光开关在光纤光栅压力传感解调系统中的应用

赵亚丽

（承德石油高等专科学校，河北承德，067000）

光开关在光纤光栅压力传感解调系统中的应用

赵亚丽

（承德石油高等专科学校，河北承德，067000）

讨论了1×8移动光纤式光开关及其控制程序，通过控制步进电机的微位移实现多个通道之间的切换。将该光开关应用到光纤光栅压力传感解调系统中，控制其分时接通解调器件DWDM的各个通道和光电探测系统，只需一个光电探测器就可完成原本需要多个探测器的探测工作，大大简化了解调系统结构，提高了系统总体性能。

光开关；单片机；压力传感器；解调

0　引言

光纤光栅压力传感器测量精度较高、抗干扰能力强，在石油石化、建筑等众多工程测量领域有广泛应用。国内外的专家学者们已经提出了基于F-P腔、滤波器、波分复用器、匹配光纤光栅等器件的解调系统，但是现有系统大多数采用多个光电探测器检测输出信号，结构比较复杂，成本较高。本文在分析现有解调系统的基础上提出了将光开关用于光纤光栅压力传感解调系统中，通过单片机控制1×8光开关的光路切换来简化解调系统的结构，利用一个光开关和一个光电探测器实现解调工具DWDM的8通道数据测量，降低了系统成本，提高了探测系统的利用率。

1　DWDM（密集波分复用器）解调原理

研究人员发现光纤光栅的反射窄带光谱具有一定的宽度，当其入射到相邻通道间隔很小的8通道密集波分复用器时，某一通道就会出现主最大输出功率，其相邻通道会出现次最大、 再次最大强度，而那些远离的通道也会有一定的强度输出，由输出的光功率值我们可以得到反射光谱的包络曲线。同时，由于光纤光栅压力传感器的FBG光谱中心波长会随着压力的改变而产生移动，DWDM各通道的光功率输出值也会随着发生改变，因此我们借助压力校验台获取不同压力下DWDM各通道的光功率，结合波长解调算法实现对光纤光栅压力传感器的解调。

2　光开关技术

2.1光开关的设计

光开关是一种无源器件，通过控制其端口可以实现光路的导通和关闭，是组建全光网络的关键器件之一，按照其工作原理可以分为机械式和波导式。机械式光开关依靠移动光纤或光纤元件来改变光路。波导式则是靠电光效应、磁光效应和热光效应等改变波导折射率来改变光路。目前国内比较成熟的是机械式光开关，它具有插入损耗低、隔离度高、不受偏振和波长的影响等优点。为了降低成本，本文采用了如图1所示的移动光纤式机械光开关。

图1　移动光纤式机械光开关

该光开关由输出光纤（可动）、输入光纤（固定）、步进电机和光纤准直器等组成。上位机驱动步进电机移动，可动光纤随之产生微位移，当移动至与某一输入光纤光轴同一轴向位置时，输入光纤和输出光纤的光纤准直器对准，完成光路的耦合与切换。

2.2光开关的控制

光开关通道切换的关键在于对步进电机的精确控制，我们采用单片机控制步进电机。每输入一个脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械产生一个微位移［5-6］。我们选择L298N芯片作为步进电机的驱动芯片，由单片机ATmega128控制PWM信号的产生和细分，其控制程序主要包括主程序和中断程序，工作流程如图2所示，其中主程序控制单片机端口、寄存器以及电机细分表的初始化，中断程序完成电机转动角度的细分和保护。

图2　光开关控制程序流程图

2.3光开关在光纤光栅压力传感解调系统中的应用

将光开关的8个光纤输入端分别与DWDM的8通道相连，驱动步进电机移动，输出光纤会随之移动，接通DWDM的不同通道，系统结构如图3所示。

图3　解调系统结构图

光源的光经光纤光栅反射后进入DWDM，上位机通过控制电机带动输出光纤移动进行光路切换，控制光开关分时接通DWDM的8个输出通道与光电探测系统，得到这束光线在8个通道的输出功率值，将所测数据送入计算机进行数据处理和显示，配合波长解调算法即可得出被测中心波长。该系统的优势在于用一个光开关和一个光电探测模块即可实现多通道光纤光栅压力传感系统的波长解调，配合相应软件还可定位显示出当前测量通道位置。

3　实验与分析

将光纤光栅压力传感器置于压力校验台上，压力从0MPa开始逐渐增加至6MPa，采用图3中的系统进行实验，测得其压力和被测中心波长的关系如图4所示，图中直线表明二者线性关系良好，光开关的嵌入了有效简化了解调系统结构，提升了系统的总体性能。

4　结论

将光开关嵌入光纤光栅压力传感解调系统，简化了解调系统的整体结构，降低了成本，有良好的市场应用前景。但是机械式光开关的回波损耗较大，且非相邻通道间的切换延时较长，对系统的解调精度和速度有一定的影响，且不利于小型化，可考虑采用微电子机械光开关进行进一步实验。

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［2］蔡江江.基于可光纤布拉格光栅解调系统和传感新方法的研究［D］：硕士学位论文.南京大学，2013.5.

［3］王辉，杨洋，刘兵.基于密集波分复用器的光纤光栅压力传感器解调方法［J］. 激光与光电子学进展，042803（2016）

［4］施维，朱萍玉，许沛胜等.光开关端口独立驱动控制器设计［J］.国外电子测量技术，2015.34（1）：56-59

［5］蒋芬良，陈春明，刘武等.实用化多通道单模光开关的研究［J］.光通信技术，2000.1：58-60

［6］何帅，高晓蓉，王黎等.基于 ATmega128 的步进电机细分驱动技术［J］.微计算机信息，2010.26（5-2）：90-92

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

图4压力-波长关系图

河北省教育厅青年基金项目《基于DWDM的光纤光栅压力传感解调系统的研究》；

项目编号：QN2016216。

赵亚丽：（1982-）汉，河北保定，硕士，讲师，研究方向为光电检测与光纤传感技术。