一种温度自适应的FBG解调方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种温度自适应的FBG解调方法及系统，包括：基于不同VCSEL在无温控情况下所能适应的工作温度变化范围，选定满足设定要求的VCSEL；同时选取甲烷吸收峰波长和FBG波长，使得在所述设定的温度范围内，VCSEL的扫描波长范围始终覆盖FBG中心波长、因传感引入的波长变化量以及至少一个对应的甲烷吸收峰；在每一个预设的温度范围内，根据甲烷吸收峰的波长位置和FBG中心波长的位置来确定FBG中心波长值和传感后的变化量。本发明专利技术有益效果：在不使用温控装置的条件下，能够有效的测量FBG中心波长的变化值，使整个传感器测量系统满足低功耗、低成本、小型化的要求。小型化的要求。小型化的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种温度自适应的FBG解调方法及系统


[0001]本专利技术涉及光纤传感/光电检测
，尤其涉及一种温度自适应的FBG解调方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]在煤矿井下巷道顶板应力和钻孔应力的监测中，常常需要使用到传统的煤矿机械式顶板离层传感器和钻孔应力传感器，这类传感器结构简单、价格低廉，在煤矿上得到广泛应用。现有的顶板动态监测手段主要包括机械式人工监测技术和电子监测技术。但是，由于这类传感器存在测量精度低，难以实时在线监测的缺点，在实际使用时，需要专业人员定期下井做巡检和记录，这样就无法及时发现隐患，不能及时清理故障和排除危险。一般电子顶板应力和钻孔应力传感器主要是基于应变片工作原理，外界应力变化使应变片的电阻改变，通过使用电桥就可以测量由应变片电阻的改变而产生的输出电压变化，从而达到检测应力变化的目的。由于井下的工作环境是高潮湿，多粉尘，电子元件很容易受井下淋水及粉尘的影响，造成传感器使用寿命短，信号传输易受电磁干扰，容易数据误报等问题。
[0004]FBG(光纤布拉格光栅)应力传感器与传统电子传感器相比，具有不带电、本质安全、抗电磁干扰能力强、易于复用和结构简单等优点。FBG应力传感器所监测到的应力变化是通过FBG波长解调仪来解调和计算出的。在FBG解调仪中，通过检测FBG中心波长的漂移量，就可以计算被测物理量的变化。目前，已有多种FBG解调技术被广泛应用于FBG解调仪，例如边缘滤波法、可调F
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P滤波器法、干涉解调法、匹配FBG法、波长扫描激光器法等。这些方法大多使用宽谱光源或DFB光源，需要对光源进行恒温控制，从而使得整个传感系统功耗较大，生产成本高，维护难度大。
[0005]针对煤矿井下巷道温度、顶板应力监测等应用，还需要考虑FBG解调仪的防爆特性。现有技术公开了一种基于VCSEL(垂直腔面发射激光器)的FBG解调装置及工作方法，利用乙炔气体在C波段1527
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1530nm的5个吸收峰作为参考波长来测量FBG中心波长，这种方法相对于传统解调方法有效的降低了解调仪的部分功耗。一般而言，C波段VCSEL的温度/波长系数约为0.11nm/℃，由于固定使用乙炔气体在1527
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1530nm的5个吸收峰，这就意味着在使用这个光栅解调系统时，必须给激光器附加一个温度控制系统，以保证激光器扫描波长可以覆盖整个1527
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1531nm的波长范围，以便避免由于较大的环境温度变化，可能导致激光器扫描波长偏离5个乙炔吸收峰的波长范围，使解调系统无法正常工作。然而，当激光器使用了温度控制系统(TEC)，整个传感系统的功耗和成本都会相应的增加，系统结构变的复杂，特别是功耗不能达到本安的要求。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种温度自适应的FBG解调方法及系统，选用吸
收峰分布范围比较大的甲烷气体作为参考波长来解调FBG中心波长，同时通过选用和匹配VCSEL的波长扫描范围和FBG中心波长，做到在不使用温控装置的条件下，有效的测量FBG中心波长的变化值，使整个传感器测量系统满足低功耗、低成本、小型化的要求。
[0007]在一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0008]一种温度自适应的FBG解调方法，包括：
[0009]基于不同VCSEL在无温控情况下所能适应的工作温度变化范围，选定满足设定要求的VCSEL；同时选取甲烷吸收峰波长和FBG波长，使得在所述设定的温度范围内，VCSEL的扫描波长范围始终覆盖FBG中心波长、因传感引入的波长变化量以及至少一个对应的甲烷吸收峰；
[0010]在每一个预设的温度范围内，根据甲烷吸收峰的波长位置和FBG中心波长的位置来确定FBG中心波长值和传感后的变化量。
[0011]在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0012]一种温度自适应FBG解调系统，包括：
[0013]依次连接的VCSEL、光纤隔离器、光纤分路器、光纤耦合器和FBG传感器；光纤耦合器的其中一端口连接光电探测电路和模数转换器，模数转换器的输出连接微处理器，微处理器的输出端依次连接数模转换器和电流驱动电路后，连接至VCSEL；
[0014]所述光纤分路器具有一个输入端口和八个输出端口，所述输出端口一路光纤经过耦合器直接输往光电探测器；一路光纤经过耦合器和用于波长校准的参考气室后输往光电探测器；八路光纤经过耦合器后输入FBG传感器，经传感FBG反射后输往光电探测器；
[0015]采用上述的温度自适应的FBG解调方法，所述微处理器接收环境温度和压力测量数据，通过锯齿波电流驱动电路驱动VCSEL，并根据VCSEL内部热敏电阻测量的当前VCSEL温度和驱动电流的变化值，确定VCSEL的驱动电流对应的波长范围，形成周期性波长扫描；
[0016]根据VCSEL工作温度范围内的甲烷吸收峰位置，调整VCSEL波长的扫描范围，使之覆盖至少一个甲烷吸收峰波长。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018](1)本专利技术选用吸收峰分布范围比较大的甲烷气体作为参考波长来解调FBG中心波长，同时通过选用和匹配VCSEL的波长扫描范围和FBG中心波长，做到在不使用温控装置的条件下，有效的测量FBG中心波长的变化值，使整个传感器测量系统满足低功耗、低成本、小型化的要求。
[0019](2)由于整个测量系统的功耗很低，该系统可以用电池驱动运行，加上无线传输模块，就可以做成一个无线传感网的移动传感器节点，极大的增加了传感器的实用性和灵活性。采用该方案不仅降低了系统功耗和解调装置成本，而且减少了体积，使该装置不但满足本安要求，而且便于施工安装，同时也可解决煤矿井下取电难的问题。
[0020](3)本专利技术方法不需要激光器温控装置，可以在不同的工作温度下，通过动态的选择当时温度下VCSEL可以扫描到的1到2个吸收峰进行参考和补偿，使VCSEL在特定范围内正常工作。这种低功耗、温度自适应的FBG解调方法及系统特别适用于煤矿井下巷道中用FBG作为测量、监测温度、顶板应力、钻孔应力等物理量传感器的信号解调。
[0021]本专利技术的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
[0022]图1(a)
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(b)分别为本专利技术实施例中确定使用的VCSEL的波长值与甲烷吸收峰的相对应关系及FBG有效工作区域示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例中用于煤矿应力监测的低功耗、温度自适应的FBG解调装置示意图；
[0024]其中，1.VCSEL、2.光纤隔离器、3.光纤分路器、4.第一光纤耦合器、5.第二光纤耦合器、6.参考气室、7.光电探测器、8.线性跨阻放大器、9.模数转换器、10.微处理器、11.数模转换器、12.电流驱动电路、13.通信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度自适应的FBG解调方法，其特征在于，包括：基于不同VCSEL在无温控情况下所能适应的工作温度变化范围，选定满足设定要求的VCSEL；同时选取甲烷吸收峰波长和FBG波长，使得在所述设定的温度范围内，VCSEL的扫描波长范围始终覆盖FBG中心波长、因传感引入的波长变化量以及至少一个对应的甲烷吸收峰；在每一个预设的温度范围内，根据甲烷吸收峰的波长位置和FBG中心波长的位置来确定FBG中心波长值和传感后的变化量。2.如权利要求1所述的一种温度自适应的FBG解调方法，其特征在于，还包括：采用VCSEL波长扫描范围内的甲烷吸收峰波长作为固定波长参考点，利用固定的甲烷吸收峰波长纠正VCSEL内部热敏电阻与VCSEL芯片位置不同导致的测量温度偏差，以准确测量FBG峰值波长及其变化值。3.如权利要求1所述的一种温度自适应的FBG解调方法，其特征在于，确定不同VCSEL在无温控情况下所能适应的工作温度变化范围，具体包括：通过实验确定VCSEL波长变化与温度变化在中心波长电流处的关系，VCSEL波长变化与驱动电流变化的关系，在设定温度变化范围内VCSEL输出功率和驱动电流变化的关系，以及VCSEL的最大驱动电流范围；确定VCSEL在不同的工作温度下的波长扫描范围，进而确定实现VCSEL无温控的最大扫描波长和最小扫描波长；最终确定不同VCSEL在无温控情况下所能适应的工作温度变化范围。4.如权利要求1所述的一种温度自适应的FBG解调方法，其特征在于，选定满足设定要求的VCSEL，具体包括：在设定的工作温度范围0
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40℃内，VCSEL在最低温度时的最短波长到VCSEL在最高温度时的最长波长，能够覆盖在设定的波段范围内；同时在0
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20℃和20
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40℃的每一个温度范围下的VCSEL扫描波长范围内都存在至少一个对应的甲烷吸收峰。5.如权利要求1所述的一种温度自适应的FBG解调方法，其特征在于，在0
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20℃和20
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40℃的每一个温度范围内，VCSEL波长的扫描范围覆盖1
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2个甲烷吸收峰，根据甲烷吸收峰的波长位置和FBG中心波长的位置来确定FBG中心波长值和传感后的变化量；具体包括：当一个VCSEL波长扫描范围内存在两个甲烷吸收峰时，利用这两个甲烷吸收峰的已知波长值，计算出每两个扫描采样点之间所代表的对应波长变化值；基于测量FBG峰值时对应的采样点位置，其中一个甲烷吸收峰的已知波长值以及每两个扫描采样点之间所代表的对应波长变化值，得到FBG峰值对应的波长值。6.如权利要求1所述的一种温度自适应的FBG解调方法，其特征在于，在每一个预设的温度范围内，VCSEL波长的扫描范围覆盖1个或2个甲烷吸收峰，根据甲烷吸收峰的波长位置和FBG中心波长的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青山，刘统玉，宁雅农，金光贤，李德虎，吕淑惠，张伟，姜大明，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：