基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统，包括DFB激光器、温度控制器、驱动电路、耦合器、光纤光栅温度传感器、光电转换放大器、数据采集器和STM32主控板；所述温度控制器的输出端和驱动电路的输出端与激光器相连，DFB激光器的发射端与耦合器的输入端相连，并通过耦合器将激光入射到光纤光栅上，满足布拉格条件的入射光通过耦合器进入光电转换放大器中，光电转换放大器的输出端与主控板相连。本实用新型专利技术提供了一种电力设备温度检测装置，用光纤光栅检测温度，克服了传统测温容易受到电磁干扰的问题，且测量精度高；另外光纤光栅测温系统可通过复用技术实现分布式测量，降低系统复杂性，且成本低、可靠性高。

Demodulating fiber Bragg grating temperature measurement system based on narrow band laser

【技术实现步骤摘要】
基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统
本技术属于温度测量

技术介绍
随着城市电网中电力电缆，变压器等电力设备所占份额越来越大，电力设施负载的电压和电流也不断提高，这必然会增大电力设备运行时的温度，甚至超过极限温度，极易引起设备短路、断路等故障，甚至爆炸引发重大火灾事故。因此，如何对电力系统的温度在线监测，以及第一时间发现和消除隐患是非常重要的。目前，国内大部分电力设备都是基于传统电信号传感器的测温系统，而传统的电传感器极易受到电磁干扰，且很多地方环境非常恶劣，这就要求温度测量设施有着良好的绝缘特性、有很高的抗干扰能力、检测范围大、使用寿命长、不带电、不受电力设备的电磁干扰、安装灵活且方便、成本低，并能通过复用技术进行分布式组网进行温度测量。利用光纤光栅对温度的敏感特性所设计的各种测温系统，其光纤光栅信号解调技术是光纤光栅测温领域的关键，而解调就是通监测光信号波长的变化从而间接获取被测的温度信号。目前，光纤光栅测温的解调技术有很多种：（1）光谱仪监测法，是将光栅发射回的光信号接入光谱仪从而通过光谱获取被测信息，但其解调分辨率不高，价格昂贵，且不易携带；（2）可调谐F-P腔滤波器解调法，通过控制PZT的电压值控制F-P腔的光波长，当光栅中心波长与F-P腔透射的波长相同时，此时PZT对应的电压值即为光纤光栅的中心波长，但高精度的F-P腔滤波器价格昂贵且滤波损耗较大；（3）匹配光纤光栅解调法，将宽带光源的光送入传感光栅，再经过一支与传感光栅参数一样的匹配光栅，当二者的光谱重合时，匹配的反射光最强；但如果传感光栅的波长因外界因素发生漂移，它的光谱重合部分就会很小，匹配光栅的反射光强就会很小，非线性误差较大，不易解调。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术提供了一种基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统。DFB激光器即作为光源又作为解调元件，简化了光纤光栅测温系统结构。光纤光栅传感器相比于传统的温度传感器，其使用寿命长、精度高、不受电磁干扰、检测范围大、易于维护、且使用更加安全。本技术采用如下的技术方案实现：一种基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统，包括STM32主控板（8）、DFB激光器（2）、驱动模块（1）、温度控制模块（5）、耦合器（3）、FBG光纤光栅传感器（4）、光电转换放大器（6）、数据采集器（7），所述DFB激光器与温度控制模块和驱动模块连接，所述激光器的另一端与耦合器输入端连接，所述耦合器的一个输出端与光栅传感器连接，所述耦合器的另一个输出端连接在光电转换放大器的输入端，所述光电转换放大器与数据采集器相连，所述数据采集器连接主控板。利用光纤光栅对于温度的敏感性，采用分布式反馈DFB激光器作为光源，通过驱动模块和温度模块的共同控制下发出波长可调谐激光，窄带激光通过耦合器入射到FBG光纤光栅上，满足布拉格条件的光被反射回耦合器进入到光电转换放大器，光信号被转换成电信号，经滤波、放大输出给数据采集器，对所采集的数据进行信号处理，获取被测的温度信息。所述耦合器为3dB耦合器。所述光纤光栅解调方法为可调谐窄带光源解调法，通过改变窄带光源的波长使其周期性的扫描光栅，最大光强处对应着光纤光栅传感器的中心波长。所述FBG光纤光栅的中心波长范围1549.5+0.2nm。所述窄带光源由驱动模块、温度控制模块和DFB激光器组成。所述DFB激光器采用14脚蝶形封装，中心波长1550.00+0.4nm(25℃)。所述驱动模块采用LM317集成电路。所述温度控制模块采用由linear公司提供的DC388B温度控制器。本技术的有益效果：（1）DFB激光器与普通半导体激光器相比，具有低损耗、窄线宽、高稳定性以及波长可调谐等优点；（2）光纤光栅传感器由于其无源性、不受电磁场干扰、耐高温高湿、不受化学腐蚀、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点，特别适合在易燃、易爆和强电磁等恶劣环境下使用，可以很好的应用在电力设备温度测量；（3）温度信号通过光信号传输，性能稳定可靠，测量精度和分辨率高，温度测量精度可以达到0.1℃；（4）窄带光源扫描法具有极大的信噪比和较高的分辨率；（5）可通过复用技术将多个温度传感器串结，以实现分布式测温网络。附图说明图1为本技术的示意图；图中：1-驱动模块，2-DFB激光器，3-耦合器，4-FBG光纤光栅传感器，5-温度控制模块，6-光电转换放大器，7-数据采集器，8-STM32主控板。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步地说明。如图1所示，一种基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统，主要包括STM32主控板（8）、DFB激光器（2）、驱动模块（1）、温度控制模块（5）、耦合器（3）、FBG光纤光栅传感器（4）、光电转换放大器（6）、数据采集器（7）；所述DFB激光器与温度控制模块和驱动模块连接，所述DFB激光器的另一端与耦合器输入端连接，所述耦合器的另一端与光栅传感器连接，所述耦合器的输出端连接在光电转换放大器的输入端，所述光电转换放大器与数据采集器相连，所述数据采集器连接主控板；所述耦合器为3dB耦合器；所述窄带光源由驱动模块、温度控制模块和DFB激光器组成；所述驱动模块采用LM317集成电路；所述温度控制模块采用由linear公司提供的DC388B温度控制器；所述DFB激光器采用14脚蝶形封装，中心波长1550.00+0.4nm(25℃)；FBG光纤光栅的中心波长范围1549.5+0.2nm。该系统结构分为以下三个部分，光纤光栅传感器部分，DFB激光器解调部分以及STM32主控系统部分。激光器在驱动电路和温度控制器的作用下发出波长可调谐激光，窄带激光通过耦合器入射到FBG光纤光栅上，FBG光栅本质上是一个光学滤波器，满足布拉格条件的入射光被反射通过耦合器进入光电转换放大器中，光电转换放大器将光信号转换为电信号，进入STM32主控板中，同时主控板产生的三角波对温度控制器的参考电压进行数字量的调节，控制激光器对FBG光栅进行扫描，并执行寻峰算法，获取与温度实时对应的FBG中心波长，当捕捉到FBG中心波长的峰值时，采集中心波长并进行数据运算，这样就可以完成整个系统的测试和温度的监测。DFB激光器解调部分，该系统采用分布反馈式窄带激光器作为整个系统的光源部分，分布反馈式激光器最大的优势是单色性非常好，也就是它的光谱非常纯净，并且具有较高的边模抑制比，在该系统中应用的是中心波长为1550.17nm（在测试温度为28ºC条件下）的DFB窄带激光器，输出电流在80mA，性能非常良好。驱动电路部分采用LM317构成的恒流驱动，同时设计有保护电路以防止输出电压大于2v，避免尖峰电流或者尖峰电压对激光器产生损坏。光纤光栅传感器部分，利用FBG对于温度的敏感性，可将温度的变化信息调制到FBG光纤光栅波长信息的变化当中；由于DFB激光器波长可调谐，驱动电路提供的参考电压与DFB激光器波长一一对应，可利用FBG光纤光栅中心波长与温度之间的线性关系，通过寻峰算法确定DFB激光器的中心波长即此时FBG光纤光栅的中心波长，通过FBG中心波长与温度的线性关系可得到当前的温度信息。STM32主控系统部分，利用其硬件电路及算法产生1V~2V的三角波，从而对激光器温控电路进行数字量的调节，产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统，其特征在于，包括FBG光纤光栅传感器（4）、DFB激光器（2）、温度控制模块（5）、驱动模块（1）、耦合器（3）、光电转换放大器（6）、数据采集器（7）和STM32主控板（8）；所述的温度控制器和驱动电路的输出端与激光器相连，DFB激光器的发射端与耦合器的输入端相连，耦合器的一个输出端与光纤光栅传感器相连，耦合器的另一输出端与光电转换放大器的信号输入端相连，光电转换放大器的输出端连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接到主控板上；利用光纤光栅对于温度的敏感性，采用分布式反馈DFB激光器作为光源和解调装置，在驱动模块和温度模块的共同控制下发出可调谐激光，窄带激光通过耦合器入射到FBG光纤光栅上，满足布拉格条件的光被反射回耦合器进入到光电转换放大器，光信号被转换成电信号，经滤波、放大输出给数据采集器，数据采集器对所采集的数据进行信号处理，获取被测的温度信息。

【技术特征摘要】
1.基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统，其特征在于，包括FBG光纤光栅传感器（4）、DFB激光器（2）、温度控制模块（5）、驱动模块（1）、耦合器（3）、光电转换放大器（6）、数据采集器（7）和STM32主控板（8）；所述的温度控制器和驱动电路的输出端与激光器相连，DFB激光器的发射端与耦合器的输入端相连，耦合器的一个输出端与光纤光栅传感器相连，耦合器的另一输出端与光电转换放大器的信号输入端相连，光电转换放大器的输出端连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接到主控板上；利用光纤光栅对于温度的敏感性，采用分布式反馈DFB激光器作为光源和解调装置，在驱动模块和温度模块的共同控制下发出可调谐激光，窄带激光通过耦合器入射到FBG光纤光栅上，满足布拉格条件的光被反射回耦合器进入到光电转换放大器，光信号被转换成电信号，经滤波、放大输出给数据采集器，数据采集器对所采集的数据进行信号处理，获取被测的温度信息。2.根据权利要求1所述的基于窄带激光器解调光纤光栅测温系统，其特征在于所述耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，程武林，谭婕妤，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23