基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置及方法

摘要

基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置及方法，属于光纤传感及特性测试的技术领域。它是为了解决桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、大型电力设备和化工设备等特殊场合温度和应变的测量，以及采用可调谐滤波法构成的解调系统复杂、激光利用率低的问题。采用上述装置，从而实现温度和应变的检测方法，当待测材料粘贴到FBG传感器时，FBG输出反射光信号至与其连接的CH端口，再经耦合器输出至5路光放大电路，再经数据采集器输出至RJ45以太网口，经计算机计算并显示结果。本发明适应信息学、光学、物理学、计量专业、仪器科学专业等的教学实验及科研研究中，以及许多特殊场合的温度和应变监测。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感及特性测试的技术领域，特别涉及某些特殊场合温度和应变的测量。

背景技术

温度是一个重要的物理量,对温度的准确测量和有效控制已成为科学研究和生产实践中的重要课题。许多时候更是需要知道某一方向的温度梯度或空间温度分布,进而实现分布式的温度测量成为测量领域研究的一个热点。分布式光纤测温系统只需要一根传感光纤,布线非常简单,且系统成本随着传感距离的增加大幅降低,是目前一种发展前景非常好的测温系统。

力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝和建筑物等的维护和健康状况的监测是非常重要的。光纤光栅传感器可以实现对应变的直接测量。通过测量桥梁、矿井、隧道、大坝和建筑物结构的应变分布，能够预知上述结构的载荷及健康状况。

用于温度和应变测量的传感器种类繁多,光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器具有体积小、抗电磁干扰、防腐蚀、传感信息量波长编码、易构成分布式测量系统实现网络化测量等独特优势，广泛应用于各行各业的温度及应变监测。大型电力设备正常运行时的电磁振动和故障状态下的瞬态结构应变、对防爆条件要求苛刻的化工设备故障诊断和石油管道泄露诱导的瞬态应变、弹道测试引起的环境波动等许多特殊场合，利用光纤光栅传感器波长信息变化完全可实现对其动态信号的监测。

在基于FBG传感器进行监测系统中，FBG波长信息解调是关键技术。通过对国内FBG解调仪研发公司销售调查，平均每年销售额在1亿人民币，随着市场需求逐年呈上升趋势。目前在常用的波长信息解调方法中，可调谐滤波法构成的解调系统复杂，精度受法-珀腔的稳定性及压电陶瓷的非线性影响，只适用于静态或准静态测量；干涉法虽然能提高检测灵敏度，但稳定性差，至今未有成品；匹配解调方法灵敏度高，但动态范围窄、易受环境温度影响。近几年，FBG波长解调仪在国内主要研究机构有上海紫珊、北京品傲、上海前所等十几所，研制的动态解调仪大多基于CCD散射法或F-P腔驱动原理，存在价格高20万元左右人民币、体积大、不能后续开发等不利因素。

发明内容

本发明的目的是为了解决桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、大型电力设备和化工设备等特殊场合温度和应变的测量，以及采用可调谐滤波法构成的解调系统复杂、激光利用率低的问题。本发明提供了基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置及方法。

基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置，它包括可调谐DFB光源1、1×2光分路器2、F-P标准具3、1×4光分路器4、5路光放大电路5、数据采集器6、耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15、耦合器D16、端口台17、FBG传感器18和标准FBG19，端口台17上设置有RJ45以太网口7、CH1端口8、CH2端口9、CH3端口10、CH4端口11和AC220V端口12；

所述的AC220V端口12用于与外部交流220V供电电源连接，并且所述AC220V端口12同时与可调谐DFB光源1的电源输入端、5路光放大电路5的电源输入端和数据采集器6的电源输入端连接；

可调谐DFB光源1输出光信号至1×2光分路器2的光信号输入端，所述的1×2光分路器2的第一光信号输出端与F-P标准具3的光信号输入端连接，F-P标准具3的光信号输出端与5路光放大电路5的第五个光信号输入端连接；

1×2光分路器2的第二光信号输出端与1×4光分路器4的光信号输入端连接，

所述的1×4光分路器4的第一个光信号输出端输出的光信号经耦合器A13发送至CH1端口8.；1×4光分路器4的第二个光信号输出端输出的光信号经耦合器B14发送至CH2端口9；1×4光分路器4的第三个光信号输出端输出的光信号经耦合器C15发送至CH3端口10；所述的1×4光分路器4的第四个光信号输出端输出的光信号经所述的耦合器D16发送至所述的CH4端口11；

FBG传感器18和标准FBG19分别与CH1端口8、CH2端口9、CH3端口10、CH4端口11中的任意两个连接；

耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15和耦合器D16的输出端口依次与5路光放大电路5的第一、二、三和四光信号输入端连接；

所述的5路光放大电路5的电信号输出端与数据采集器6的电信号采集输入端连接，所述的数据采集器6的以太网通信端口与RJ45以太网口7连接。

耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15和耦合器D16采用相同耦合器实现。

采用基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置实现温度检测的方法：

将FBG传感器18与CH端口中的任意一个连接；将待测温材料粘贴到FBG传感器18；采用计算机计算获得待测温材料的温度值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度检测。

采用基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置实现应变检测的方法：

将FBG传感器18和标准FBG19与CH端口中的任意两个连接；将待测材料粘贴到FBG传感器18，同时，标准FBG在相同的环境下自由放置；采用计算机计算获得待测材料的应变值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的应变检测。

本发明所述的基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置及方法，通过采用基于DFB激光器的FBG波长解调仪及FBG传感器和标准FBG解决了桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、大型电力设备和化工设备等特殊场合温度和应变的测量，且结构简单，采用普通的DFB激光器作为激光光源，该光源代替原来的ASE光源，进而降低了产品成本，且在总功率相同的情况下，利用DFB激光器得到的FBG反射光有效光功率是利用ASE光源得到的FBG反射光有效光功率的10倍以上。本发明采用F-P标准具进行波长校准，提高了数据采集和处理的精度，使精度达到±3pm左右。

附图说明

图1是基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置的结构示意图。

图2是可调谐DFB光源经过F-P标准具和FBG反射光的时域信号原理图。

图3是波长-时间关系曲线。

具体实施方式：

具体实施方式一：参照图1，具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置，它包括可调谐DFB光源1、1×2光分路器2、F-P标准具3、1×4光分路器4、5路光放大电路5、数据采集器6、耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15、耦合器D16、端口台17、FBG传感器18和标准FBG19，端口台17上设置有RJ45以太网口7、CH1端口8、CH2端口9、CH3端口10、CH4端口11和AC220V端口12；

所述的AC220V端口12用于与外部交流220V供电电源连接，并且所述AC220V端口12同时与可调谐DFB光源1的电源输入端、5路光放大电路5的电源输入端和数据采集器6的电源输入端连接；

可调谐DFB光源1输出光信号至1×2光分路器2的光信号输入端，所述的1×2光分路器2的第一光信号输出端与F-P标准具3的光信号输入端连接，F-P标准具3的光信号输出端与5路光放大电路5的第五个光信号输入端连接；

1×2光分路器2的第二光信号输出端与1×4光分路器4的光信号输入端连接，

所述的1×4光分路器4的第一个光信号输出端输出的光信号经耦合器A13发送至CH1端口8；1×4光分路器4的第二个光信号输出端输出的光信号经耦合器B14发送至CH2端口9；1×4光分路器4的第三个光信号输出端输出的光信号经耦合器C15发送至CH3端口10；所述的1×4光分路器4的第四个光信号输出端输出的光信号经所述的耦合器D16发送至所述的CH4端口11；

FBG传感器18和标准FBG19分别与CH1端口8、CH2端口9、CH3端口10、CH4端口11中的任意两个连接；

耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15和耦合器D16的输出端口依次与5路光放大电路5的第一、二、三和四光信号输入端连接；

所述的5路光放大电路5的电信号输出端与数据采集器6的电信号采集输入端连接，所述的数据采集器6的以太网通信端口与RJ45以太网口7连接。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置作进一步说明，本实施方式中，耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15和耦合器D16采用相同耦合器实现。

具体实施方式三：采用实施方式一所述的采用基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置实现温度检测的方法：

将FBG传感器18与CH端口中的任意一个连接；将待测温材料粘贴到FBG传感器18；采用计算机计算获得待测温材料的温度值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度检测。

工作原理：将FBG传感器18与CH端口中的任意一个连接，是为了保证FBG传感器产生的反射光信号能够输出至CH端口；将待测温材料粘贴到FBG传感器以后，FBG传感器产生反射光信号，所述反射光信号经CH端口输出至耦合器，经耦合器输出至5路光放大电路，5路光放大电路对接收到的经F-P标准具输出的第一路光信号和接收到的反射光信号进行放大处理，然后输出至数据采集器，再经数据采集器进行处理后输出给RJ45以太网口，RJ45以太网口通过PCI总线与计算机连接，计算机计算后获得待测材料的温度值和应变值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测。

具体实施方式四：采用实施方式一所述的采用基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置实现应变检测的方法：

将FBG传感器18和标准FBG19与CH端口中的任意两个连接；将待测材料粘贴到FBG传感器18，同时，标准FBG在相同的环境下自由放置；采用计算机计算获得待测材料的应变值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的应变检测。

工作原理：将FBG传感器18和标准FBG19与CH端口中的任意两个连接，是为了保证FBG传感器和标准FBG产生的反射光信号能够输出至CH端口；将待测材料粘贴到FBG传感器，同时，标准FBG在相同的环境下自由放置以后，FBG传感器和标准FBG产生两路反射光信号，所述两路反射光信号经CH端口输出至耦合器，经耦合器输出至5路光放大电路，5路光放大电路对接收到的经F-P标准具输出的第一路光信号和接收到的两路反射光信号进行放大处理，然后输出至数据采集器，再经数据采集器进行处理后输出给RJ45以太网口，RJ45以太网口通过PCI总线与计算机连接，计算机计算后获得待测材料的应变值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的应变检测。

基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置工作过程：

在不同时刻，可调谐DFB光源发出的不同波长的光，该束光经1×2光分路器后，分为两束光，一束输出至F-P标准具，经F-P标准具透射后输出至5路光放大电路，另一束光输出至1×4光分路器，再经耦合器输出给CH端口，

当待测材料与FBG传感器粘贴（测温）或者待测材料与FBG传感器粘贴，同时标准FBG自由放置（测应变）时，FBG传感器和标准FBG产生反射光信号，所述反射光信号经CH端口输出至耦合器，经耦合器输出至5路光放大电路，5路光放大电路对接收到的经F-P标准具输出的第一路光信号和接收到的反射光信号进行放大处理，然后输出至数据采集器，再经数据采集器进行处理后输出给RJ45以太网口，RJ45以太网口通过PCI总线与计算机连接，计算机计算后获得待测材料的温度值和应变值并显示，完成基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测。

其中数据采集器的工作原理如下：

F-P标准具输出的第一路光信号波长为λ1、λ2......λn，n=1,2,3......N，

耦合器A13、耦合器B14、耦合器C15或耦合器D16输出的反射光信号波长为λ_FBG，

数据采集器6通过寻峰算法对所述第一路光信号波长λ1、λ2......λn进行计算，得出时域信号中每个波长对应的时间点t_n，n=1,2,3......N；

由此得到由一组波长和时间点组成的数组[λn][tn]，采用一次线性插值算法，计算出波长与时间的关系，得到波长-时间关系曲线，从而确定波长与时间的对应关系λ=f（t），当已知一个时间点t_FBG时，能够通过表达式λ=f（t）得出此时的光波长，即FBG反射光的波长值λ_FBG。

本发明是为了利用FBG传感器波长信息间接获取解调温度信号，利用标准FBG波长信息间接获取应变信号，该系统涉及到的光有源和无源器件均以模块形式组装，系统中每个模块即可以独立工作也可以组成系统实现统一的功能，通过对软件编程及模块更换，具有后续开发功能。

基于DFB激光器的FBG波长解调仪的温度和应变检测装置及方法主要围绕着光路系统、电路系统和数据处理系统三部分来实现对FBG波长信息的处理从而实现温度测量和应变测量，可以用于信息学类、光学专业、物理专业、计量测试专业、仪器科学专业等的教学实验及科研研究中。

该系统集合光学技术、模拟技术和电子技术于一体，用模块组合方式，将光传感、信息控制和光电检测中所用的光有源和无源等各类器件的集成在一个系统，完成对外界传感信息的测试、实验结果的显示，并且系统可进一步组合、拓展实验内容。具有是综合性强、覆盖内容广，操作方便，价格低廉、易于推广使用。