[发明专利]基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统及运行方法

权利要求书

1.基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。

2.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

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（1-1）、波分复用器（1-2）、掺铒光纤（1-3）、激光器1×2耦合器（1-4）、可调谐F-P滤波器（1-5）及光纤隔离器（1-6）；泵浦激光器（1-1）输出的激光连接波分复用器（1-2），波分复用器（1-2）的输出端顺序连接掺铒光纤（1-3）、激光器1×2耦合器（1-4）、可调谐F-P滤波器（1-5）及光纤隔离器（1-6），光纤隔离器（1-6）的输出端也接入波分复用器（1-2）的输入端，构成的环腔；激光器1×2耦合器（1-4）的另一输出端为本可调激光器（1）的输出端，输出可调谐激光束；FPGA电路（10）的控制信号输出端接可调激光器（1）的可调谐F-P滤波器（1-5）。

3.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

所述标准具（3）为F-P标准具，或者为气体吸收腔。

4.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

所述标准具（3）置于温控模块（12）上。

5.根据权利要求2所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

所述可调谐F-P滤波器（1-5）置于温控模块（12）上。

6.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

N个传感器通道（7）的N个环形器（5）为规格相同的环形器，或者N个2×1耦合器（13）为规格相同N个2×1耦合器（13）。

7.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

所述N个传感器通道（7）中的一个或多个通道接光开关（6）或分路器，一个接光开关（6）或分路器的通道扩展为n个传感器通道（7），n为2～16的整数。

8.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

所述N个环形器（5）或者N个2×1耦合器（13）所接的光电探测器（8），以及标准具（3）所接的光电探测器（8）为相同的光电探测器；各光电探测器（8）所接的信号调理电路（9）为相同的信号调理电路。

9.根据权利要求1所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统，其特征在于：

所述可调激光器输出的激光束所接的1×2耦合器（2）分光比为90/10，90%的激光束接入1×N耦合器（4），10%的激光束接入标准具（3）。

10.根据权利要求1至9所述的基于窄带扫描光源的光纤光栅传感系统的运行方法，其特征在于：

根据FPGA电路（10）的信号，可调激光器（1）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1×2耦合器（2）分为2路，其中一路透射标准具（3）进入其对应的光电探测器（8），光电探测器（8）的输出电信号接入其对应的信号调理电路（9）；1×2耦合器（2）分出的另一路激光经1×N耦合器（4）分成N路，分别经过环形器（5）或2×1耦合器（13）入射各传感器通道（7）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（5）或2×1耦合器（13）进入该传感器通道（7）对应的光电探测器（8），各相关光电探测器（8）将转换得到的电信号送入对应的信号调理电路（9），各信号调理电路（9）对接收的电信号进行放大、调理及模数转换，FPGA电路（10）采集各信号调理电路（9）所得数字信号，发送到其所连接的工控机（11），工控机（11）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（3），在一个扫描周期中，标准具（3）滤波器透射100个等间隔的波峰，经过其光电探测器（8）所得的在时域上的电信号呈现出波长确定的100个波峰，电信号经过其信号调理电路（9）被FPGA电路（10）采集，发送到工控机（11），工控机（11）根据标准具（3）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，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。