專利名稱：消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵傳感、光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，用于測(cè)量外界的應(yīng)變和溫度，也可以將其他物理量的變化轉(zhuǎn)換為溫度或應(yīng)變的變化后再用此系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。
背景技術(shù)：
光纖光柵作為一種新型的光學(xué)器件，是在光纖中建立起一種空間折射率周期分布，使在其中光的傳播特性得以改變。當(dāng)寬帶光源入射到光纖布拉格光柵(FBG)中時(shí)，其反射光的中心波長(zhǎng)λB由布拉格方程給出λB＝2nΛ其中，n為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期。
當(dāng)FBG所處環(huán)境的溫度和應(yīng)變等物理量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光柵折射率和周期的變化，從而導(dǎo)致λB的變化，測(cè)出ΔλB即可以得出待測(cè)物理量的變化情況，因此，F(xiàn)BG被廣泛用于測(cè)量溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、壓力、壓強(qiáng)和位移等物理量。ΔλB在一定范圍內(nèi)與待測(cè)物理量的變化量成線性關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度變化量為ΔT時(shí)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)漂移量ΔλBT可以表示為ΔλBT＝λB(α+ξ)ΔT其中α和ξ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。對(duì)于普通石英光纖，在1550nm時(shí)，波長(zhǎng)隨溫度變化的靈敏度系數(shù)約為13pm/℃。
當(dāng)FBG受縱向應(yīng)變?yōu)棣う艜r(shí)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)漂移量ΔλBS可以表示為ΔλBS=λB{1-n22[ρ12-v(ρ11-ρ12)]}Δϵ]]>其中，ρ11和ρ12為光纖的應(yīng)力張量元，ν為泊松比。對(duì)于普通石英光纖，在1550nm時(shí)，波長(zhǎng)隨應(yīng)變變化的靈敏度系數(shù)約為1.15pm/με。
在FBG傳感技術(shù)中，由于被測(cè)信號(hào)是波長(zhǎng)編碼的，如何簡(jiǎn)單、快速、精確的將微小的波長(zhǎng)移動(dòng)量精確的解調(diào)出來(lái)，是FBG傳感器系統(tǒng)中至關(guān)重要的問(wèn)題。最直接的測(cè)量波長(zhǎng)變化量的方法就是利用光譜儀，然而光譜儀價(jià)格高、精度低、體積大，不適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。為了解決此問(wèn)題，研究人員相繼開(kāi)發(fā)了一些波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)，主要有一下幾種(1)干涉解調(diào)技術(shù)Kersey等人在1992年提出用非平衡Mach-Zehnder干涉的方法來(lái)解調(diào)光纖光柵傳感的信號(hào)，干涉儀的相位與光柵的應(yīng)變或溫度成正比，測(cè)量干涉儀的相位變化，即可得知光柵的應(yīng)變或溫度。
(2)可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)利用線寬小于FBG帶寬、輸出波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的激光器作為光源，通過(guò)調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行光譜掃描。當(dāng)激光器的輸出波長(zhǎng)與FBG的中心波長(zhǎng)重合時(shí)獲得最大的輸出光強(qiáng)，此時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)即可唯一確定，通過(guò)與FBG初始波長(zhǎng)的比較即可獲得ΔλB。
(3)線性邊緣濾波解調(diào)技術(shù)采用寬帶光源作為測(cè)試光源，F(xiàn)BG的反射信號(hào)經(jīng)過(guò)一線寬較寬、透過(guò)率線性變化的濾波器，透過(guò)信號(hào)的強(qiáng)度隨FBG中心波長(zhǎng)的變化而變化，測(cè)量該信號(hào)的強(qiáng)度，就可以獲得FBG的中心波長(zhǎng)。
(4)可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)采用寬帶光源作為測(cè)試光源，用一個(gè)可調(diào)諧濾波器(反射或透射)作為解調(diào)元件，光源發(fā)出的光經(jīng)FBG反射后直接進(jìn)入可調(diào)諧濾波器，調(diào)節(jié)濾波器的中心波長(zhǎng)使得反射(或透射)的光強(qiáng)達(dá)到最大，此時(shí)可調(diào)諧濾波器的中心波長(zhǎng)即為FBG的中心波長(zhǎng)，通過(guò)與FBG初始波長(zhǎng)的比較即可獲得ΔλB。
在上述解調(diào)方法中，干涉解調(diào)技術(shù)測(cè)量精度很高，但是其測(cè)量的是相對(duì)值，且測(cè)量范圍受限于干涉儀的自由光譜范圍；可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)信號(hào)檢測(cè)方便，分辨率高，但是光源難以制作，成本較高；線性邊緣濾波解調(diào)技術(shù)測(cè)試范圍與分辨率成反比，且要求濾波器的線性要非常好，斜率要非常大，難以制作；可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)解調(diào)范圍大，但是掃描周期長(zhǎng)，測(cè)試速度慢，并且重復(fù)性差。由于上述缺點(diǎn)的存在，使得波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)成為FBG傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主要障礙之一。目前市場(chǎng)出售的FBG解調(diào)儀，主要是基于掃描F-P技術(shù)和干涉掃描技術(shù)的，其制作復(fù)雜，價(jià)格相當(dāng)昂貴。除此之外，光纖光柵對(duì)應(yīng)變和溫度都很敏感，因此需要區(qū)分光纖光柵的波長(zhǎng)漂移時(shí)是由溫度還時(shí)由應(yīng)力引起的，上述方法均沒(méi)有解決FBG對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題。目前，已經(jīng)有多種應(yīng)力和溫度的區(qū)分技術(shù)，主要有以下幾種
(1)參考FBG法 當(dāng)用一個(gè)光柵傳感器S測(cè)量某結(jié)構(gòu)的應(yīng)變時(shí)，可同時(shí)用另一個(gè)傳感器T(設(shè)法保持其不受外部應(yīng)力)去測(cè)量S的溫度，ΔλS-ΔλT即為應(yīng)變所誘導(dǎo)的波長(zhǎng)改變，ΔλS和ΔλT分別指S和T傳感器上波長(zhǎng)的變化。
(2)雙波長(zhǎng)疊加FBG法在光纖的同一個(gè)位置刻寫(xiě)兩個(gè)共振波長(zhǎng)不同的光柵，若認(rèn)為共振波長(zhǎng)漂移與溫度和應(yīng)力分別呈線性關(guān)系，則可以得到一個(gè)關(guān)于應(yīng)變和溫度的二元一次方程組，通過(guò)分別對(duì)應(yīng)力和溫度的測(cè)量，可求得方程中的四個(gè)系數(shù)，進(jìn)而確定溫度和應(yīng)變。
(3)長(zhǎng)周期光纖光柵法利用FBG和長(zhǎng)周期光纖光柵(或擺動(dòng)濾波器)對(duì)溫度或應(yīng)變的不同響應(yīng)可同時(shí)測(cè)量同一點(diǎn)的溫度或應(yīng)變。
(4)雙芯徑FBG法對(duì)于相同的溫度和應(yīng)變，芯徑不同的兩個(gè)FBG的共振波長(zhǎng)漂移不同。將兩個(gè)芯徑不同的FBG續(xù)接在一起，兩個(gè)FBG的共振波長(zhǎng)可以是不同的，比如相差幾個(gè)nm，可用WDM技術(shù)將它們分開(kāi)，這樣可得到能分離溫度和應(yīng)力的一個(gè)方程組。
(5)FBG F-P腔法該結(jié)構(gòu)在其主反射帶中有兩個(gè)強(qiáng)度不同的反射峰，而且主反射光譜的峰值波長(zhǎng)位置能很好地隨應(yīng)力或溫度線性變化。通過(guò)測(cè)量反射光的峰值波長(zhǎng)漂移和強(qiáng)度的變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有成本低、快速、簡(jiǎn)捷、實(shí)用的的特點(diǎn)，能克服現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，并且可以解決光纖布拉格光柵(FBG)對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題，推動(dòng)FBG傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
一種消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一寬帶光源，由該寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)第一分束器的一分路端傳輸至傳感光柵發(fā)生反射，該傳感光柵反射回來(lái)的光經(jīng)第一分束器的另一分路端進(jìn)入第二分束器，后分成兩束，分別與耦合器的一輸入端和第三分束器的輸入端相連，所述的耦合器的一輸出端與第一探測(cè)器相連，另一輸出端與第一解調(diào)光柵相連，該第一解調(diào)光柵反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)所述的耦合器由第二探測(cè)器接收；第三分束器的合路端與第二解調(diào)光柵相連，第二解調(diào)光柵反射回來(lái)的光經(jīng)第三分束器的另一個(gè)分路端后由第三探測(cè)器接收，所述的第一解調(diào)光柵被放到與傳感光柵相同的環(huán)境中，與傳感光柵同時(shí)感受環(huán)境溫度的變化，但是不受應(yīng)變的影響，第二解調(diào)光柵的中心波長(zhǎng)由波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器控制，所述的第一探測(cè)器、第二探測(cè)器、第三探測(cè)器及波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器均與計(jì)算機(jī)相連。
所述的第一解調(diào)光柵與傳感光柵采用相同的封裝材料和封裝方式，使用時(shí)置于同樣的溫度環(huán)境中。
所述的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器為溫度控制器，或應(yīng)變調(diào)諧裝置，或反射譜或透射譜近似于高斯分布的可調(diào)諧光濾波器。
所述的第一分束器、第二分束器和第三分束器束器為環(huán)形器，或2×2的耦合器。
本發(fā)明的基本原理是，采用一個(gè)傳感光柵、兩個(gè)解調(diào)光柵、四個(gè)光分路器、三個(gè)光電探測(cè)器和一個(gè)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器構(gòu)成傳感系統(tǒng)，由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)第一光分路器進(jìn)入傳感光柵，其反射光被分成兩束，一束經(jīng)過(guò)第一解調(diào)光柵后進(jìn)入第一探測(cè)器，另一束經(jīng)過(guò)第二解調(diào)后進(jìn)入第二探測(cè)器，兩個(gè)探測(cè)器的輸出值進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。第一解調(diào)光柵被放到與傳感光柵相同的環(huán)境中，與傳感光柵同時(shí)感受環(huán)境溫度的變化，但是不受應(yīng)變的影響，使第一解調(diào)光柵同時(shí)起到類似于溫度補(bǔ)償光柵的作用。這樣，第一探測(cè)器的輸出值與傳感光柵中心波長(zhǎng)的漂移量Δλ和第一解調(diào)光柵中心波長(zhǎng)的漂移量Δλ1有關(guān)，而第二探測(cè)器的輸出值只與傳感光柵中心波長(zhǎng)的漂移量Δλ有關(guān)，根據(jù)兩個(gè)探測(cè)器的輸出值就可求得Δλ和Δλ1。Δλ和Δλ1可以分別表示為Δλ＝0.78λSε+λS(α+ξ)ΔT(1)Δλ1＝λB1(α+ξ)ΔT(2)式中λ和λ1分別為傳感光柵和第一解調(diào)光柵在零應(yīng)變、常溫下的中心波長(zhǎng)，由于傳感光柵和第一解調(diào)光柵采用同樣的封裝方式，可以認(rèn)為傳感光柵的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)均與和第一解調(diào)光柵的相同，分別為α和ξ。由上兩式即可求出外界應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟茸兓喀，解決交叉敏感問(wèn)題。同時(shí)，第二解調(diào)光柵的中心波長(zhǎng)可以通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的解調(diào)范圍不受溫度變化的影響。第一探測(cè)器的輸出值用于消除光源抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)解調(diào)精度的影響。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明傳感系統(tǒng)不需要專門(mén)的波長(zhǎng)測(cè)試設(shè)備，只需要根據(jù)探測(cè)器的輸出值就可以精確的計(jì)算出傳感光柵的中心反射波長(zhǎng)，再與初始的中心反射波長(zhǎng)相比較，就可以得出中心反射波長(zhǎng)的漂移量。
(2)本發(fā)明傳感系統(tǒng)，由于將一個(gè)解調(diào)光柵同時(shí)用作溫度補(bǔ)償光柵，解決了交叉敏感問(wèn)題，同時(shí)擁有參考FBG法和匹配濾波解調(diào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，與單光柵解調(diào)相比擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，并解決了單光柵解調(diào)系統(tǒng)中的雙值問(wèn)題。
(3)本發(fā)明傳感系統(tǒng)，采用部分傳感光柵的反射光作為參考光，消除了由于光源波動(dòng)對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)造成的影響。
(4)本發(fā)明傳感系統(tǒng)，使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以使用軟件代替硬件，消除了由硬件處理數(shù)據(jù)時(shí)硬件本身引入的誤差，并且，使用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)智能控制，方便與被測(cè)物體的其它參數(shù)進(jìn)行綜合，從而對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行全面的分析。
(5)本發(fā)明傳感系統(tǒng)，除波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器以外，全部由光纖和光纖無(wú)源器件構(gòu)成，使用穩(wěn)定可靠。所有的元器件的工藝水平都已經(jīng)非常成熟，制作方便可行，便于推動(dòng)FBG傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，可以廣泛用于各種領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明光纖光柵傳感系統(tǒng)示意2為本發(fā)明光纖光柵傳感系統(tǒng)在各種條件下三個(gè)光柵的反射譜示意圖其中，(a)為室溫，(b)為環(huán)境溫度變化后，(c)為通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后；虛線為傳感光柵FBG的反射譜，曲線1’、2’分別為FBG4和FBG10的反射譜。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，主要由寬帶光源1、2×2的耦合器6、三個(gè)光分束器(第一分束器2、第二分束器5和第三分束器9)、三個(gè)光電探測(cè)器(第一光電探測(cè)器7、第二光電探測(cè)器8和第三光電探測(cè)器11)、兩個(gè)解調(diào)光纖光柵(第一解調(diào)光纖光柵4和第二解調(diào)光纖光柵10)、波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器12、計(jì)算機(jī)13和傳感光柵3構(gòu)成。由寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)第一分束器2的一個(gè)分路端后傳輸至傳感光柵3發(fā)生反射，反射回來(lái)的光經(jīng)第一分束器2的另一個(gè)分路端進(jìn)入第二分束器5后分成兩束，分別與耦合器6的輸入端之一以及第三分束器9的一個(gè)分路端相連。耦合器6的一輸出端直接與第一探測(cè)器7相連，另一輸出端與第一解調(diào)光柵4相連，第一解調(diào)光柵4反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)耦合器6后由第二探測(cè)器8接收；第三分束器9的合路端與第二解調(diào)光柵10相連，第二解調(diào)光柵10反射回來(lái)的光經(jīng)分束器9的另一個(gè)分路端后由第三探測(cè)器11接收。第一解調(diào)光柵4被放到與傳感光柵3相同的環(huán)境中，與傳感光柵3同時(shí)感受環(huán)境溫度的變化(但是不受應(yīng)變的影響)，第二解調(diào)光柵10的中心波長(zhǎng)由波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器12控制。所述的第一探測(cè)器7、第二探測(cè)器8、和第三探測(cè)器11以及波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器12均與計(jì)算機(jī)13相連，第一探測(cè)器7的輸出值用于消除光源抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)解調(diào)精度的影響。關(guān)于各個(gè)光柵中心波長(zhǎng)相對(duì)位置，如圖2所示。在室溫下和零應(yīng)變時(shí)，應(yīng)該保證第二探測(cè)器8和第三探測(cè)器11同時(shí)有輸出值，傳感光柵3與兩個(gè)解調(diào)光柵的反射譜均有重疊部分且它們反射回來(lái)的光強(qiáng)在探測(cè)器的靈敏度范圍內(nèi)，如圖2(a)所示。假設(shè)環(huán)境溫度相對(duì)于室溫減小ΔT，第一解調(diào)光柵4和傳感光柵3中心波長(zhǎng)的整體藍(lán)移，而第二解調(diào)光柵10的中心波長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生變化，它們的中心波長(zhǎng)的相對(duì)位置由圖2(a)變?yōu)閳D2(b)，若ΔT較大，就會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的解調(diào)范圍。為了消除溫度對(duì)系統(tǒng)解調(diào)范圍的影響，以溫度調(diào)諧為例，可以通過(guò)降低溫度控制器12的溫度，使第二解調(diào)光柵10的中心波長(zhǎng)發(fā)生與第一解調(diào)光柵4相同的漂移，實(shí)現(xiàn)第一解調(diào)光柵4與第二解調(diào)光柵10重新匹配，見(jiàn)圖2(c)所示。這樣，即使ΔT很大，總可以使得第一解調(diào)光柵4與第二解調(diào)光柵10重新匹配，保證系統(tǒng)的解調(diào)范圍不受影響。
所述的第一探測(cè)器7、第二探測(cè)器8、和第三探測(cè)器11測(cè)量的結(jié)果經(jīng)由計(jì)算機(jī)13根據(jù)公式1和2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以獲得無(wú)交叉敏感的溫度或應(yīng)變。
本發(fā)明經(jīng)試用表明，該系統(tǒng)具有成本低、快速、簡(jiǎn)捷、實(shí)用的特點(diǎn)，能克服現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，并且可以解決光纖布拉格光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括一寬帶光源(1)，由該寬帶光源(1)發(fā)出的光經(jīng)第一分束器(2)的一分路端傳輸至傳感光柵(3)發(fā)生反射，該傳感光柵(3)反射回來(lái)的光經(jīng)第一分束器(2)的另一分路端進(jìn)入第二分束器(5)，后分成兩束，分別與耦合器(6)的一輸入端和第三分束器(9)的輸入端相連，所述的耦合器(6)的一輸出端與第一探測(cè)器(7)相連，另一輸出端與第一解調(diào)光柵(4)相連，該第一解調(diào)光柵(4)反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)所述的耦合器(6)由第二探測(cè)器(8)接收；第三分束器(9)的合路端與第二解調(diào)光柵(10)相連，第二解調(diào)光柵(10)反射回來(lái)的光經(jīng)第三分束器(9)的另一個(gè)分路端后由第三探測(cè)器(11)接收，所述的第一解調(diào)光柵(4)被放到與傳感光柵(3)相同的環(huán)境中，與傳感光柵(3)同時(shí)感受環(huán)境溫度的變化，但不受應(yīng)變的影響，第二解調(diào)光柵(10)的中心波長(zhǎng)由波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器(12)控制，所述的第一探測(cè)器(7)、第二探測(cè)器(8)、第三探測(cè)器(11)及波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器(12)均與計(jì)算機(jī)(13)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的第一解調(diào)光柵(4)與傳感光柵(3)采用相同的封裝材料和封裝方式，并置于同樣的溫度環(huán)境中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器(12)為溫度控制器，或應(yīng)變調(diào)諧裝置，或反射譜或透射譜近似于高斯分布的可調(diào)諧光濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的第一分束器(2)、第二分束器(5)和第三分束器(9)束器為環(huán)形器，或2×2的耦合器。
全文摘要
一種消除交叉敏感的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，用于測(cè)量外界的應(yīng)變、溫度和應(yīng)力等多個(gè)物理量。主要由寬帶光源、傳感光柵、2×2的耦合器、三個(gè)光分路器、三個(gè)光電探測(cè)器、兩個(gè)解調(diào)光纖光柵、波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。本發(fā)明傳感系統(tǒng)具有成本低、快速、簡(jiǎn)捷、實(shí)用的的特點(diǎn)，能克服現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，可以解決光纖布拉格光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1851414SQ200610027138
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者裴金成, 楊熙春, 向世清, 朱汝德 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所