基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法技术方案

本发明专利技术为基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法，本系统可调激光器输出的波长周期性变化的窄带光波激光束中一路分为N路入射N个传感器通道，各传感器通道中波长变化范围不重叠的FBG按特征波长从短到长、位置由近到远排列。另一路进入校准通道的标准具，各传感器通道的反射光和标准具的透射光分别经各光电探测器、信号调理电路接入FPGA，FPGA的输出端接工控机，控制信号接可调激光器。其运行方法为可调激光器周期性扫描的窄带激光进入各传感器通道、当与某个FBG的特征波长相同时被反射，另一路激光透射标准具，二者转为电信号进入工控机，得该FBG波长变化量。本发明专利技术可连续扫描，实时波长校准精度达1με，FPGA并行采集处理，解调速度高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术为，本系统可调激光器输出的波长周期性变化的窄带光波激光束中一路分为N路入射N个传感器通道，各传感器通道中波长变化范围不重叠的FBG按特征波长从短到长、位置由近到远排列。另一路进入校准通道的标准具，各传感器通道的反射光和标准具的透射光分别经各光电探测器、信号调理电路接入FPGA，FPGA的输出端接工控机，控制信号接可调激光器。其运行方法为可调激光器周期性扫描的窄带激光进入各传感器通道、当与某个FBG的特征波长相同时被反射，另一路激光透射标准具，二者转为电信号进入工控机，得该FBG波长变化量。本专利技术可连续扫描，实时波长校准精度达1με，FPGA并行采集处理，解调速度高。【专利说明】
本专利技术涉及光纤光栅传感技术,具体为一种。
技术介绍
目前多数光纤光栅传感系统是由宽带光源、光分束器、光纤光栅传感器、可调滤波器件、光电探测器和相应的电路系统构成。光纤光栅传感器在环境条件的应变或温度变化的影响下，反射波长发生改变，经可调谐滤波器件后，通过光电探测器接收，由电路系统解调得出当前的反射波长，对比初始波长，根据当前反射波长的变化即可得到光纤光栅传感所处位置的应变或温度变化量。由于现有的光纤光栅传感系统每个时刻宽带光源只有一小部分被使用，所以光源的利用率低，传感信号信噪比差。且由于后端每次进行扫频时只能扫描一个通道，难以实现光纤光栅传感器的复用和实时波长的校准，直接影响可解调的传感器数量和解调精度。现有的光纤光栅传感系统解调的速度主要取决于数据处理速度和波长扫描速度，波长扫描速度受光信号发出返回的时间限制，目前一般在Hz量级。【专利技术内容】本专利技术的目的是设计一种基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，包括可调激光器、耦合器和多个光纤光栅传感器通道，可调激光器输出周期变化的窄带扫描激光，对各传感器通道的光纤光栅传感器扫描，待测传感器反射的光波经光纤环形器接入光电探测器，光电探测器的输出端经信号调理电路，连接FPGA (Field — Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列)电路，FPGA电路的输出端接工控机。本专利技术的另一目的是设计上述基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法，可调激光器输出周期变化的窄带扫描激光，对各传感器通道的光纤光栅传感器扫描，待测传感器反射的光波经光纤环形器或耦合器进入光电探测器，所得电信号经信号调理电路放大、调理及模数转换，由FPGA采集，送工控机处理，解调出光纤光栅的波长变化，从而得到环境物理参数的变化。本专利技术的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，包括激光器、稱合器、环形器、光电探测器和N个传感器通道，N为I?16的整数，每个传感器通道为串联的I?20个布拉格光纤光栅传感器，各个布拉格光纤光栅传感器的特征波长不同、且波长变化范围不重叠，激光器输出的激光束经I XN耦合器分为N路，分别经环形器或2X I耦合器入射N个传感器通道，每个传感器通道的反射光返回环形器或2 X I耦合器，由环形器或2 X I耦合器的另一输出端分别接入各自的光电探测器，本专利技术的激光器为可调激光器，输出波长周期性变化的窄带光波，其波长变化范围覆盖本系统各布拉格光纤光栅传感器的波长变化范围。各传感器通道中的光纤光栅传感器按特征波长从短波长到长波长、其位置由近到远排列。各光电探测器分别经各信号调理电路接入FPGA电路，FPGA电路的输出端接工控机，FPGA电路的控制信号输出端接可调激光器。所述可调激光器为基于F-P滤波器的环形腔可调激光器，基于光纤光栅的可调谐激光器，基于体光栅的可调谐激光器中的任一种。本系统还有波长校准的标准具，可调激光器输出的激光束先接入1X2耦合器分为2路，一路接入I XN耦合器分为N路传感器通道，另一路则接入标准具为校准通道，透射标准具的激光束接入其光电探测器，该光电探测器的输出电信号经一个信号调理电路也接入FPGA电路。所述基于F-P滤波器的环形腔可调激光器，包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、激光器1X2耦合器、可调谐F-P滤波器及光纤隔离器；泵浦激光器输出的激光连接波分复用器，波分复用器的输出端顺序连接掺铒光纤、激光器I X 2耦合器、可调谐F-P滤波器(可调谐法布里-柏罗滤波器)及光纤隔离器，光纤隔离器的输出端也接入波分复用器的输入端，构成的环腔。激光器1X2 f禹合器的另一输出端为本例可调激光器的输出端,输出可调谐激光束。FPGA电路的控制信号输出端接可调激光器的可调谐F-P滤波器。所述标准具为F-P (Fabry-Perot法布里-柏罗)标准具或者为气体吸收腔。为保证精度，所述标准具置于温控模块上。为保证精度，所述可调谐F-P滤波器置于温控模块上。N个传感器通道的N个环形器为规格相同的环形器，或者N个2X I耦合器为规格相同N个2X I f禹合器。所述N个传感器通道中的一个或多个传感器通道可接光开关或分路器，一个接光开关或分路器的传感器通道扩展为η个传感器通道，η为2?16的整数。所述N个环形器或者N个2 X I耦合器所接的光电探测器，以及标准具所接的光电探测器为相同的光电探测器。各光电探测器所接的信号调理电路为相同的信号调理电路。可调激光器输出的激光束所接的1X2耦合器分光比为90/10，90%的激光束接入I XN耦合器，10%的激光束接入标准具。本专利技术的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法如下:根据FPGA电路的信号，可调激光器输出周期性扫描的窄带激光，其每个周期扫描的窄带激光波长与各布拉格光纤光栅传感器的特征波长相对应，其扫描波长是从短波长到长波长；该激光束经过1X2耦合器分为2路，其中一路透射标准具进入其对应的光电探测器，光电探测器的输出电信号接入其对应的信号调理电路；IX 2耦合器分出的另一路激光经I XN耦合器分成N路，分别经过环形器或2Χ I耦合器入射各传感器通道中待测的布拉格光纤光栅传感器，当扫描的入射光与某个布拉格光纤光栅传感器的特征波长相同时被反射，反射回的光波经环形器或2Χ I耦合器进入该传感器通道对应的光电探测器，各相关光电探测器将转换得到的电信号送入对应的信号调理电路，各信号调理电路对接收的电信号进行放大、调理及模数转换，FPGA电路采集各信号调理电路所得数字信号，发送到其所连接的工控机，工控机对各路信号进行波峰检测。进入校准通道的激光束透射标准具，在一个扫描周期中，标准具滤波器透射100个等间隔的波峰，经过其光电探测器所得的在时域上的电信号就呈现出波长确定的100个波峰，电信号经过其信号调理电路被FPGA电路采集，发送到工控机，工控机根据标准具的电信号确定当前布拉格光纤光栅传感器返回的电信号峰值所对应的时间，即得到该布拉格光纤光栅传感器此刻的波长值，进而得到波长变化量。之后根据所得波长变化量按公式计算出该布拉格光纤光栅传感器所处位置的温度或应变值。与现有技术相比，本专利技术的优点为:1、可实现高速、高信噪比的光纤光栅传感器的信号解调；可调激光器的扫描波长是从短波长到长波长，各传感器通道中的光纤光栅传感器按特征波长由短波长到长波长、位置的设置由近到远，而且各个光纤光栅传感器的波长变化范围不重叠；当扫描波长是从短波长到长波长时，距离远的光纤光栅传感器反射返回的波长在时域上会被拉开，在工控机对本文档来自技高网...

【技术保护点】
于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，包括激光器、耦合器、环形器（5）、光电探测器（8）和N个传感器通道（7），N为1～16的整数，每个传感器通道（7）为串联的1～20个布拉格光纤光栅传感器，各个布拉格光纤光栅传感器的特征波长不同、且波长变化范围不重叠，激光器输出的激光束经1×N耦合器分为N路，分别经环形器（5）或2×1耦合器入射N个传感器通道（7），每个传感器通道（7）的反射光返回环形器（5）或2×1耦合器（13），由环形器（5）或2×1耦合器（13）的另一输出端分别接入各自的光电探测器（8），其特征在于：所述激光器为可调激光器（1），输出波长周期性变化的窄带光波，其波长变化范围覆盖本系统各布拉格光纤光栅传感器的波长变化范围；各传感器通道（7）中的布拉格光纤光栅传感器按特征波长从短波长到长波长、其位置由近到远排列；各光电探测器（8）分别经各信号调理电路（9）接入FPGA电路（10），FPGA电路（10）的输出端接工控机（11），FPGA电路（10）的控制信号输出端接可调激光器（1）；本系统还有波长校准的标准具（3），可调激光器（1）输出的激光束先接入1×2耦合器（2）分为2路，一路接入1×N耦合器（4）分为N路传感器通道（7），另一路则接入标准具（3）为校准通道，透射标准具（3）的激光束接入其光电探测器（8），该光电探测器（8）的输出电信号经一个信号调理电路（9）也接入FPGA电路（10）；所述可调激光器（1）为基于F?P滤波器的环形腔可调激光器，基于光纤光栅的可调谐激光器，基于体光栅的可调谐激光器中的任一种。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，王航，魏帅，阳华，岳耀笠，程犁清，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十四研究所，
类型：发明
国别省市：