光纤传感的波长解调装置
专利汇可以提供光纤传感的波长解调装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且光纤传感的 波长 解调装置，属于光纤传感中的波长解调装置。包括 耦合器 (2”)、互相并接的两个光纤环镜、PIN光电 二极管 、 信号 处理 电路 (14)、 单片机 (5)及显示器(21)。其中，第一光纤环镜由第一光耦合器(2)及第一光纤(11)、长双折射光纤(10)、第一偏振 控制器 (12)组成的环路构成；第二光纤环境由第二光耦合器(2’)及第二光纤(11’)、短双折射光纤(10’)、第二偏振控制器(12’)组成的环路构成；第一、第二环境分别接第一PIN 光电二极管 (4)、第二 PIN光电二极管 (4’)。两个PIN光电二极管、 信号处理 电路、单片机、显示器依次连接。本装置能够获得稳定及高 精度 的测量，而且结构简单，成本低。，下面是光纤传感的波长解调装置专利的具体信息内容。
1、光纤传感的波长解调装置，其特征在于：包括将波长变化的光信号分为光强相等的两束光的光耦合器(2”)、互相并接的两个光纤环镜、PIN光电二极管、信号处理电路(14)、单片机(5)及显示器(21)；其中，第一光纤环镜由第一光耦合器(2)及第一光纤(11)、长双折射光纤(10)、第一偏振控制器(12)组成的环路构成；第二光纤环境由第二光耦合器(2’)及第二光纤(11’)、短双折射光纤(10’)、第二偏振控制器(12’)组成的环路构成；第一、第二环境分别接第一PIN光电二极管(4)、第二PIN光电二极管(4’)，它们将光信号转变为电信号；两个PIN光电二极管、信号处理电路(14)、单片机(5)、显示器(21)依次连接；其中的短双折射光纤为使输入到第二PIN光电二极管(4’)的第二透射率曲线小于半个振动周期的双折射光纤。
2、 根据权利要求1所述的光纤传感的波长解调装置，其特征在于：信号 处理电路（14)包括两个放大器、两个比较器，其中，第一放大器（18) 接PIN光电二极管（4)将电信号放大，并输出到上升沿比较器（19)和下 降沿比较器(19,)，第二放大器(18，)接单片机（5)。
3、 根据权利要求1所述的光纤传感的波长解调装置，其特征在于：长双 折射光纤（10)为使输入到第一PIN光电二极管（4)的第一透射率曲线a 每纳米波长大于5个振动周期的双折射光纤。
光纤传感的波长解调装置技术领域本实用新型应用于在光纤传感，特别是光纤布拉格光栅（FBG)传感中， 凡利用测定光波长变化来确定被传感量（如温度、应变等）变化的传感应用。 属于光纤传感中的波长解调装置。 背景技术在光纤传感中，有一些传感是通过光波长的变化来反映被传感量的变化 的，典型的是FBG。当外界被传感量，如温度或应变等发生变化时，由FBG 反射回来的光波长也发生相应的变化，二者存在一定的函数关系。如果测定 了反射光波长的变化，也就测定了欲传感的物理量的变化，这个过程称为波 长解调。现有比较成熟的，并实现商用的波长解调装置是采用法布里一珀罗（F-P) 干涉仪作为滤波器进行波长解调，其工作过程如图1 (a)所示。宽带光源1 发出的光经光耦合器2"传到FBG 3，并有波长很窄的一部分光被反射回来， 反射光的波长随FBG3周围被传感物理量的变化而变化。反射光经耦合器2" 和第一耦合器2到达受压电陶瓷7控制的F-P滤波器6。锯齿波发生器8产生 的电压信号驱动压电陶瓷7，再带动F-P滤波器6，对谐振波长进行扫描。当 谐振波长等于FBG 3反射回来的波长时，光又被反射回第一耦合器2，并传 到第一PIN光电二极管4转变为电信号。此时，记录下锯齿波的瞬时电压幅 度，就能对应出F-P滤波器6的谐振波长，也就是FBG 3的反射波长，从而 实现波长解调。应该强调指出的是，这种方法测量的是电压幅度。 一般，幅度量易受外 界因素的干扰，测量精度不高。另外，该装置比较复杂，价格昂贵，限制了
相应光纤传感的广泛应用。
还有一些已报导的波长解调方法，这些方法都没有进入商用阶段，大多 都是将光波长的变化转变成电信号的幅度变化，同样存在易受干扰，测量精 度不高的问题。
图1 (b)是实验室中常用的用光谱分析仪9直接进行波长解调的方法。 这种方法看起来似乎很简单，但光谱分析仪9十分昂贵，且庞大、笨重，不 能在实际工程中应用。 发明内容本实用新型的目的是提出一种光纤传感的波长解调装置，能够获得稳定 及高精度的测量，而且结构简单，成本低。本实用新型提出的光纤传感的波长解调装置，其技术方案为：包括将波 长变化的光信号分为光强相等的两束光的光耦合器2"、互相并接的两个光纤 环镜、PIN光电二极管、信号处理电路14、单片机5及显示器21。环镜包括 光耦合器，普通光纤，双折射光纤。第一光纤环镜由第一光耦合器2及第一 光纤11、长双折射光纤10、第一偏振控制器12组成的环路构成。第二光纤 环境由第二光耦合器2'及第二光纤11'、短双折射光纤10'、第二偏振控制器 12'组成的环路构成。由第一、第二环境输出的光信号分别经第一PIN光电二 极管4、第二PIN光电二极管4'并转变为电信号，两个PIN光电二极管接信 号处理电路14，信号处理电路14连接到单片机5上。信号处理电路14包括两个放大器、两个比较器。其中，第一放大器18接 PIN光电二极管4将电信号放大，并输出到上升沿比较器19和下降沿比较器 19'，第二放大器18'接单片机5。长双折射光纤10为使输入到第一 PIN光电二极管4的第一透射率曲线a 每纳米波长大于5个振动周期的双折射光纤。
图3给出了利用双折射光纤环镜进行波长解调的原理图。波长变化的光 信号由端口 15输入到光耦合器中，在光耦合器的另一端分为强度相等的两束 光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由普通光纤、双折射光纤和偏振控 制器组成的环路传输，然后返回耦合器，并同时输出到PIN光电二极管后转 变为电信号。电信号的大小反映了两束光相干涉后光强度的变化，也就是双 折射光纤环镜的光强透射率的变化。该透射率的变化是与输入光波长的变化相关的，其函数关系如图4所示。可以看出，光透射率随波长呈周期性变化。理论证明，变化的周期与双折射光纤的长度近似成反比，也就是波长频率与 双折射光纤的长度近似成正比。如果采用较长的双折射光纤，就可以得到如图5中a曲线所示的波长频率变化很快的透射率曲线。在图5中，设测量时 波长不断增加，在透射率的上升沿，如16点及下降沿，如17点，我们都进 行计数，这样计数的多少就对应了波长的大小，也就是通过计数，能够实现 波长解调。应该特别指出的是，上升沿和下降沿的计数点（如图5中的16点 和17点）与波长的对应是稳定的，如果由于外界的干扰使透射率的幅度发生 变化，则图5中曲线的峰值和谷值会发生改变，而计数点与波长的对应值不 会发生改变，所以计数波长解调的方法具有很强的抗干扰能力和很高的测量 精确度。虽然计数的方法具有上述优点，但还需要解决计数增减方向的判断问题。 在计数过程中，存在两种情况。 一种情况是当波长连续增加或连续减少时， 透射率上升沿和下降沿都交替出现，计数值应不断增加或不断减少。另一种 情况是当波长值先增后减或先减后增时，透射率上升沿和下降沿也都会交替 出现，这种情况的计数方向应是先增后减或先减后增。如何从相同的上升沿 和下降沿交替出现的现象中正确判断上述两种情况，使计数值与波长值能正 确对应是计数解调方法的关键问题。前面谈到过，光纤环镜透射率的波长周
期与双折射光纤的长度近似成反比。采用很短的双折射光纤，另外制作一个 光纤环镜，使其透射率曲线在测量波长范围内不能完成半个振动周期，这样， 在测量波长范围内，曲线随波长的增减就是单调的了。利用长双折射光纤环 镜计数，同时利用短双折射光纤环镜判断计数增减方向。判断的方法是测量 并比较相邻两次计数时的短双折射光纤的透射率幅度值，由于透射率曲线随 波长的变化是单调的，所以很容易判断波长的增减方向，从而正确调整计数 的增减方向。应该说明的是，虽然这里采用了测量透射率幅度的方法，但只 是在短时间内定性地判断相邻两次计数时刻的幅度大小，并没有记录幅度的 绝对值，所以，幅度量的不稳定性不会在这里造成什么影响。本实用新型能够获得稳定及高精度的测量，而且结构简单，成本低。 附图说明图1 (a):采用法布里一珀罗（F-P)干涉仪作为滤波器进行波长解调的装置图1 (b):采用光谱分析仪直接进行波长解调的装置 图2:由双光纤环镜构成的传感器计数光波长解调结构 图3:利用双折射光纤环镜进行光纤传感波长解调的原理图 图4:双折射光纤环镜透射率随输入光波长变化的函数关系图5:长双折射光纤和短双折射光纤分别构成的光纤环镜的输出光强（与透射 率成正比）随输入光波长变化的函数关系 图6:单片机控制的电路处理系统结构 图7:单片机程序流程图图中，l一宽带光源，2 —第一光耦合器，2' —第二光耦合器，2" —光耦合 器，3—FBG， 4一第一PIN光电二极管，4，一第二PIN光电二极管，5 —单片 机，6—F-P滤波器，7 —压电陶瓷，8 —锯齿波发生器，9一光谱分析仪，10 一长双折射光纤，IO，一短双折射光纤，ll一第一光纤，ll，一第二光纤，12 — 第一偏振控制器，12，一第二偏振控制器，13 —硬纸筒，14 —信号处理电路， 15 —光输入端口， 16 —上升沿上的点，17—下降沿上的点，18 —第一放大器， 18，一第二放大器，19一上升沿比较器，19，一下降沿比较器，20—基准电压， 21 —显示器。 具体实施方式下面结合附图具体说明本实用新型的优选实施例。根据本实用新型提出的方法所设计的光纤传感的波长解调装置参见图2， 为进行FBG传感波长解调的实验结构图。包括将波长变化的光信号分为光强 相等的两束光的光耦合器2"、两个类似的光纤环镜并接、PIN光电二极管、 电路控制系统15、单片机5及显示器23。环镜包括光耦合器，普通光纤，双 折射光纤。第一光纤环镜由第一光耦合器2及第一光纤11、长双折射光纤10、 第一偏振控制器12组成的环路构成。第二光纤环境由第二光耦合器2'及第二 光纤11'、短双折射光纤10'、第二偏振控制器12'组成的环路构成。由第一、 第二环境输出的光信号分别经第一 PIN光电二极管4、第二 PIN光电二极管4' 转变为电信号，两个PIN光电二极管接信号处理电路14，信号处理电路14 连接到单片机5上。信号处理电路14包括两个放大器、两个比较器。其中，第一放大器18接 PIN光电二极管4将电信号放大，并输出到上升沿比较器19和下降沿比较器 19'，第二放大器18'接单片机5，参见图6。第一 PIN光电二极管4和第二 PIN光电二极管4'分别将长双折射光纤环 镜和短双折射光纤环镜输出的光信号转变为电信号，再分别经第一放大器18 和第二放大器18，进行放大。第一放大器18的输出信号同时送给上升沿比较 器19和下降沿比较器19，，基准电压20作为两个比较器的比较电压值。当 信号电压上升或下降越过基准电压时，两个比较器分别会输出计数信号，单
片机5接收到该信号后会进行加1或减1运算。判断加运算还是减运算的方 法是，单片机先后收到两个比较器送来的计数信号时，分别先后将放大器18'送来的信号进行两次A/D转换，然后将两次转换的值进行比较，由短双折射光纤环镜输出光强的单调性，可确定是进行加1运算还是进行减1运算。单片机可将计数的结果转换为对应的波长值，并驱动显示器21将波长值显示出 来。单片机控制的流程图参见图7。本实施例的双折射光纤环镜的长双折射光纤10的长度为30米，将其绕 在一个硬纸筒13上。短双折射光纤环镜的短双折射光纤10'的长度为0.05米。 每个环镜都有一个光耦合器分别为第一光耦合器2和第二光耦合器2'及一个 绕有3圈普通光纤的第一偏振控制器12和第二偏振控制器12'。两个环镜的 输入端并接，共同接收传感器送来的波长变化的信号。它们的输出端分别通 过两个PIN光电二极管，将光信号转换为电信号，并送给单片机5，由单片机 5通过信号处理电路14对信号进行处理及计数。利用图2的装置，我们在1530nm到1570nm波长范围内，对FBG 3的传 感信号进行了波长解调，其波长分辨率可达0.067nm。
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