光開關(guān)在光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙亞麗

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德，067000）

光開關(guān)在光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙亞麗

（承德石油高等專科學(xué)校，河北承德，067000）

討論了1×8移動光纖式光開關(guān)及其控制程序，通過控制步進電機的微位移實現(xiàn)多個通道之間的切換。將該光開關(guān)應(yīng)用到光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)中，控制其分時接通解調(diào)器件DWDM的各個通道和光電探測系統(tǒng)，只需一個光電探測器就可完成原本需要多個探測器的探測工作，大大簡化了解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)總體性能。

光開關(guān)；單片機；壓力傳感器；解調(diào)

0　引言

光纖光柵壓力傳感器測量精度較高、抗干擾能力強，在石油石化、建筑等眾多工程測量領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外的專家學(xué)者們已經(jīng)提出了基于F-P腔、濾波器、波分復(fù)用器、匹配光纖光柵等器件的解調(diào)系統(tǒng)，但是現(xiàn)有系統(tǒng)大多數(shù)采用多個光電探測器檢測輸出信號，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。本文在分析現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了將光開關(guān)用于光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)中，通過單片機控制1×8光開關(guān)的光路切換來簡化解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用一個光開關(guān)和一個光電探測器實現(xiàn)解調(diào)工具DWDM的8通道數(shù)據(jù)測量，降低了系統(tǒng)成本，提高了探測系統(tǒng)的利用率。

1　DWDM（密集波分復(fù)用器）解調(diào)原理

研究人員發(fā)現(xiàn)光纖光柵的反射窄帶光譜具有一定的寬度，當(dāng)其入射到相鄰?fù)ǖ篱g隔很小的8通道密集波分復(fù)用器時，某一通道就會出現(xiàn)主最大輸出功率，其相鄰?fù)ǖ罆霈F(xiàn)次最大、 再次最大強度，而那些遠離的通道也會有一定的強度輸出，由輸出的光功率值我們可以得到反射光譜的包絡(luò)曲線。同時，由于光纖光柵壓力傳感器的FBG光譜中心波長會隨著壓力的改變而產(chǎn)生移動，DWDM各通道的光功率輸出值也會隨著發(fā)生改變，因此我們借助壓力校驗臺獲取不同壓力下DWDM各通道的光功率，結(jié)合波長解調(diào)算法實現(xiàn)對光纖光柵壓力傳感器的解調(diào)。

2　光開關(guān)技術(shù)

2.1光開關(guān)的設(shè)計

光開關(guān)是一種無源器件，通過控制其端口可以實現(xiàn)光路的導(dǎo)通和關(guān)閉，是組建全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件之一，按照其工作原理可以分為機械式和波導(dǎo)式。機械式光開關(guān)依靠移動光纖或光纖元件來改變光路。波導(dǎo)式則是靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和熱光效應(yīng)等改變波導(dǎo)折射率來改變光路。目前國內(nèi)比較成熟的是機械式光開關(guān)，它具有插入損耗低、隔離度高、不受偏振和波長的影響等優(yōu)點。為了降低成本，本文采用了如圖1所示的移動光纖式機械光開關(guān)。

圖1　移動光纖式機械光開關(guān)

該光開關(guān)由輸出光纖（可動）、輸入光纖（固定）、步進電機和光纖準(zhǔn)直器等組成。上位機驅(qū)動步進電機移動，可動光纖隨之產(chǎn)生微位移，當(dāng)移動至與某一輸入光纖光軸同一軸向位置時，輸入光纖和輸出光纖的光纖準(zhǔn)直器對準(zhǔn)，完成光路的耦合與切換。

2.2光開關(guān)的控制

光開關(guān)通道切換的關(guān)鍵在于對步進電機的精確控制，我們采用單片機控制步進電機。每輸入一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械產(chǎn)生一個微位移［5-6］。我們選擇L298N芯片作為步進電機的驅(qū)動芯片，由單片機ATmega128控制PWM信號的產(chǎn)生和細(xì)分，其控制程序主要包括主程序和中斷程序，工作流程如圖2所示，其中主程序控制單片機端口、寄存器以及電機細(xì)分表的初始化，中斷程序完成電機轉(zhuǎn)動角度的細(xì)分和保護。

圖2　光開關(guān)控制程序流程圖

2.3光開關(guān)在光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

將光開關(guān)的8個光纖輸入端分別與DWDM的8通道相連，驅(qū)動步進電機移動，輸出光纖會隨之移動，接通DWDM的不同通道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光源的光經(jīng)光纖光柵反射后進入DWDM，上位機通過控制電機帶動輸出光纖移動進行光路切換，控制光開關(guān)分時接通DWDM的8個輸出通道與光電探測系統(tǒng)，得到這束光線在8個通道的輸出功率值，將所測數(shù)據(jù)送入計算機進行數(shù)據(jù)處理和顯示，配合波長解調(diào)算法即可得出被測中心波長。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于用一個光開關(guān)和一個光電探測模塊即可實現(xiàn)多通道光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)的波長解調(diào)，配合相應(yīng)軟件還可定位顯示出當(dāng)前測量通道位置。

3　實驗與分析

將光纖光柵壓力傳感器置于壓力校驗臺上，壓力從0MPa開始逐漸增加至6MPa，采用圖3中的系統(tǒng)進行實驗，測得其壓力和被測中心波長的關(guān)系如圖4所示，圖中直線表明二者線性關(guān)系良好，光開關(guān)的嵌入了有效簡化了解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升了系統(tǒng)的總體性能。

4　結(jié)論

將光開關(guān)嵌入光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)，簡化了解調(diào)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，降低了成本，有良好的市場應(yīng)用前景。但是機械式光開關(guān)的回波損耗較大，且非相鄰?fù)ǖ篱g的切換延時較長，對系統(tǒng)的解調(diào)精度和速度有一定的影響，且不利于小型化，可考慮采用微電子機械光開關(guān)進行進一步實驗。

［1］柏俊杰，王立新，冉昌艷等.基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)和標(biāo)定［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006.3：10-14.

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Application of Optical Switch in Fiber Bragg Grating Pressure Sensing Demodulation System

Zhao Yali
（ChengDe Petroleum College HeBei ChengDe，067000）

1×8 mobile fiber optical switch and its control program were discussed. Switching between multiple channels can b realized by controlling the micro displacement of the stepper motor. The optical switch is applied to the fiber Bragg grating pressure sensing demodulation system. Controlling the optical switch connecting each channel of DWDM and photoelectric detector can greatly simplify the structure and improve the overall performance of the system or only one photo detector is used instead of multiple detectors.

optical switch；single chip； pressure sensor；demodulation

圖4壓力-波長關(guān)系圖

河北省教育廳青年基金項目《基于DWDM的光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)的研究》；

項目編號：QN2016216。

趙亞麗：（1982-）漢，河北保定，碩士，講師，研究方向為光電檢測與光纖傳感技術(shù)。