[发明专利]光学集成化的光纤传感解调模块

说明书

本发明公开了一种光学集成化的光纤传感解调模块，其特征在于它包括光纤准直器、分光片、滤波片、参考路光电探测器、信号路光电探测器、光学基板、管脚和封装壳体，光纤准直器、分光片、滤波片、参考路光电探测器、信号路光电探测器均安装在光学基板上，并由封装壳体封装保护；参考路光电探测器、信号路光电探测器、连接管脚，管脚引出封装壳体；其中：需要检测的信号经光纤准直器准直输入，分光片呈45°布置于信号经光纤准直器的输出侧；分光片的反射侧布置参考路光电探测器，分光片的透射侧布置滤波片，滤波片的透射侧布置信号路光电探测器。本发明采用集成化模块方案后，缩减为一个器件，盘纤工时大大减小。

技术领域

本发明属于光电探测领域，尤其是一种光学集成化的光纤传感解调模块。

背景技术

风机叶片载荷监测系统是风机系统重要组成部分。传统的监测手段是电子应变片来感知测量出应变，通过电子应变仪来得到应变值。但由于电子应变片长期可靠性差，且容易受电磁干扰，无法对风机叶片载荷长期可靠测量。光纤传感技术以其抗电磁干扰能力强，长期使用稳定可靠，量程大，测量精度高等优点目前逐渐应用在风电领域。光纤传感系统主要包括光纤光栅传感器和信号解调系统两部分，光纤光栅传感器将所测物理量转化为波长信息，信号解调系统需要将波长信息解调出来。常用解调技术包括可调谐光纤FP腔滤波器法，扫描波长半导体激光器法，基于线阵CCD解调方法等。上述三种解调方法中核心器件分别为1550 nm可调光纤FP腔滤波器，1550 nm可调波长激光器，线阵InGaAs光电二极管阵列,制作工艺复杂，目前均为国外进口，器件成本高，货期长，供应链不稳定，限制了上述解调方法在风电领域的应用。边缘滤波法是一种低成本解调技术，其基本原理是利用波长漂移量和输出光强度变化量呈线性关系特性，通过测量光强变化来间接测量波长信息。用作线性滤波器的器件可以有光纤耦合器，长周期光纤光栅，镀膜滤光片等。基于光纤耦合器的线性滤波器制作工艺成熟，成本低，但其透射率-波长斜率效率低，解调精度差。

长周期光纤光栅斜率效率高，解调精度高，但长周期光纤光栅对温度及弯曲敏感，工程化难度高。镀膜滤光片通过膜层设计，可以根据需求定制滤波器中心波长和带宽，在光通信领域波分复用器件应用广泛，工艺成熟，比较适合做线性滤波器。

图1 为基于全光纤式边缘滤波传感系统图。整个系统由宽带光源，3 dB光纤耦合器，光纤光栅传感器和解调模块四部分组成。宽带光源输出宽带自发辐射光，经过3 dB光纤耦合器后，入射至光纤光栅传感器上，当传感器受到温度，振动等外界环境影响时，传感器返回微扰后的窄带光。返回光再次经过 3 dB光纤耦合器后，入射至解调模块。该解调模块由四个光纤器件组成，3 dB光纤耦合器，光纤滤波器，两个光纤式光电探测器。入射至解调模块信号光先经过3 dB光纤耦合器，一路入射至PD1探测器上，用作功率监测，消除功率抖动影响；另一路入射至光纤滤波器上，经过边缘滤波后，入射至PD2探测器上，用作信号光。整个系统定标后，可以建立波长和双路比值的函数关系，通过测量双路比值，来间接测量入射波长信息。之后，通过光纤光栅传感器波长和所测物理量函数关系，来间接测量温度，应变等外界物理量。

基于全光纤式的边缘滤波解调模块，组成器件为常用光纤器件，器件制作工艺成熟，价格低廉，但存在一些缺点：

一是实际应用中需要多路并行检测，假设所需检测路数为N，则解调模块所需无源器件达到4 N数量，以9路为例，无源器件达到36个，光纤器件熔接和盘绕会花费很多工时，从而间接增加了仪器成本；

二是全光纤器件是以准直器耦合方式制作，因此会给解调模块中引入耦合损耗，为解调模块的标定函数引入额外的系统误差；

三是由于解调模块标定函数曲线受温度影响，为了消除这项误差，需要在不同温度下标定解调模块函数曲线，由于解调模块中无源器件多，盘绕下来器件所占体积大，达到热平衡时间长，标定工时长，影响仪器生产效率；

四是由于解调仪工作温度范围大，无法对每个温度工作点都进行温度标定，因此在测量温度点中间温度状态曲线需要通过算法拟合出来，这样会给解调系统引入温度标定误差。

发明内容