專利名稱：一種分組同步式光纖傳感分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及物理領域，尤其涉及光傳感技術，特別是一種分組同步式 光纖傳感分析儀。
背景技術：
隨著密集波分復用DWDM技術、摻鉺光纖放大器EDFA技術和光時 分復用OTDM技術的發展和成熟，光纖通信技術正向著超高速、大容量 通信系統的方向發展，并且逐步向全光網絡演進。其中，光纖傳感器因為 在抗電磁干擾、輕巧、靈敏度、長距離傳輸等方面具有巨大的技術優勢， 得到了廣泛應用。
光纖光柵傳感技術和光纖微機電(MEMS)傳感技術是兩個典型的光 纖傳感器技術。
光纖光柵傳感技術以在單模石英光纖上照射制作的敏感柵區作為敏感 單元，其感測過程可通過外界參量對光纖光柵中心波長或帶寬的調制來實 現，波長調制(或波長編碼)代表著新一代光傳感器的發展方向。光纖光柵 因具有制作簡單、穩定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、易于同光 纖集成及可構成網絡等諸多優點，被廣泛應用于橋梁、大壩、大型建筑、 石化、電力、鋼鐵、核工業、飛機船舶制造、醫療等多種場合。
光纖微機電(MEMS)傳感技術則是將采用MEMS微加工工藝的敏感 結構與光纖傳感信號檢測技術相結合，通過加工尺度為微納米級的敏感結 構將溫度、應變、壓力、振動、流量、氣體成分等多種物理、化學量調制 成易于遠距離傳輸并不受電磁干擾的光纖信號，具有高靈敏度、體積小、 批量生產、成本低的優點，可以廣泛應用于電力、石油化工、工業控制、 航空航海、土木工程、安全防衛等領域。
光纖光柵傳感技術和光纖微機電傳感技術都需要利用傳感分析儀實現大容量、高精度的信號解調，以實現光纖傳感器信號傳輸距離遠、信息容 量大、成本低的優勢。光纖傳感分析儀是光纖傳感系統中的關鍵設備，用 于完成對光纖傳感器的輸入光信號激勵和輸出信號檢測，最終將光纖傳感 器輸出的攜帶待測物理量信息的光信號轉換成為易于直觀讀取、顯示、存 儲、傳送的數字信號。現有技術中，光纖傳感分析儀由光源(通常為波長 調制光源，也可為非調制光源)、光分路器、光電轉換放大器、數據采集器 和處理器等構成，其光源功率有局限，高速的高精度同歩數據采集器通道 數量也有局限，不利于實現容量擴展。現有的光纖光柵解調儀所采用的解 調原理主要有匹配光纖光柵濾波法、邊緣濾波法、非平衡掃描邁克爾遜干 涉法、可調諧F-P濾波法、可調諧窄帶光源法以及衍射法等等，擴展容量
(也即增加測量通道數量)的方法大都是增加光開關的方式實現，因此， 現有光纖光柵解調儀最大能擴展的通道數直接取決于光開關能達到的通道 數，目前商用化的具有上億次切換壽命的光開關通道數一般不超過32，每
通道的售價約為200美元左右，因此直接采用光開關進行通道數擴展的方
法成本較高，而且隨著光開關通道數的增加光開關的插入損耗也直線增加， 從而導致光纖傳感分析儀與光纖傳感器之間的有效傳輸距離降低，更為重 要的是，光開關各通道之間的切換時間及穩定時間通常會使光纖傳感分析 儀各通道之間的時延增大，影響多通道數據采集的時間同步性。例如，用 于橋梁等土木工程結構或發電機等大型機械設備振動測試分析時，通常需 要對數十個振動傳感器進行同步信號采集和分析，直接借助光開關進行多 通道擴展的方式難以滿足對光纖傳感分析儀測量實時性的要求。此外，在 實際工程應用中，還往往需要借助多種光纖傳感器，如溫度、應變、壓力、 振動、流量、氣體成分等多種物理、化學量，進行組合使用才能實現對被 監測或檢測對象性能狀況的準確評估，例如，大跨度橋梁結構安全監測系 統中，除使用數百只光纖光柵應變計進行關鍵受力部位的應力變形監測外， 通常還會用到光纖微機電加速度傳感器對橋梁結構整體的振動模態進行分析。而現有的光纖傳感分析儀不能同時接入多種類型光纖傳感器，也不具
備診斷分析能力。
發明內容
本發明的目的在于提供一種分組同步式光纖傳感分析儀，所述的這種 分組同步式光纖傳感分析儀要解決現有技術中光纖傳感分析儀信號采集通 道有局限、不能同時接入多種類型光纖傳感器、不具備診斷分析能力的技 術問題。
本發明的這種分組同步式光纖傳感分析儀由光源、iXn光開關、n個 光同步分路器、至少l個參考模塊、nX (m+l)路光電探測放大器、nX (m+l)選(m+l)分組切換電子開關、(m+l)通道同步數據采集器和嵌 入式處理器組成，所述的iXn光開關具有i路輸入通道和n路輸出通道， i、 n和m均為正整數，其中，任意一個所述的光同步分路器均與m路光纖 傳感通道連接，，任意一路所述的光纖傳感通道中均至少設置有一個光纖傳 感器組，任意一個所述的光纖傳感器組中均至少設置有一個光纖傳感器， 任意一個光同步分路器均至少與l個所述的參考模塊連接，任意一個光同 步分路器的輸出端均各自與所述的nX (m+l)路光電探測放大器中的一 個輸入通道連接，任意一個所述的參考模塊均與nX (m+l)路光電探測 放大器中的一個輸入通道連接，nX (m+l)路光電探測放大器的任意一個 輸出端均各自與所述的nX (m+l)選(m+l)分組切換電子開關的一個 輸入端連接，nX (m+l)選(m+l)分組切換電子開關的任意一個輸出端 均各自與所述的(m+l)通道同步數據采集器的一個輸入端連接，(m+l) 通道同步數據采集器的輸出端與所述的嵌入式處理器連接，所述的光源輸 出的光信號通過所述的i Xn光開關依次切換到n個光同步分路器，利用光 纖傳感器將各自入射光轉換成代表待測物理量的反射光或透射光并輸出到 nX (m+l)路光電探測放大器，nX (m+l)路光電探測放大器將光纖傳 感器和參考模塊各自輸出的光信號轉換為標準電壓信號，通過nX (m+l)選(m+l)分組切換電子開關將當前時刻光電探測放大器中有效的m路傳 感信號和1路參考信號接入到(m+l)通道同步數據采集器，利用(m+l) 通道同步數據采集器完成模/數轉換，(m+l)通道同步數據采集器輸出的數 字信號送入嵌入式處理器，嵌入式處理器經過計算得到對應的光纖傳感器 的實際測量值，嵌入式處理器控制iXn光開關和nX (m+l)選(m+l) 分組切換電子開關的同步切換，依次實現對任意一個光纖傳感器組和參考 模塊的輸出光信號的探測、分析處理。
進一步的，所述的光源由i個調制光源和非調制光源構成，或者，光 源由i個調制光源或非調制光源構成，任意一個光源各自均各自連接到i Xn光開關的i個輸入端。
進一步的，所述的非調制光源是ASE、或者FP激光器、或者SLED，所 述的調制光源是波長調制或時序調制型光源。
進一步的，利用i Xn光開關實現i個光源到n個光同步分路器之間的 可選切換。
進一步的，nX (m+l)路光電探測放大器和nX (m+l)選(m+l)分 組切換電子開關連接，將n個光纖傳感器組和參考模塊的光電轉換信號分 時依次切換，送給(m+l)通道同步數據采集器和嵌入式處理器，任意一個 光纖傳感器和參考模塊均按照波分復用、時分復用的串接方式，或并接方 式，或串/并混合方式連接在m根光纖上，參考模塊占用1個獨立的光纖通 道。
進一步的，任意一個光纖傳感器組和參考模塊的(m+l)路光輸入信號 均通過光源經iXn光幵關切換后輸入到光同步分路器進行IX (m+l)分光 后獲取。
迸一步的，任意一個光纖傳感器組和參考模塊的輸出光信號均經過n X (m+l)路光電探測放大器轉換為電壓輸出信號。
進一步的，所述的(m+l)通道同步數據采集器中設置有FPGA芯片，所述的FPGA芯片實現對一片以上數目的高精度模/數轉換芯片的時序控制和 數據讀取，并通過高速數據總線將所采集的數據實時傳送給嵌入式處理器。
進一步的，所述的嵌入式處理器是DSP處理器、或者A脂處理器、或 者DSP與ARM相組合的處理器結構。
進一步的，所述的嵌入式處理器通過以太網接口、或者USB接口、或 者串行通信接口與計算機或網絡處理器連接。
本發明的工作原理是光源發射出的光信號經i入n出型光開關依次 切換到n個光同步分路器，每個光同步分路器均與參考模塊和一組光纖傳 感器相連接，各光纖傳感器可串接或并接在m根光纖線路上，由光纖傳感 器將各自入射光轉換成代表待測物理量的反射光或透射光并輸出到光電探 測放大器，光電探測放大器將光纖傳感器和參考模塊各自輸出的光信號轉 換為易于采集的標準電壓信號，通過分組切換電子開關將當前時刻光電探 測放大器中有效的m路傳感信號和l路參考信號接入到(m+l)通道同步 數據采集器完成A/D轉換，輸出的數字信號通過嵌入式處理器計算分析， 得到對應光纖傳感器的實際測量值。嵌入式處理器控制光開關和分組切換 電子開關的同步切換，依次實現對每一組光纖傳感器和參考模塊的輸出光 信號探測、分析處理，從而實現大規模光纖傳感器的分組同步式分析解調。 由于光開關實現了 i個光源到n個光同步分路器之間的可選切換，因此在 單臺光纖傳感分析儀上可以實現對波長調制型、強度型調制等多種類型光 纖傳感器的信號解調以及i個光源到n組光纖傳感器的分時輸入。參考模 塊占用1個獨立的光纖通道為傳感信號的分析解調提出參考信號，也可根 據實際需要增加參考模塊所占用的光纖通道的數量，相應減少光纖傳感器 所占用的光纖通道的數量。每組光纖傳感器和參考模塊的(m+l)路光輸 入信號都是通過光源經光開關切換后輸入到光同步分路器進行1X(m+1) 分光后獲取，因此通過比對參考模塊和多路光纖傳感器輸出信號的變化， 可以有效消除光源波動的影響，獲得實時校準后的光纖傳感器準確測量值。本發明和己有技術相對比，其效果是積極和明顯的。本發明利用光開 關和多組光同步分路器、分組切換電子開關和多通道同步數據采集器的組 合，實現了分組同步式大容量光纖傳感信號解調，可以根據監測系統中所 需要使用的光纖傳感器的類型和數量，靈活配置每組同步測量通道的數量 以及光纖傳感分析儀測量通道的總數量，并在單臺分析儀上實現對光纖光 柵傳感器、光纖微機電傳感器等多種類型光纖傳感器的信號解調，也可通 過選配多組不同速率的同步數據采集器實現對各光纖傳感器的可變速率信 號解調。
圖1是本發明的分組同步式光纖傳感分析儀的結構示意圖。
圖2是本發明的分組同步式光纖傳感分析儀中的光源的示意圖。
圖3是本發明的分組同步式光纖傳感分析儀中的光同步分路器的示意圖。
圖4是本發明的分組同步式光纖傳感分析儀的一個17通道24分組同 步式408通道的實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖l、圖2、圖3和圖4所示，圖中標號意義為l表示光源，2表 示波長調制光源，3表示非調制光源，4表示光隔離器，5表示i入n出型 光開關(i=l， 2，……24; n=l， 2，……24)， 6表示光同步分路器、7表 示1X (m+l)光纖耦合器，8表示1X2光纖耦合器，9表示波長參考模 塊(Etalon)， IO表示光強參考模塊(光功率監測)，ll表示nX (m+l) 通道光電探測放大器，12表示nX (m+l)選(m+l)分組切換電子開關， 13表示(m+l)通道同步數據采集器，14表示嵌入式處理器，15表示波 長型光纖傳感器，16表示強度型光纖傳感器，17表示計算機。
在本發明的實施例中，共計有(17X24) g卩408個光纖傳感器測量通 道，其中，通道1 391為波長解調通道，適用于對波長調制型光纖傳感(如光纖光柵傳感器等)進行信號解調，共分為23組，每組17路光纖傳
感信號可實現同步采集；通道392 408為光強度解調通道，適用于對光強 度調制型光纖傳感器(如光纖微機電加速度傳感器、光纖微機電溫度傳感 器、半導體吸收式光纖溫度傳感器等)進行信號解調，共為一組，可實現 同步采集。
分組同步式408通道光纖傳感分析儀主要包括波長調制光源2，非調 制光源3，光隔離器4， 2入24出光開關5， 1X18光纖耦合器7， 1X2光 纖耦合器8，波長參考模塊(Etalon) 9，光強參考模塊(光功率監測)10， 432通道光電探測放大器(其中，408通道用于光纖傳感器返回的光信號探 測，其余24通道用于對參考模塊返回的光信號探測)11， 432選18分組 切換電子開關12， 18通道同歩數據采集器13，嵌入式處理器14和計算機 17。
用于對波長型光纖傳感器15 (如光纖光柵溫度、應變、壓力等傳感器) 信號解調時，2入24出光開關5將波長調制光源2切換到第一個光同步分 路器6，由第一個光同步分路器6完成對通道1—CH1 1_CH17串接的各光纖 傳感器15和參考通道l一Ref串接的波長參考模塊9的輸入光源激勵并將各 光纖傳感器15反射回的光信號和波長參考模塊9透射回的光信號送入432 通道光電探測放大器11其中的18路，然后由432選18分組切換電子開關 12將這18路有效信號選通傳送給18路同步數據采集器13，最終由嵌入式 處理器14從18路同步數據采集器13中讀取A/D轉換后的光譜數據并通過 將17路光纖傳感信號與波長參考通道進行逐一比對運算，獲得光纖傳感分 析儀第1 17通道所串接的各光纖傳感器的實際測量值，并通過標準通信接 口將數據上傳給計算機17進行顯示、存儲及后續分析。
用于對強度型光纖傳感器16 (如光纖微機電加速度、溫度、電流等傳 感器)信號解調時，2入24出光開關5將非調制光源3切換到最后一個光 同步分路器6，由最后一個光同步分路器6完成對通道24_CH1 24—CH17串接的各光纖傳感器16和參考通道1—Ref串接的光強參考模塊10的輸入光 源激勵并將各光纖傳感器16反射回的光信號和光強參考模塊10透射回的 光信號送入432通道光電探測放大器11其中的18路，然后由432選18 分組切換電子開關12將這18路有效信號選通傳送給18路同步數據采集器 13，最終由嵌入式處理器14從18路同步數據采集器13中讀取A/D轉換后 的光譜數據并通過將17路光纖傳感信號與波長參考通道進行逐一比例運 算，獲得光纖傳感分析儀第392 408通道所串接的各光纖傳感器16的實際 測量值，并通過標準通信接口將數據上傳給計算機17進行顯示、存儲及后 續分析。
通過嵌入式處理器14對2入24出光開關5及432選18分組切換電子 開關12的同步切換控制，可依次實現對光纖傳感分析儀其他通道進行分組 輪詢解調，從而實現對24組、每組17個通道的交替測量。
權利要求
1.一種分組同步式光纖傳感分析儀，由光源、i×n光開關、n個光同步分路器、至少1個參考模塊、n×(m+1)路光電探測放大器、n×(m+1)選(m+1)分組切換電子開關、(m+1)通道同步數據采集器和嵌入式處理器組成，所述的i×n光開關具有i路輸入通道和n路輸出通道，i、n和m均為正整數，其特征在于任意一個所述的光同步分路器均與m路光纖傳感通道連接，任意一路所述的光纖傳感通道中均至少設置有一個光纖傳感器組，任意一個所述的光纖傳感器組中均至少設置有一個光纖傳感器，任意一個光同步分路器均至少與1個所述的參考模塊連接，任意一個光同步分路器的輸出端均各自與所述的n×(m+1)路光電探測放大器中的一個輸入通道連接，任意一個所述的參考模塊均與n×(m+1)路光電探測放大器中的一個輸入通道連接，n×(m+1)路光電探測放大器的任意一個輸出端均各自與所述的n×(m+1)選(m+1)分組切換電子開關的一個輸入端連接，n×(m+1)選(m+1)分組切換電子開關的任意一個輸出端均各自與所述的(m+1)通道同步數據采集器的一個輸入端連接，(m+1)通道同步數據采集器的輸出端與所述的嵌入式處理器連接，所述的光源輸出的光信號通過所述的i×n光開關依次切換到n個光同步分路器，利用光纖傳感器將各自入射光轉換成代表待測物理量的反射光或透射光并輸出到n×(m+1)路光電探測放大器，n×(m+1)路光電探測放大器將光纖傳感器和參考模塊各自輸出的光信號轉換為標準電壓信號，通過n×(m+1)選(m+1)分組切換電子開關將當前時刻光電探測放大器中有效的m路傳感信號和1路參考信號接入到(m+1)通道同步數據采集器，利用(m+1)通道同步數據采集器完成模/數轉換，(m+1)通道同步數據采集器輸出的數字信號送入嵌入式處理器，嵌入式處理器經過計算得到對應的光纖傳感器的實際測量值，嵌入式處理器控制i×n光開關和n×(m+1)選(m+1)分組切換電子開關的同步切換，依次實現對任意一個光纖傳感器組和參考模塊的輸出光信號的探測、分析處理。
2. 如權利要求l所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于所述的 光源由i個調制光源和非調制光源構成，或者，光源由i個調制光源或非調制光源構成，任意一個光源均各自連接到iXn光開關的i個輸入丄山順。
3. 如權利要求2所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于所述的非調制光源是ASE、或者FP激光器、或者SLED，所述的調制光源是波 長調制或時序調制型光源。
4. 如權利要求l所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于利用i Xn光開關實現i個光源到n個光同步分路器之間的可選切換。
5. 如權利要求1所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于nX (m + 1)路光電探測放大器和nX (m+l)選(m+l)分組切換電子開關連接， 將n個光纖傳感器組和參考模塊的光電轉換信號分時依次切換，送給(m+l)通道同步數據采集器和嵌入式處理器，任意一個光纖傳感器組 和參考模塊均按照波分復用、時分復用的串接方式，或并接方式，或串 /并混合方式連接在m根光纖上，參考模塊占用l個獨立的光纖通道。
6. 如權利要求1所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于任意一 個光纖傳感器組和參考模塊的(m+l)路光輸入信號均通過光源經iXn 光開關切換后輸入到光同步分路器進行IX (m+l)分光后獲取。
7. 如權利要求1所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于任意一 個光纖傳感器組和參考模塊的輸出光信號均經過nX (m+l)路光電探測放大器轉換為電壓輸出信號。
8. 如權利要求1所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于所述的 (m+l)通道同步數據采集器中設置有FPGA芯片，所述的FPGA芯片實現 對一片以上數目的高精度模/數轉換芯片的時序控制和數據讀取，并通過高速數據總線將所采集的數據實時傳送給嵌入式處理器。
9. 如權利要求l所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于所述的嵌入式處理器是DSP處理器、或者ARM處理器、或者DSP與A脂相組合的處理器結構。
10. 如權利要求9所述的分組同步式光纖傳感分析儀，其特征在于所述的嵌入式處理器通過以太網接口、或者USB接口、或者串行通信接口 與計算機或網絡處理器連接。
全文摘要
一種分組同步式光纖傳感分析儀，由光源、光開關、光同步分路器、波長參考模塊、光強參考模塊、光電探測放大器、多通道同步數據采集器和嵌入式處理器組成。光源光信號經光開關依次切換到多個光同步分路器，每個光同步分路器均與參考模塊和一組光纖傳感器連接，光纖傳感器將入射光轉換成表征待測物理量的光信號并輸出到光電探測放大器。光電探測放大器將光纖傳感器和參考模塊各自輸出的光信號轉換為電壓信號，通過分組切換電子開關切換接入到多通道同步數據采集器完成模數轉換，模數轉換后的數字信號通過嵌入式處理器計算得到實際測量值。嵌入式處理器控制光開關和分組切換電子開關的同步切換，從而實現大規模光纖傳感器的分組同步式分析解調。
文檔編號G01D5/26GK101608932SQ20081003921
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月19日 優先權日2008年6月19日
發明者吳亞明, 鐘少龍 申請人:上海前所光電科技有限公司