压进行实时控制及修正，以消除扫描光源的本身蠕变，滞后和漂移对波长解调的影响。PIN二极管检测采用自动增益控制放大电路，用于增强光栅信号的检测能力和各个通道的适应性，使每个通过接收到的信号幅值在最佳范围内，不至于某些通过信号特别大，某些通道信号特别小，提高检测精度和稳定性。同时解调仪方案通道扩展采用板卡式结构，扩展方便，最大可扩展到64个通道。另外对参考光路的光栅进行特殊安装方式，无须额外恒温电路对参考光路的温度进行特殊控制，就能保证参考光路中3个光栅温度相对一致，降低系统的复杂度。
【权利要求】
1.一种光纤光栅解调仪，其特征在于:包括扫描光源(I)、分光比为99:1的耦合器(2)、PLC分路器模块(3)、多个3dB耦合器(4)、光纤光栅阵列(6)、参考光路(7)、数据采集模块(12)、主控板(13)、工控机(17)和显示器(18)，其中扫描光源⑴的电源输入端与主控板(13)连接，扫描光源(I)在主控板(13)输出的扫描电压控制下输出光信号,扫描光源(1)输出的光信号通过耦合器(2)的A端进入，耦合器(2)的B端为分光比中99的部分，耦合器(2)的C端为分光比I中I的部分，耦合器(2)的B端接PLC分路器模块(3)，耦合器(2)的C端进入参考光路(7)，PLC分路器模块(3)的各通道输出端分别通过一个3dB耦合器(4)后进入光纤光栅阵列(6)，光纤光栅阵列(6)中光纤光栅反射回来的信号依次通过与其连接的3dB耦合器(4)传到数据采集模块(12)，参考光路(7)的输出端也与数据采集模块(12)连接，数据采集模块(12)与主控板(13)连接，主控板(13)与工控机(17)连接，工控机(17)与显示器(18)连接；其中，所述参考光路(X)包括第一参考光栅(8)、第二参考光栅(9)、第三参考光栅(10)和温度传感器，温度传感器与主控板连接，第一参考光栅(8)的波长λ 2和第二参考光栅(9)的波长λ 3靠近系统波长的一端，第三参考光栅(10)的波长λ 4靠近系统波长的另一端，且入4-入3和λ 3-λ 2的比例在4:1到7:1之间。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于:第一参考光栅(8)、第二参考光栅(9)、第三参考光栅(10)和温度传感器均设置在一铝块内，该铝块上开有U型槽，三个参考光栅和温度传感器互相紧靠设置在该U型槽中，同时U型槽内的缝隙内设置导热硅胶固定，铝块上加有铝板密封。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于:所述PLC分路器模块(3)由九个1X8PLC分路器(24)组成，其中耦合器(2)的B端与其中一个1X8PLC分路器(24)的输入端连接，该1X8PLC分路器(24)的八个输出端分别与剩下的八个1X8PLC分路器(24)的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于:所述数据采集模块(12)包括16块数据采集板(121)，每块数据采集板(121)均包括有4个光路通道、一块采集板CPU (22)和R232接口电路(23)，每个光路通道均设有PIN 二极管(19)、自动增益控制电路(20)和模数转换器(21)，4个光路通道的模数转换器(21)与采集板CPU(22)连接，同时采集板CPU(22)还与自动增益控制电路(20)连接，然后采集板CPU(22)通过R232接口电路(23)与主动板(13)连接。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅解调仪，其特征在于:数据采集模块对自动增益控制电路的放大倍数进行实时调整，每一次完整的扫描过程，采集板CPU(22)对模数转换器采样的光纤光栅信号的幅值进行检测，若最大值超过模数转换器参考值的0.9倍，则相应减小自动增益控制电路的放大倍数；若最大值小于模数转换器参考值的0.5倍，则相应增大自动增益控制电路的放大倍数。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅解调仪，其特征在于:所述主控板(13)包括:放大及驱动电路(14)、数模转换电路(15)和主控板CPU(16)，主控板CPU(16)与数模转换电路(15)的输入端连接，数模转换电路(15)的输出端与放大及驱动电路(14)的输入端连接，放大及驱动电路(14)的输出端与扫描光源(I)连接。
【文档编号】G01D5/26GK203704951SQ201320659806
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】王杨峰, 夏旭鹏, 韦冬青, 潘建懿, 陈绪英 申请人:宁波振东光电有限公司