專利名稱：基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵解調(diào)儀，特別涉及一種利用濾色片分光和光電探測陣列采集的光纖光柵波長解調(diào)儀器。屬于光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在許多特殊的場合，光纖光柵傳感器具有許多傳統(tǒng)傳感器不具備的特點(diǎn)。光纖光柵作為智能化結(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(qiáng)、易集成、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以埋覆在被測物體和材料內(nèi)部對壓強(qiáng)、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、流速、流量、粘度等物理量進(jìn)行檢測。對于光纖光柵傳感信號的解調(diào)核心工作，是依據(jù)對光纖光柵不同的中心波長返回值進(jìn)行讀取、變換，進(jìn)而得到外界信息的變化量。對于采用光譜儀解調(diào)方式，由于光譜儀的體積大、價格昂貴、速度慢的缺點(diǎn)，限制了其工程化的推廣應(yīng)用；對于采用掃描激光光源的解調(diào)方式，其成本高，解調(diào)速率有限，限制了光纖光柵傳感的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決光纖光柵傳感器在現(xiàn)有解調(diào)方式下，光譜儀的體積大、解調(diào)儀成本高、解調(diào)速度慢的問題，現(xiàn)提出一種基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀?；跒V色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，它包括:平坦化ASE寬帶光源、3dB耦合器、I XN光開關(guān)、N個濾色片、N+1個PIN光電探測器、信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)和N路傳感光纖光柵；3dB I禹合器的一個 光信號輸入輸出端同時連接平坦化ASE寬帶光源的光信號輸出端和第一個濾色片的光信號輸入端，3dB稱合器的另一個光信號輸入輸出端連接IXN光開關(guān)的一個光信號輸入輸出端，I XN光開關(guān)的N個光纖光柵信號輸入輸出端分別連接N路傳感光纖光柵的N路光纖光柵信號輸入輸出端，I XN光開關(guān)的控制信號輸入端連接單片機(jī)的開關(guān)控制信號輸出端；第i個濾色片的反射光輸出端連接第i+Ι個濾色片的光信號輸入端,第N個濾色片的反射光輸出端通過光纖連接至第N+1個PIN光電探測器的光信號輸入端，第i個濾色片的透射光輸出端通過光纖連接至第i個PIN光電探測器的光信號輸入端，第N個濾色片透射光輸出端通過光纖連接至第N個PIN光電探測器的光信號輸入端，所述i = 1、2、…N-1 ；N+1個PIN光電探測器的電信號輸出端分別連接信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊的N+1個信號輸入端，信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接單片機(jī)的信號輸入端。所述平坦化ASE寬帶光源是放大自發(fā)輻射光源，其發(fā)射的光信號的波長為1525nm至 1565nm,光強(qiáng)為 20mw 至 200mw。N個濾色片的反射/透射過度帶寬均為2nm,對應(yīng)光強(qiáng)衰減均為20dB, N個濾色片的濾色片所對應(yīng)中心波長均不相同，并且每兩個相連接的濾色片之間所對應(yīng)中心波長差為2nm0第I路傳感光纖光柵的中心波長為1525nm,第N路傳感光纖光柵的中心波長為1565nm, N路傳感光纖光柵中每兩路傳感光纖光柵之間的中心波長間隔大于等于2nm。信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器為16位的A/D轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀在成本低、結(jié)構(gòu)簡單的情況下，通過N個連續(xù)波長的濾色片對光信號的波長進(jìn)行對比，快速的確定其波長，再經(jīng)過PIN光電探測器、信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊將信號輸入到單片機(jī)中，使其解調(diào)頻率可以達(dá)到500kHz，從而快速準(zhǔn)確地對信號進(jìn)行處理并完成解調(diào)工作。本發(fā)明可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中對溫度、應(yīng)力、位移的檢測和監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中。


圖1虛線框外的部分是基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是濾色片以1540nm處為例的濾光光譜特性圖，圖中實(shí)曲線表示透射光，虛曲線表示反射光；圖3是濾色片過濾小于其中心波長的光信號的光譜特性圖，圖中實(shí)曲線I表示以1540nm處為例的透射光的光譜，虛曲線表示以1540nm處為例的反射光的光譜，實(shí)曲線2表示濾色片透射光的光譜；圖4是濾色片過濾小于其中心波長的光信號時，透射光的PIN光電管信號圖；圖5是濾色片過濾大于其中心波長的光信號的光譜特性圖，圖中實(shí)曲線表示以1540nm處為例的透射光的光譜，虛曲線I表示以1540nm處為例的反射光的光譜，虛曲線2表不濾色片反射光的光譜；圖6是濾色片過濾大于其中心波長的光信號時，透射光的PIN光電管信號圖；圖7是濾色片過濾與其中心波長匹配的光信號的光譜特性圖，圖中實(shí)曲線I表示以1540nm處為例的透射光的光譜，虛曲線表示以1540nm處為例的反射光的光譜，實(shí)曲線2表不濾色片透射光的光譜；圖8是濾色片過濾與其中心波長匹配的光信號時，透射光的PIN光電管信號圖；圖9是第N個濾色片過濾與其中心波長匹配的光信號的光譜特性圖，圖中實(shí)曲線I表示以1540nm處為例的透射光的光譜，虛曲線2表示以1540nm處為例的反射光的光譜，實(shí)曲線4表不濾色片透射光的光譜,虛曲線3表不濾色片反射光的光譜；圖10是第N個濾色片過濾與其中心波長匹配的光信號時，對應(yīng)的兩個PIN光電管信號不意圖，其中虛線方框表不反射光的PIN光電管信號，實(shí)線方框表透射光的PIN光電管信號。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:參照圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，它包括:平坦化ASE寬帶光源l、3dB耦合器2、lXN光開關(guān)3、N個濾色片4至4n、N+1個PIN光電探測器S1至5N+1、信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊6、單片機(jī)7和N路傳感光纖光柵10 ；3dB稱合器2的一個光信號輸入輸出端同時連接平坦化ASE寬帶光源I的光信號輸出端和第一個濾色片I的光信號輸入端，3dB f禹合器2的另一個光信號輸入輸出端連接I XN光開關(guān)3的一個光信號輸入輸出端，I XN光開關(guān)3的N個光纖光柵信號輸入輸出端分別連接N路傳感光纖光柵10的N路光纖光柵信號輸入輸出端，I XN光開關(guān)3的控制信號輸入端連接單片機(jī)的開關(guān)控制信號輸出端；第i個濾色片I的反射光輸出端連接第i+Ι個濾色片4i+1的光信號輸入端,第N個濾色片4n的反射光輸出端通過光纖連接至第N+1個PIN光電探測器5n+1的光信號輸入端，第i個濾色片I的透射光輸出端通過光纖連接至第i個PIN光電探測器Si的光信號輸入端，第N個濾色片4n透射光輸出端通過光纖連接至第N個PIN光電探測器5n的光信號輸入端，所述i = 1、2、…N-1 ；N+1個PIN光電探測器S1至5N+1的電信號輸出端分別連接信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊6的N+1個信號輸入端，信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊6的信號輸出端連接單片機(jī)7的信號輸入端。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
一所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，所述平坦化ASE寬帶光源I是放大自發(fā)輻射光源，其發(fā)射的光信號的波長為1525nm至1565nm,光強(qiáng)為20mw至200mw。
具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
一所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，N個濾色片I至4n的反射/透射過度帶寬均為2nm，對應(yīng)光強(qiáng)衰減均為20dB，N個濾色片I至4N的濾色片所對應(yīng)中心波長均不相同，并且每兩個相連接的濾色片之間所對應(yīng)中心波長差為2nm。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
一所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，第一路傳感光纖光柵的中心波長為1525nm,第N路傳感光纖光柵的中心波長為1565nm,N路傳感光纖光柵10中每兩路傳感光纖光柵之間的中心波長間隔大于等于2nm。

具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
一所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊6中的A/D轉(zhuǎn)換器為16位的A/D轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀的具體結(jié)構(gòu)不局限于上述各個實(shí)施方式所記載的具體結(jié)構(gòu)，還可以是上述各實(shí)施方式所記載的技術(shù)特征的合理組合。
具體實(shí)施方式
一、二、三、四或五所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，在實(shí)際操作中，可以使本申請所述的多通道光纖光柵解調(diào)儀的單片機(jī)7通過RJ45端口 8使上位機(jī)9實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，來實(shí)現(xiàn)該解調(diào)儀的應(yīng)用，參見圖1所示?；跒V色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀的原理:平坦化ASE寬帶光源I發(fā)出的光信號經(jīng)過3dB耦合器2進(jìn)入I XN光開關(guān)3中，I XN光開關(guān)3由單片機(jī)7控制光開關(guān)通道的切換，單片機(jī)7所輸出的開關(guān)控制信號用于控制I XN光開關(guān)3的N個光纖光柵信號輸入輸出端中的某一個光纖光柵信號輸入輸出端與一個光信號輸入輸出端聯(lián)通，光信號通過IXN光開關(guān)3所限定的通道進(jìn)入N路傳感光纖光柵10，N路傳感光纖光柵10使該光信號帶有光纖光柵的波長信息，然后該帶有光纖光柵的波長信息的光信號從光開關(guān)通道返回并通過3dB耦合器2進(jìn)入第一個濾色片^，帶有光纖光柵的波長信息的光信號與第一個濾色片I的波長值進(jìn)行匹配，濾色片以1540nm處為例的濾光光譜特性，參見圖2所示，當(dāng)該光信號的波長值與第一個濾色片I的波長值匹配時，該光信號進(jìn)入與第一個濾色片I所連接的PIN光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，則該P(yáng)IN光電探測器的輸出信號值為該濾色片中心波長處所對應(yīng)的電壓值，參見圖7和圖8所示；當(dāng)該光信號的波長值與第一個濾色片4的波長值不匹配時，若光信號波長值小于該濾色片的波長值，則該濾色片所連接的PIN光電探測器的輸出信號值為該濾色片中心波長處所對應(yīng)電壓值的最大值，參見圖3和圖4所示，此時所得電信號超出PIN光電探測器的量程；若光信號波長值大于該濾色片的波長值，則該濾色片所連接的PIN光電探測器的輸出信號值為該濾色片中心波長處所對應(yīng)電壓值的最小值，參見圖5和圖6所示，同時該濾色片將光信號反射
到下一濾色片，該光信號的波長值與下一個濾色片的波長值進(jìn)行匹配，......依此類推至
最后一個濾色片所連接的兩個PIN光電探測器輸出信號，若光信號的波長值與最后一個濾色片的波長值匹配，則第N個PIN光電探測器輸出的信號為該濾色片中心波長處透射譜所對應(yīng)的電壓值，第N+1個PIN光電探測器輸出的信號為該濾色片中心波長處反射譜所對應(yīng)的電壓值的反射值，參見圖9和圖10所示，N+1個PIN光電探測器5輸出的信號經(jīng)信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊6的放大和轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，該數(shù)字信號輸入到單片機(jī)7中，單片機(jī)7將數(shù)字信號進(jìn)行處理，找到與光纖波長對應(yīng)的濾色片位置及信號強(qiáng)度，得到所連接的若干個光纖光柵的真實(shí)波長值，該真實(shí)波長值通過RJ45端口 8輸入到上位機(jī)9中，上位機(jī)9對該真實(shí)波長值進(jìn)行顯示及儲存。
權(quán)利要求
1.基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于，它包括:平坦化ASE寬帶光源(l)、3dB耦合器(2)、I XN光開關(guān)(3)、N個濾色片⑷至4N)、N+1個PIN光電探測器⑶至5N+1)、信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊(6)、單片機(jī)(7)和N路傳感光纖光柵(10)； 3dB f禹合器(2)的一個光信號輸入輸出端同時連接平坦化ASE寬帶光源(I)的光信號輸出端和第一個濾色片(4工)的光信號輸入端，3dB f禹合器(2)的另一個光信號輸入輸出端連接I XN光開關(guān)(3)的一個光信號輸入輸出端，I XN光開關(guān)(3)的N個光纖光柵信號輸入輸出端分別連接N路傳感光纖光柵(10)的N路光纖光柵信號輸入輸出端，I XN光開關(guān)(3)的控制信號輸入端連接單片機(jī)的開關(guān)控制信號輸出端； 第i個濾色片(4)的反射光輸出端連接第i+Ι個濾色片(4i+1)的光信號輸入端,第N個濾色片(4n)的反射光輸出端通過光纖連接至第N+1個PIN光電探測器(5n+1)的光信號輸入端，第i個濾色片(4J的透射光輸出端通過光纖連接至第i個PIN光電探測器(5J的光信號輸入端，第N個濾色片(4n)透射光輸出端通過光纖連接至第N個PIN光電探測器(5n)的光信號輸入端，所述i = 1、2、…N-1 ； N+1個PIN光電探測器⑶至5n+1)的電信號輸出端分別連接信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊(6)的N+1個信號輸入端，信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊(6)的信號輸出端連接單片機(jī)(7)的信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于，平坦化ASE寬帶光源(I)是放大自發(fā)福射光源，其發(fā)射的光信號的波長為1525nm至1565nm,光強(qiáng)為 20mw 至 200mw。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于，N個濾色片汍至4n)的反射/透射過度帶寬均為2nm，對應(yīng)光強(qiáng)衰減均為20dB，N個濾色片汍至4n)的濾色片所對應(yīng)中心波長均不相同，并且每兩個相連接的濾色片之間所對應(yīng)中心波長差為2nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于，第I路傳感光纖光柵的中心波長為1525nm,第N路傳感光纖光柵的中心波長為1565nm, N路傳感光纖光柵(10)中每兩路傳感光纖光柵之間的中心波長間隔大于等于2nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于，信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊￠)中的A/D轉(zhuǎn)換器為16位的A/D轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀，涉及光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域。它是為了解決光纖光柵傳感器在現(xiàn)有解調(diào)方式下，光譜儀的體積大、解調(diào)儀成本高、解調(diào)速度慢的問題。本發(fā)明所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀在成本低、結(jié)構(gòu)簡單的情況下，通過N個連續(xù)波長的濾色片對光信號的波長進(jìn)行對比，快速的確定其波長，再經(jīng)過PIN光電探測器、信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊將信號輸入到單片機(jī)中，使其解調(diào)頻率可以達(dá)到500kHz，從而快速準(zhǔn)確地對信號進(jìn)行處理并完成解調(diào)工作。本發(fā)明所述的基于濾色片的多通道光纖光柵解調(diào)儀可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中對溫度、應(yīng)力、位移的檢測和監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中。
文檔編號G02F2/00GK103148880SQ20131006590
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者呂國輝, 商紹華 申請人:黑龍江大學(xué)