專利名稱：以使用Bragg光柵對為基礎的差分測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用Bragg光柵。
具體地說，該系統(tǒng)可用于測量溫度、應力和壓力。
背景技術：
可以參考下列文件[1]D.A.Jackson，A.B.Lobo Ribeiro，L.Reekie and J.L.Archama bault，“Simple multiplexing scheme for a fibre-opticgrating sensor network”O(jiān)ptics Letters，Vol.19(14)，1993.pp1192-1194[2]R.W.Fallon，L.Zhang，A.Gloag and I.Bennion，“Identical broadband grating interrogation technique fortemperature and strain sensing”Electronics Letters，Vol.33(8)，1997，pp 705-707[3]L.A.Ferreira，F(xiàn).M.Araujo，J.L.Santos and F.Farahi，“Temperature and strain insensitive bend measurements withD-type fibre Bragg gratings”O(jiān)FS(Optical Fibre Sensors)Conference 14，WE 2-2，Venice，October 2000文件[1]和[2]公開了測量技術，這些技術使用Bragg光柵，并且這些技術是以分析來自這些光柵的兩個光譜的重疊為基礎的，這就是說，是以一對Bragg光柵的重疊積分為基礎的。
應該注意到，兩個光柵中僅只一個是一種變換器，而第二光柵使得可以分析一個光譜信號。
進而，在文件[2]中描述的技術使用線性調(diào)頻的光柵，制作這樣的光柵相當困難，并且因為它們的長度，這樣的光柵容易產(chǎn)生應變，因此會對所測量的信號造成噪音。
文件[3]公開了一種測量技術，該技術使用一種傳感器，它包括一對Bragg光柵，這對Bragg光柵形成變換器。這種技術使用對于這些變換器所提供的信號的移動進行一種完全的光譜分析，因此，不是以光譜的重疊積分的原理為基礎。
這是一種復雜并且昂貴的技術，因為它需要使用光譜分析儀。關于采樣頻率進一步限制了這種技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上面提到的已知技術的缺點。
作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的主要的獨創(chuàng)性在于使用至少一對Bragg光柵，每個光柵有變換和分析的雙重功能。
這兩個光柵總體相同，區(qū)別只在于它們的光譜靈敏度(相對于要測量的量而言)彼此稍微有些不同。因此兩個光柵的聯(lián)合分析可以實現(xiàn)一種差分測量，這種測量不需要精確的光譜分析。
作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)使得可以測量幾種類型的物理量，特別是溫度，應力和壓力，并且，以比上面提到的已知技術便宜的方式實現(xiàn)這種測量。
特別是，這個系統(tǒng)可以使用旁瓣縮減的(apodized)光柵，這些光柵比在文件2中公開的技術中使用的線性調(diào)頻光柵容易制作，并且，對于光譜畸變比后者不靈敏得多。
更具體地說，本發(fā)明的主題是用來測量至少一個參數(shù)的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括至少一個光學傳感器，這個系統(tǒng)的特征在于，每個傳感器包括兩個Bragg光柵，這些Bragg光柵有各自的靈敏度，可以調(diào)節(jié)這些靈敏度使得兩個光柵的各自的光譜有一個相對的光譜移動，這些光譜移動依賴于要測量的一個或多個參數(shù)，在兩個光學波導中分別刻寫出這些Bragg光柵，該系統(tǒng)還包括一個光源，設置它是為了將光提供給兩個光學波導，以便對后者進行訪問；使光可以接續(xù)地通過同一個傳感器的兩個Bragg光柵的裝置；光探測器，這些光探測器為的是一方面測量僅只通過了兩個光學波導中的一個波導的光功率水平，在另一方面測量接續(xù)地通過了兩個光學波導的光功率水平；以及處理這些光功率水平并且提供所測的一個或多個參數(shù)的數(shù)值的裝置。
最好，光學波導可以是光纖的各自的芯，每個光纖有單一的芯，或者是多芯光纖的芯。
按照作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例，這個系統(tǒng)還包括一個循環(huán)器，它把光源連接到兩個光學波導上。
按照作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的另一個優(yōu)選實施例，這個系統(tǒng)的光學傳感器的數(shù)目N至少等于2，這個系統(tǒng)的光源能夠發(fā)射波長范圍至少由這些傳感器的相應的共振波長中最短波長到最長波長的光，并且該系統(tǒng)包括光譜分離裝置，該裝置能夠在N個第一光探測器上并且在N個第二光探測器上分配已經(jīng)穿過該N個光傳感器的光，第一光探測器能夠測量有這些光波長并且僅只通過了兩個光學波導中一個波導的N個第一光功率水平，而第二光探測器能夠測量有這些光波長并且接續(xù)地通過了兩個光學波導的N個第二光功率水平。
最好，系統(tǒng)還包括一個循環(huán)器，它把光源連接到兩個光學波導，第一光學耦合器和第一和第二光譜分離裝置上，第一光學耦合器在循環(huán)器與兩個光學波導中的一個波導之間實現(xiàn)連接，為的是能夠由第一和第二光譜分離裝置分別分析被兩個Bragg光柵中的一個反射的信號和被這兩個Bragg光柵反射的信號。
系統(tǒng)還可以包括一個2×2的開關，在一側(cè)把它連接到第一光學耦合器并且連接到循環(huán)器上，在另一側(cè)把它連接到兩個光學波導上。
系統(tǒng)也可以包括第二光學耦合器和第三光譜分離裝置，通過這個第二光學耦合器把第三光譜分離裝置連接到光源上，為的是分析光源所發(fā)射的光。
Bragg光柵最好是旁瓣縮減的光柵。
按照作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的一個特定實施例，參數(shù)是應變，并且兩個Bragg光柵的各自的縱向軸線與應變的軸線形成不同的角度。
按照另一個特定實施例，參數(shù)是應變，并且系統(tǒng)還包括一個支承件，它包括各自的截面不同的兩部分，兩個Bragg光柵分別設置在這兩個部分中。
按照另一個特定實施例，兩個Bragg光柵分別刻寫在一個雙芯光纖的兩個芯中，這兩個芯彼此不同，從而對于在這些芯中刻寫的Bragg光柵給出不同的測量靈敏度。
在這種情況下，兩個芯可以有不同的摻雜或者有不同的直徑。
按照另一個特定實施例，兩個Bragg光柵有不同的覆蓋層，使得可以調(diào)節(jié)它們的關于要測的每個參數(shù)的靈敏度。
每個光譜分離裝置可以包括一個色散件，例如一個衍射光柵或者一個棱鏡，還包括光探測器，這些光探測器可以形成一個矩陣。
在這種情況下，按照一個特定實施例，對于幾個光譜分離裝置可以只有共同的一個色散件，并且光探測器是同一光探測器矩陣的不同的排。
作為一個變型，每個光譜分離裝置可以包括與干涉濾光器在一起的一個光學分離器和光探測器，這些光探測器與這個光學分離器相關。


通過閱讀下面以純粹說明性和非限制的示例的方式參考著附圖給出的對示例性實施例的描述將會更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1示意性地示出了按照本發(fā)明的使用三個Bragg光柵差分對的測量系統(tǒng)；圖2示意性地說明了按照本發(fā)明的使用來自旁瓣縮減的Bragg光柵的兩個反射光譜的測量原理；圖3為作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的一個特定實施例的示意圖；圖4為作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的另一個特定實施例的示意圖；圖5示出了對于用來對自相關函數(shù)建模的三種類型的光柵，光譜反射系數(shù)作為關于中心波長的移動的函數(shù)的變化；圖6示意性地示出了在均勻的Bragg光柵、高斯旁瓣縮減光柵以及超高斯旁瓣縮減光柵情況下對自相關函數(shù)的建模；圖7示意性地示出了由形成一個傳感器的兩個Bragg光柵產(chǎn)生的對應力的響應的變化的一個示例；圖8為一種應變傳感器的示意圖，它包括兩個Bragg光柵，它們相對于應變的軸線形成不同的角度；圖9A和9B為應變傳感器的示意圖，每個傳感器包括設置在一個支承件中的兩個Bragg光柵，該支承件有截面不同的幾部分；圖10示意性地示出了按照本發(fā)明的系統(tǒng)的傳感器的兩個Bragg光柵之間的差分包裝(differential packaging)的一個示例；
圖11為可以在本發(fā)明中使用的多芯光纖的示意圖；圖12示意性地說明了在使用三種傳感器的情況下在寬度為Dλ的譜帶上的光譜分離的原理；圖13示意性地示出了帶有一個棱鏡的光譜分離裝置的一個示例，該裝置可以在按照本發(fā)明的系統(tǒng)中使用，該系統(tǒng)包括三個傳感器；以及圖14示意性地示出了帶有一個光學分配器和干涉濾光片的光譜分離裝置的一個示例，該裝置可以在按照本發(fā)明的系統(tǒng)中使用，該系統(tǒng)包括三個傳感器。
具體實施例方式
在圖1中示意性地示出了作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的一個示例。在這一示例中使用了三個傳感器C1，C2和C3。傳感器C1(或者分別是C2，C3)包括兩個Bragg光柵B11，B12(或者分別是B21，B22或B31，B32)，每個光柵形成一個變換器。
在一個光纖2(或者分別在4)上形成Bragg光柵B11，B21和B31(或者分別是B12，B22和B32)。
Bragg光柵B11，B12的共振波長為λ1，Bragg光柵B21，B22的共振波長為λ2，而Bragg光柵B31，B32的共振波長為λ3。
在這個系統(tǒng)的輸入端，首先有一個寬帶光纖光源6發(fā)射紅外光，典型地為1.5微米左右(但是，可以使用任何其它的光譜帶)。光源6的光譜帶寬取決于要訪問的傳感器的數(shù)目。
作為一個示例，如果在每個變換器上容許10毫微米(或納米)的光譜變化(這等價于在光纖上的1％的范圍)，在圖1的示例的情況下總的光譜帶寬可以大于30毫微米。在實踐中，正是光源的有用的光譜帶寬和動態(tài)測量范圍分別與光柵相關，這決定了傳感器的數(shù)目。
來自光源6的光信號S隨后到達一個光纖循環(huán)器8，該循環(huán)器有三個通道I，II和III。信號S通過通道I進入其中，并通過通道II離開循環(huán)器。
因此在光纖2(連接到通道II上)中引導的光波與多個Bragg光柵相會，這些Bragg光柵形成與多個傳感器相關的第一變換器。因此，信號的一部分在各個光柵的共振波長λ1，λ2和λ3被反射。
隨后，循環(huán)器將反射的信號R朝向通道III引導，并因此朝向連接到這一通道III上的一個50/50類型的光學耦合器10引導。
把R的一半R1朝向一個光譜分離裝置12引導，使另一半R2的方向朝向光纖4。
將R1的光譜在一個光探測組件14的三個光探測器上分離成三個區(qū)域，裝置12包括該光探測組件。分別把來自這三個光探測器的功率水平(或信號)稱為v1，v2和v3。這三個光探測器分別與λ1，λ2和λ3的變化范圍相對應。
在實踐中，為了在光探測器的上游實現(xiàn)這種分離，可以使用任何光譜分離裝置16(例如一個衍射光柵，總體濾波器(bulk filter)，Bragg光柵，或者薄膜)。在后面我們將回到這個問題。
將R2傳輸?shù)窖a充的光纖4，并因此將會遇到包括在三個傳感器中的第二系列Bragg光柵。因此每個光柵(它們形成濾波器)以信號R’的形式反射這個信號，并且使它的方向變成相反的方向，朝向耦合器10。
在這個耦合器中損失R’的一半，而使另一半R’1的方向朝向一個光譜分離裝置18，此裝置與裝置12相同，且因此包括一個光譜分離裝置20和三個光探測器的一個組件22。因此，可以測量來自這三個光探測器的三個信號w1，w2和w3。
圖1的系統(tǒng)也包括用來處理所測量的功率水平v1，v2，v3和w1，w2，w3的裝置24。設置這些處理裝置是為了提供通過傳感器C1，C2和C3測量的一個或多個參數(shù)的數(shù)值。
在圖1的系統(tǒng)中，利用了以下事實構成每個傳感器的兩個變換器光柵中的每個光柵接續(xù)地反射信號。因此，信號R’將這兩個光柵的反射光譜的交會部分積分。如果兩個光譜相互重疊，可以獲得最大的信號。如果兩個光譜彼此分開，信號將變成零。在這兩個極端位置之間的所有中間位置確定測量的區(qū)域。
因此，將初始中心在λi(1≤i≤3)的兩個光柵包裝起來或者把它們制造成使得它們的反射光譜的重疊積分是要測量的參數(shù)(例如溫度、應力或壓力)的函數(shù)。
圖2示出了使用兩個Bragg光柵反射光譜SP1和SP2進行測量的原理。應力ε由0με變化到εf，同時通過ε1。
如在圖2中以示例的方式示出的那樣，當應力ε在傳感器上增加時，引入了一個相對的光譜移動δλ(ε)。結(jié)果，兩個光譜的重疊積分將減小。如果測量與這個交會區(qū)域相對應的功率水平R’，就可以計算出對應的應力ε。
進而，如下面將會看到的那樣，最好使Bragg光柵旁瓣縮減，為的是防止由可能的次瓣造成的功率起伏。
在圖2中由虛線的長方形RP界定的區(qū)域表示與光譜分離裝置的每個光探測器相對應的積分窗口(光柵的總移動)的光譜帶寬Dλ。
下面將解釋測量的原理。
來自圖1的寬帶光源6的信號S取決于波長λ，因此在下面將把它稱為S(λ)。進而r1(λ)和r’1(λ)是傳感器C1的兩個Bragg光柵的反射系數(shù)，αij是循環(huán)器8由通道i到通道j的損失系數(shù)，其中I≤I≤III，II≤j≤III，i＜j，并且γ是耦合器10的分離程度(在圖1的示例中γ＝0.5)。
信號R1(λ)僅只被第一光柵B11反射，隨后到達光譜分離裝置12。可以將它寫成R1(λ)＝α12×α23×γ×r1(λ)×S(λ)信號R’1(λ)被傳感器C1的兩個光柵B11和B22反射，并到達第二光譜分離裝置18，可以將它寫成R′1(λ)＝α12×α23×γ2×r1(λ)×r′1(λ)×S(λ)兩個輸出光束的光譜分離使得可以在一個光譜帶寬[λ0；λ0+Dλ]上對信號進行積分，它的寬度的數(shù)值取作Dλ。因此可以將測量到的信號v1和w1寫成v1=∫λ0λ0+Dλα12×α23×γ×r1(λ)×s(λ)×dλ]]>w1=∫λ0λ0+Dλα12×α23×γ2×r1(λ)×r′1(λ)×s(λ)×dλ]]>
如果在Dλ上進行積分，實際上，在積分的計算中僅只必須考慮一個很小的光譜帶寬Δλr。這個帶寬是在該帶寬上r1(λ)×r’1(λ)不為零的那部分帶寬。這個帶寬Δλr保持比Bragg光柵形成的濾波器的帶寬的兩倍小。
因為這個帶寬相當窄(Δλr＜1毫微米)，因此假設S(λ)和各種系數(shù)αij和γ在積分范圍上是常數(shù)是合理的。因此，可以將等式簡化成v1=α12×α23×γ×S(λ1)×∫Δλrr1(λ)dλ]]>w1=α12×α23×γ2×S(λ1)×∫Δλrr1×r′1(λ)dλ]]>如果計算這些量的比值，就可以將對光源信號S(λ1)的數(shù)值的依賴關系去掉。結(jié)果，系統(tǒng)的響應與光源的功率起伏無關，并且與光探測器的靈敏度的任何變化無關。這樣將得到w1v1=γ×∫Δλrr1(λ)×r′1(λ)dλ∫Δλrr1(λ)dλ]]>假設形成傳感器的兩個光柵是相同的(它們是在相同的條件下制成的)。因此可以將它們的光譜反射系數(shù)表示成一個歸一化的反射系數(shù)r10(λ)的函數(shù)。
因為在一種外部介質(zhì)中使用這些光柵，由一個光纖到另一個光纖可能會出現(xiàn)損失。通過因子ρ1和ρ’1在這個等式中考慮這些損失，即r1(λ)＝ρ1×r10(λ)r′1(λ)＝ρ′1×r10(λ-δλ)
因此可以將前面的比值寫成下面的表達式，其中δλ是上面提到過的相對光譜位移w1v1=γ×ρ′1×Γ1(λ1,δλ)---(1)]]>在式(1)中主要的未知量是Γ1(δλ)=∫Δλrr10(λ)×r10(λ-δλ)dλ∫Δλrr10(λ)dλ]]>因此式(1)給出了對于循環(huán)器的通道I的測量結(jié)果。如果假設損失項是由于連接(例如沿著光纖的拼接)產(chǎn)生的，那么可以假設它對于同一個光纖的所有光柵是相同的，因此可以將在三個通道(如對于圖1)上的總結(jié)果寫成w1v1=γ×ρ′1×Γ1(δλ)---(2a)]]>w2v2=γ×ρ′1×Γ2(δλ)---(2b)]]>w3v3=γ×ρ′1×Γ3(δλ)---(2c)]]>方程組(2a)，(2b)和(2c)顯示不能直接得到Γi(1≤i≤3)的數(shù)值，這是因為有損失項ρ’1。為了消除這個損失項可以考慮幾種解決方案。下面我們將描述它們中的幾種。
第一解決方案是通過在兩個光纖2和4的輸入處設置一個2×2的光學開關(附圖標記為26)改進圖1的系統(tǒng)，如在圖3所示出的那樣。
在一側(cè)把這個開關26連接到耦合器10上并連接到循環(huán)器8的通道II上，在另一側(cè)連接到光纖2和4上。
在這種情況下，進行切換使得在等式(2a)到(2c)中第二個光纖的系數(shù)ρ’1可以由第一個光纖的系數(shù)ρ1替代。也會引入一個來自開關26的損失系數(shù)β。等式(2a)到(2c)將變成w′1v′1=γ×β×ρ1×Γ1(δλ)]]>w′2v′2=γ×β×ρ1×Γ2(δλ)]]>w′3v′3=γ×β×ρ1×Γ3(δλ)]]>在這些等式中，現(xiàn)在把由組件14(或分別是22)的三個光探測器提供的功率分別稱為v’1，v’2和v’3(或者分別為w’1，w’2和w’3)。
因此挑選可以給出具有最大的動態(tài)范圍(損失系數(shù)最小)的結(jié)果的構形是可能的。
這個構形也是識別和校正在其中一個光纖上可能的點損失(pointlosses)的一個手段。
如果一個光纖在這個光纖的前兩個光柵之間被損壞，例如在光纖2的光柵B11與B21之間，例如由于很大的局部彎曲而被損壞，其中一個系數(shù)ρ(例如ρ’1)由在一個光柵上的一次測量到另一次測量將會改變(得到的數(shù)值為ρ’1a和ρ’1b)。這將給出w1v1w2v2=ρ′1aρ′1b×Γ1(δλ)Γ2(δλ)]]>和w′1v′1w′2v′2=Γ1(δλ)Γ2(δλ)]]>因為通過定義ρ’1a比ρ’1b大，所以上面的兩個比值中的正確的值是最小的值。
第二種解決方案是犧牲一個傳感器。
如果假設將光柵對中的一對設置在被保護的環(huán)境中，函數(shù)Γ(δλ)將永遠等于Γ(0)。因此比值w/v使得我們可以測量損失系數(shù)ρ’1。另兩個比值就給我們想要的測量。應該注意到，這要求犧牲一對Bragg光柵。
第三種解決方案是進行差分測量。
三個等式(2a)，(2b)和(2c)使得可以測量出Г1(δλ)/Г2(δλ)，Г1(δλ)/Г3(δλ)和Г2(δλ)/Г3(δλ)。因此，可以獲得例如在三個點的應力的相對分布。因此，測量仍然保持是差分的測量，并且不可能給出應變的絕對數(shù)值。
當然這個解決方案的優(yōu)點是不必須犧牲一對光柵。這個解決方案表明當一起考慮大量的傳感器時和考慮一個電測量儀器時它有充分的潛力，大量的傳感器使得可以精確地繪出應變的分布圖，而該電測量儀器設置在其中一個傳感器的側(cè)面上，該測量儀器對于整個測量提供一個絕對的參考量。
進而來自兩個靠得足夠近的傳感器對的信號的比值使得可以消除在光纖內(nèi)損失因子ρ的起伏。如果考慮到包括一個光學開關的構形甚至更是這樣的情況。
第四種解決方案是將光源標準化。
如果損失項的存在對于系統(tǒng)的操作實際上是不能接受的，可以將一個附加的標準化通道添加到系統(tǒng)中。
這涉及一些應用，在這些應用中傳感器之間的光纖連接沒有被保護(這是當監(jiān)測非常大的結(jié)構比如藝術作品以及將傳感器包含在復合材料中時的情況)。
在圖4中示意性地示出了這種標準化。在光源6的輸出處設置一個附加的耦合器28。這個耦合器28的一個通道連接到循環(huán)器8的通道I上，為的是將由光源6發(fā)出的光的一部分1-ν送到該通道。這個耦合器的另一通道把同一束光的一部分ν送到一個附加的光譜分離裝置30上。
裝置30與裝置12和18相同，把這些裝置30的三個光探測器提供的相應的功率(或信號)稱為s1，s2和s3。應該注意到，隨后也將功率(或信號s1，s2和s3)送到處理裝置24，為的是實現(xiàn)標準化。
因此可以獲得例如下面給出的信號s1(假設光源在積分范圍Dλ上有不變的功率S(λ1))
s1＝ν×S(λ1)×Dλ它給出w1×s1v1×v′1=ν1-ν1α12×α23Dλ∫Δλrr10(λ)dλ∫Δλrr10(λ)r10(λ-δλ)dλ∫Δλrr10(λ)dλ]]>因此可以看到關于光纖損失的依賴關系被去掉，像光源6對起伏的依賴關系那樣。圍繞著前面的項Γ(δλ)進行測量。
在該等式中，積分范圍Dλ被包含在Bragg光柵的帶寬出現(xiàn)的一個比值中，并且因此必須要精確地知道這個積分范圍，特別是要借助于先前對系統(tǒng)的表征知道這個積分范圍。
這個解決方案使得可以將對傳感器系統(tǒng)的表征完全標準化。在另一方面，這要求光源在光譜分離裝置的積分范圍內(nèi)穩(wěn)定。
現(xiàn)在讓我們來研究函數(shù)Γ(δλ)?？梢詫⑺紤]成一個“半歸一化的”自相關函數(shù)。為了測量的目的，在理想上可以以歸一化的線性應用的方式表示它，比如Γ(δλ)=δλδλmax]]>這等效于如果光柵的光譜響應有“門”函數(shù)的形狀的情況。
圖5和6給出了依賴于所使用的Bragg光柵的自相關函數(shù)的示例。已經(jīng)設想了下述情況均勻的光柵(I)L＝6毫米；Δn＝8×10-4高斯旁瓣縮減光柵(II)L＝6毫微米；G＝2；p＝2；Δn＝8×10-4超高斯旁瓣縮減光柵(III)L＝6毫微米；G＝4；p＝1.5；Δn＝8×10-4已經(jīng)由下面的函數(shù)計算出旁瓣縮減
g(λ)=exp(-(λ-λB)G(L/2p)G)]]>在圖5中已經(jīng)畫出了這三種類型的光柵的反射系數(shù)R。可以注意到，高斯旁瓣縮減顯示出與門函數(shù)的強烈相似。在均勻光柵的情況下也可以注意到存在非常大的次瓣。
應該注意到，關于離開中心波長的移動Δλ畫出這些曲線。
圖6示出了對于自相關函數(shù)建模的結(jié)果，這些結(jié)果是對于1毫微米的最大相對光譜位移δλmax取的。假設將形成傳感器的兩個光柵包裝起來，使得給出一個好的動態(tài)測量范圍。在這個示例中，使它們傾斜13.2度，后面我們將返回這一問題。
可以注意到，提供最大的動態(tài)范圍并且最接近直線的曲線與超高斯旁瓣縮減的情況相對應。相反，均勻的Bragg光柵的情況顯示出差的動態(tài)范圍和可察覺的起伏。因此必須仔細地選擇對于在系統(tǒng)中使用的光柵所給出的旁瓣縮減。
測量系統(tǒng)的設計是本發(fā)明的任務，這個設計的很大部分涉及在同一傳感器的Bragg光柵的響應中獲得差別的手段。首先，將詳細地給出這個相對移動的原理。
如已經(jīng)看到的那樣，Bragg光柵的光譜響應是入射的光信號的精細譜帶(其帶寬大約為100微微米)的反射。這個譜帶的中心在共振波長λB，即Bragg波長，它由下式表示λB＝2×neff×Λ其中Λ是光柵的周期，而neff是有效的模式指數(shù)(the effectiveindex of mode)，該模式在光纖中傳播，光柵就在那個光纖中形成。
通過在光柵的附近改變一個物理量，參數(shù)Λ和neff變化，這造成Bragg波長的移動ΔλB。測量這個移動是Bragg光柵測量的基本原理。
將光譜移動與由縱向的應力εz、溫度ΔT和壓力ΔP組成的物理量聯(lián)系起來的等式如下
ΔλBλB=(1-pe)×ϵz+(α+ξ)×ΔT-1-2νE[1-nc22(2p12+p11)]×Δp]]>其中pe＝nc2[p12-ν(p11+p12)]/2，nc是光纖的芯的光學指數(shù)，p11和p12是光彈性系數(shù)(the elastooptic coefficients)，ν是Poisson比(ν＝0.17)，α是熱膨脹系數(shù)(α＝0.45×10-6K-1)，ζ是熱光學系數(shù)(the thermooptic coefficient)，以及E是Young氏模量(E＝7×1010N/m2)。
在這里使用的方法假設事先已經(jīng)知道要研究的量的變化范圍。以應力為例。
如在圖2中所示，當實現(xiàn)最大的應變時，必須使兩個光柵分開它們的光譜帶寬(幾百微微米)。
在圖7中示出了在總移動為10毫微米而最后的差分移動為500微微米的情況下對一個傳感器的兩個光柵的伸展作出響應希望出現(xiàn)的變化。應力εz被畫在x軸上，而移動ΔλB被畫在y軸上。線I和II分別與傳感器的兩個光柵相對應。
因此，形成單一的傳感器的兩個光柵的包裝主要取決于所使用的光柵的光譜帶寬，以及所要求的測量范圍(例如，εmax，ΔTmax或壓力ΔPmax)。
下面我們將提出多個解決方案，這些解決方案使用對于兩個Bragg光柵的一種特別的包裝，或者由這些光柵的波長移動的物理性質(zhì)獲得利益。
第一種解決方案是有角度地移動兩個Bragg光柵，如在圖8中所示出的那樣。
在圖8的示例中，考慮傳感器C1的兩個Bragg光柵B11和B12，這兩個光柵分別在光纖2和4的芯中形成。在這個示例中，把光纖形成光柵的那些部分剛性地緊固到一個可變形的支承件32上。
在這個支承件上確定一個正交的坐標系 讓我們考慮沿著 的一個變形F?？梢詫τ诠鈻胖С屑膽儚埩繉懗?amp;epsiv;=ϵi00-vϵi]]>光柵B11與 平行，因此，與應變的軸線共線，因此ε1＝εi光柵B12與光柵B11形成一個角度θ。因此，這個光柵B12與向量(cos(θ)，sin(θ))共線，且施加到光柵上的應變由下式給出ϵ2=(ϵi00-vϵi×cos(θ)sin(θ))·cos(θ)sin(θ)]]>由此我們導出ε2＝ε1×[cos2(θ)-νsin2(θ)]因此，對于兩個光柵B11和B12的波長移動的數(shù)值分別為ΔλB1＝(1-pe)×λB×ε1ΔλB2＝(1-pe)×λB×ε1×[cos2(θ)-νsin2(θ)]這樣可以得到對于兩個光柵的差分移動的表示
δΔλB＝(1-pe)×λB×ε1×sin2(θ)×(1+ν)如果εmax是最大的應變值，而Δλr是光柵的光譜帶寬，就可以由下式導出角度θ的數(shù)值sin2(θ)=Δλr(1-Pe)×λB×ϵmax×(1+ν)]]>作為一個示例，令1-pe＝0.78，λB＝1550毫微米，并且ν＝0.17。
對于εmax＝0.01和Δλr＝500微微米，給出θ＝0.19弧度＝10度。
可以注意到，在這一構形中，傳感器對溫度不敏感，這是因為溫度不是帶方向性的。對于溫度的一個改變兩個光柵的光譜在光譜域中(in the spectral domain)平行地移動，但是沒有相對移動。僅只伸展通過熱效應產(chǎn)生的改變可以被測量。
第二種解決方案是利用將固體的應變與它的截面聯(lián)系起來的等式。
截面為S受到一個作用力F的固體產(chǎn)生的伸展ε由Hooke定律給出，其中E是固體的Young氏模量ϵ=FS×E]]>然后，第二種解決方案就是將兩個光柵B11和B12包裝在一個支承件34中，該支承件例如由一種聚合物制成，如在圖9A和9B中示出的那樣。通過改變支承件的截面使光柵有區(qū)別。
更具體地說，支承件34包括兩部分36和38，這兩部分各自的截面S1和S2不同，并且它們分別包含兩個光柵B11和B12。這些光柵彼此平行，并且應變F與這些光柵平行地發(fā)生。在圖9A(或者分別是9B)的情況下，部分38比部分36高(或分別是寬)。
該方法繼續(xù)進行的方式與對于圖1的傳感器C1和C2的方式相同。
將每個支承件設置在一個結(jié)構(未示出)上，想要測量的就是那個結(jié)構的應變，并且將每個支承件在它的兩端緊固到這個結(jié)構上。返回到圖9a和9B，應變F產(chǎn)生一個作用力，此作用力在光柵上產(chǎn)生兩個不同的應變。如果將部分36和38的各自的長度稱為L1和L2并將支承件34的總長度稱為L，那么可以將結(jié)構的伸長與支承件34的兩部分關聯(lián)起來的等式寫成ϵ=L1Lϵ1+L2Lϵ2]]>因此ϵ1=S2S1ϵ2]]>最后，其中α＝L1/LδΔλB=(1-pe)×λB×S1-S2S1(1-α)+S2α×ϵ]]>作為一個示例，令1-pe＝0.78，λB＝1550毫微米，并且α＝0.5。
對于εmax＝0.01和Δλr＝500微微米，給出S1/S2＝0.96。
可以例如在圖9A的幾何形狀的情況下取支承件34的部分36(或者分別是38)的尺寸為1mm×5mm(或者分別是1.04mm×5mm)。
在這種構形下也只能考慮應變。因此溫度的改變僅只在它們引起結(jié)構的應變的情況下才能影響信號。但是，這是相當正常的，因為一個應變測量儀器不能區(qū)分它所測量的應變的來源。這些應變可以有熱-機械的來源。
第三個解決方案是不同地包裝兩個光纖2和4，使得關于一個外部的量它們有稍微不同的響應。
一個簡單的例子是在其中一個光纖上圍繞著包含在其中的光柵沉積一層材料，如在圖10中所示，用一層材料40覆蓋光纖2的一部分，在這部分光纖中光刻出光柵B11。
在圖10中可以看到光纖2(或者分別是4)的芯3(或者分別是5)，在該光纖中已經(jīng)光刻出Bragg光柵，比如光柵B11(或者分別是B12)。
在一個溫度傳感器的情況下，可以使用一個金屬涂層，這個涂層增強在其中一個光纖上的膨脹效應。在傳感器嵌入一個結(jié)構中的情況下，可以使用性質(zhì)與結(jié)構的材料性質(zhì)不同的一種材料。因此一種有較小Young氏模量的材料使得可以減小兩個光柵中的一個所受到的應變，因此在對應變的光譜響應中產(chǎn)生差別。
第四個解決方案是采用有不同結(jié)構的兩個光纖，用來刻寫出Bragg光柵。因此，這些光纖的熱光學系數(shù)和光彈性系數(shù)提供了差別。這個解決方案的優(yōu)點是不需要任何特別的包裝，而把傳感器集成到要測量的結(jié)構中。
作為一個示例，使用光纖2和4，對它們的芯進行彼此不同的摻雜，或者它們有不同的直徑。
第五個解決方案是使用一個多芯的光纖，這就是說，一個光纖包括多個芯，而不是使用多個光纖，每個光纖有單一的芯。然后，這樣在多芯光纖的多個芯中刻寫出Bragg光柵，并且將此多個芯做成使得這些Bragg光柵對于外部參量有不同的靈敏度。
在圖11中示意性地示出了雙芯光纖42的一個示例。該光纖42包含兩個芯44和46，它們分別與光纖2和4的芯相對應，一個優(yōu)點是可以使用單一的光纖而不是使用兩個光纖。
在圖11的情況下，為了獲得傳感器C1、C2和C3(因為在圖11中僅只示出了光柵B11和B12)，在光纖42的芯44(或者分別是46)中光刻出Bragg光柵B11、B21和B31(或者分別是B12、B22和B32)。作為一個示例，兩個芯44和46有不同的摻雜或者有不同的直徑。
現(xiàn)在讓我們考慮對于按照本發(fā)明的系統(tǒng)的各種傳感器實現(xiàn)光譜分離的各種解決方案。
圖2示出了對于所談到的測量的范圍來自一個光柵或者來自兩個光柵的“相交點”的反射信號在帶寬為Dλ的一個譜帶上實現(xiàn)光譜移動。因此提供功率水平vi和wi(1≤i≤3)的圖1的探測器必須測量在這個譜帶上的功率的改變，并且僅只測量這一改變，從而不包括來自相鄰的傳感器的信號。
在這個意義上，在系統(tǒng)的兩個輸出通道上必須實現(xiàn)光譜分離。
這個光譜分離的設計是作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)的關鍵點之一。因為分離裝置所要求的性能不高，使用簡單的、便宜的和小體積的檢測是可能的。
如在圖12中所示出的那樣，這個裝置事實上必須分離開相當寬(Dλ大約為10毫微米)的光譜帶，這些光譜帶彼此分離開比Dλ更大的距離。已經(jīng)將這些不同的譜帶的中心波長稱為λi(1≤i≤3)，圖12的示例涉及三個傳感器。
下面我們給出光譜分離裝置的示例。
這個裝置可以包括一個角度色散件。
在圖13的示例中，這個件是一個棱鏡48。這個圖13涉及圖1的三個傳感器C1、C2和C3，并且涉及來自圖1的光纖2的已經(jīng)穿過循環(huán)器8和耦合器10的光?？梢钥吹焦饫w50的一部分，這個光纖把該耦合器10連接到光譜分離裝置12上。
首先把光纖50耦合到一個準直器52上，從而將一束平行光束53提供給光譜分離裝置12的輸入端。
這條光束落在棱鏡48上，它以角度分離出三個波長λ1、λ2和λ3。圖13的光探測器141、142和143形成光探測器組件14，在這個示例中該組件是三個CCD探測器的一個線形陣列14，使得可以收集在三個波長分布的功率。這樣，我們有了信號vi(1≤i≤3)。當共振波長改變時，光束在線形陣列的每個元件的探測表面內(nèi)移動。
對于圖1的耦合器10的其它輸出通道可以使用相同的裝置。
作為一個改型，圖1的裝置12和18可以共同使用相同的棱鏡48。
也可以使用一個衍射光柵替代棱鏡。其原理仍然相同產(chǎn)生一個準直的光信號，這個光柵使光信號衍射，且用一個CCD線形陣列測量該信號。
在圖14中示意性地示出了一種集成的光譜分離裝置12的另一個示例。它使用一個光學分離器54和干涉濾光片561、562和563。
實際上在市場上可以找到光譜帶寬大約為10毫微米的帶通干涉濾光片，或者邊緣陡峭降落的低通濾光片。
如在圖14所示出的那樣，將光纖50設置在光學分離器54的入口處。因此信號在三個通道上分配。將一個干涉濾光片561或者562或者563設置在每個通道的端部，后面接著光探測器141或者142或者143。如果濾光片561、562和563是帶通濾光片，它們在譜帶間隔Dλ上通過，將直接恢復出所要求的信號vi。如果使用低通(或高通)濾光片，為了得到正確的測量需要在不同的通道之問進行減法。
可以以與裝置12相同的方式生產(chǎn)出圖1的裝置18和圖4的裝置30。
在本發(fā)明中，能夠多路傳輸?shù)膫鞲衅鞯臄?shù)目取決于許多參數(shù)，但是在理論上沒有限制。這些參數(shù)特別是所訪問的光源的光譜帶寬；與要測量的物理量的變化相對應的光柵的光譜變化范圍Dλ；以及光譜分離裝置的能力。
在市場上能找到的光源的光譜帶寬由40毫微米到80毫微米。而且光柵能夠合理地承受的應變極限典型地與10毫微米的總光譜移動相對應。因此可以認為每條線八個傳感器是一個合理的數(shù)量級。取決于要測量的量的類型，可以增加這個數(shù)值。
在給定市場上可供使用的光探測器的性能的條件下，作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)可以有幾MHz數(shù)量級甚至更高的高的采樣頻率(或采集頻率acquisition frequency)。
除了上面提到的特點以外，作為本發(fā)明的內(nèi)容的系統(tǒng)還有下面的多種優(yōu)點取決于它的包裝，可以將每個傳感器做成對溫度不敏感。
通道的光譜分離所要求的性能不高使得組件是一個緊湊并且廉價的系統(tǒng)。
通過添加一個2×2的光學開關，可以將系統(tǒng)做成實際上與在光纖中出現(xiàn)的點損失無關。
可以在兩個光纖的組件的任何一端獨立地訪問這個系統(tǒng)，這使得在光纖失效的情況下可以繼續(xù)進行測量。
返回到本發(fā)明，應該在下面的兩種形式之間進行區(qū)分本發(fā)明的最一般的形式，這種形式不使用循環(huán)器或者光譜分離裝置，且當僅只有一個光學傳感器時這種形式有最大的利益(但是，這種形式也可以與幾個光學傳感器一起實現(xiàn))；與一種特別的形式，在這種形式中至少要使用兩個光學傳感器。
在這后一種情況下，必須使用一個寬帶光源和光譜分離裝置，但是使用循環(huán)器不是本質(zhì)性的，盡管是優(yōu)選的。
作為一個示例，現(xiàn)在使用n個光學傳感器C1，C2，...Cn(n大于或者等于2)，它們的共振波長為λ1，λ2，...λn，發(fā)射光的波長范圍至少由λ1到λn的一個光源，以及能夠在n個測量功率水平v1，v2，...vn的光探測器以及在另外的n個測量功率w1，w2，...wn的光探測器上分配已經(jīng)通過n個傳感器的光的光譜分離裝置?？梢岳鐓⒁妶D1，在那里n等于3。
進而，返回到圖13的示例，在這個示例中使用的棱鏡可以由幾個光譜分析裝置共享。
例如，按照一個特定的實施例，圖1的裝置12和18(或者分別是圖4的裝置12，18和30)可以共享同一個棱鏡，或者更一般地共享同一個光譜分離件。隨后在一個光探測器的二維矩陣上而不是在一個光探測器的一維線形陣列上進行檢測。這樣，圖13可以代表至少兩個光纖50和朝向同一個棱鏡48的至少兩個準直器52的組合體的頂視圖。組件14就是包括每個光纖至少一個檢測件的CCD矩陣的頂視圖。
權利要求
1.一種用來測量至少一個參數(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個光學傳感器(C1，C2，C3)，該系統(tǒng)的特征在于，每個傳感器包括兩個Bragg光柵，這些Bragg光柵(B11-B12，B21-B22，B31-B32)有相應的靈敏度，可以調(diào)節(jié)這些靈敏度使得兩個光柵的相應的光譜有相對的光譜移動，這些光譜移動依賴于要測量的一個或多個參數(shù)，在兩個光學波導(3，5；44，46)中分別刻寫出這些Bragg光柵，該系統(tǒng)還包括光源(6)，設置它是為了將光提供給兩個光學波導，以便對后者進行訪問；使光可以接續(xù)地通過同一傳感器的兩個Bragg光柵的裝置；光探測器，這些光探測器為的是一方面測量僅只通過了兩個光學波導中的一個波導的光的功率水平(R1)，而在另一方面測量接續(xù)地通過了兩個光學波導的光的功率水平(R’1)；以及處理這些光功率水平并且提供所測一個或多個參數(shù)的數(shù)值的裝置。
2.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，光學波導(3，5)是光纖(2，4)的相應的芯，每個光纖有單一的芯。
3.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，光學波導是多芯光纖(42)的芯(44，46)。
4.按照權利要求1到3中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括循環(huán)器(8)，它把光源(6)連接到兩個光學波導上。
5.按照權利要求1到4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，在這個系統(tǒng)中的光學傳感器的數(shù)目N至少等于2，該系統(tǒng)的光源能夠發(fā)射波長范圍至少由這些傳感器的相應的共振波長中最短波長到最長波長的光，并且該系統(tǒng)包括光譜分離裝置，該裝置能夠在N個第一光探測器上以及在N個第二光探測器上分配已經(jīng)穿過那N個光傳感器的光，該第一光探測器能夠測量有這些光波長并且僅只通過了兩個光學波導中一個波導的N個第一光功率水平，而第二光探測器能夠測量有這些光波長并且接續(xù)地通過了兩個光學波導的N個第二光功率水平。
6.按照權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括循環(huán)器，它把光源(6)連接到兩個光學波導，第一光學耦合器(10)和第一和第二光譜分離裝置(12，18)上，第一光學耦合器在循環(huán)器(8)與兩個光學波導中的一個波導之間實現(xiàn)連接，為的是能夠由第一和第二光譜分離裝置分別分析被兩個Bragg光柵中的一個反射的信號和被這兩個Bragg光柵反射的信號。
7.按照權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括2×2的開關(26)，在一側(cè)把它連接到第一光學耦合器(10)并且連接到循環(huán)器(8)上，而在另一側(cè)把它連接到兩個光學波導上。
8.按照權利要求6和7中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括第二光學耦合器(28)和第三光譜分離裝置(30)，通過該第二光學耦合器把第三光譜分離裝置連接到光源上，為的是分析光源所發(fā)射的光。
9.按照權利要求1到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，Bragg光柵(B11，B12；B21，B22；B31，B32)是旁瓣縮減的光柵。
10.按照權利要求1到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，參數(shù)是應變，并且兩個Bragg光柵的相應的縱向軸線與應變的軸線形成不同的角度。
11.按照權利要求1到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，參數(shù)是應變，并且系統(tǒng)還包括支承件(34)，它包括各自的截面不同的兩部分(36，38)，兩個Bragg光柵分別設置在該兩個部分中。
12.按照權利要求1和3到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，兩個Bragg光柵分別刻寫在雙芯光纖的兩個芯(44，46)中，該兩個芯彼此不同，從而對于在這些芯中刻寫的Bragg光柵給出不同的測量靈敏度。
13.按照權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，兩個芯(44，46)有不同的摻雜。
14.按照權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，兩個芯(44，46)有不同的直徑。
15.按照權利要求1到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，兩個Bragg光柵有不同的覆蓋層，使得可以調(diào)節(jié)它們的關于要測的每個參數(shù)的靈敏度。
16.按照權利要求5到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個光譜分離裝置(12，18，30)包括色散件(48)，例如衍射光柵或者棱鏡，且還包括光探測器(141，142，143)，這些光探測器可以形成矩陣。
17.按照權利要求5到8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個光譜分離裝置(12，18，30)包括與干涉濾光片(561，562，563)在一起的光學分離器(54)和光探測器(141，142，143)，這些光探測器與該光學分離器相關。
18.按照權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，對于多個光譜分離裝置色散件是單一的和共同的，并且光探測器是同一光探測器矩陣的不同的排。
全文摘要
一種系統(tǒng)，其包括至少一個光學傳感器(C
文檔編號G01D5/353GK1547659SQ02816491
公開日2004年11月17日 申請日期2002年6月3日 優(yōu)先權日2001年6月21日
發(fā)明者C·馬丁內(nèi)斯, P·費迪南, C 馬丁內(nèi)斯, 夏 申請人:法國原子能委員會