專利名稱：高精度多通道光纖光柵傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵傳感系統(tǒng)，是一種可實現(xiàn)對溫度的高精度、多通道測量的光纖光柵傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)寬帶光源入射到布喇格光纖光柵中時，其反射光是以布喇格波長λB為中心的窄帶光，其它光透射出去。當(dāng)FBG(布喇格光柵)所處環(huán)境的溫度或應(yīng)變等物理量發(fā)生變化時會導(dǎo)致λB變化，測出布喇格波長的變化量ΔλB即可以得出待測物理量的變化情況，因此，F(xiàn)BG被廣泛用于測量溫度、應(yīng)變、應(yīng)力和位移等物理量。ΔλB在一定范圍內(nèi)與溫度的變化量成線性關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度變化量為ΔT時，對應(yīng)的波長漂移量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)。對于普通石英光纖，在λB1550nm時，波長隨溫度變化的靈敏度系數(shù)約為11.1pm/℃，即溫度每變化1℃，布喇格波長漂移11.1pm。上述特性決定了普通光纖光柵在溫度變化時波長漂移很小，這使得許多光纖光柵溫度傳感器的靈敏性和分辨率較低。
本發(fā)明中利用金屬(鋁)槽對光柵進行增溫敏封裝。實驗研究證明，光纖布喇格光柵經(jīng)鋁槽封裝后，中心波長的漂移量與溫度仍有較好的線性關(guān)系，而且回程差較小，重復(fù)性較好，其溫度靈敏度性達到了39.6pm/℃，與普通裸光柵相比，提高了3.6倍。金屬封裝提高了光纖布喇格光柵的溫度靈敏系數(shù)，這有利于實現(xiàn)高精度測量。
與傳統(tǒng)機電類傳感器相比，光纖光柵傳感技術(shù)具有可實現(xiàn)無損測量、測量精度高、測量空間分辨率高、實時性好等優(yōu)勢；另外，在光纖光柵傳感中，一些被測對象的關(guān)鍵點往往不是一點，而是幾個點，為了獲得這一類被測對象的比較完整的信息，需要采用多通道復(fù)用式的光纖傳感測量系統(tǒng)。因此，研究多通道復(fù)用光纖光柵傳感系統(tǒng)具有重要意義。本發(fā)明以多通道復(fù)用光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)為例進行研究。對多通道復(fù)用的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的研究的重點是，通過改善每個通道的測量精度而改善整體的復(fù)用系統(tǒng)的測量性能。
在光纖光柵傳感技術(shù)中，由于被測信號是波長編碼的，如何簡單、快速、精確的將微小的波長移動量精確的解調(diào)出來，是光纖光柵傳感系統(tǒng)中至關(guān)重要的問題。為了解決此問題，研究人員相繼開發(fā)了一些波長解調(diào)技術(shù)，主要有干涉解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)、線性邊緣濾波解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)、匹配濾波解調(diào)技術(shù)。上述解調(diào)方法對多通道光纖光柵傳感測量系統(tǒng)的而言，都存在某些方面的缺陷，均不適合多通道光纖光柵傳感測量系統(tǒng)的解調(diào)。因此針對多通道測量的需要，本發(fā)明提出了一種新的光纖光柵多通道信號同時解調(diào)的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度多通道光纖光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩種光纖光柵在傳感系統(tǒng)中的布局結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個長周期光纖光柵解調(diào)多路傳感信號，簡化結(jié)構(gòu)并降低了成本。
本發(fā)明的高精度多通道光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、長周期光纖光柵、1×n的分路器、2×2的耦合器、光纖布喇格傳感光柵、光電二極管、折射率匹配液、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。寬帶光源的輸出光經(jīng)單模光纖進入長周期光纖光柵，長周期光纖光柵的透射光進入1×n的分路器，經(jīng)分路器均分后分別進入n個通道。在每一個通道中，從分路器傳輸?shù)?×2的耦合器的光信號，一部分進入光纖布喇格傳感光柵中，另一部分進入?yún)⒖脊饴分械墓怆姸O管中，傳感光柵的反射光進入信號光路中的光電二極管中，傳感光柵的透射光分別進入折射率匹配液中，所有光電二極管的輸出信號被輸入數(shù)據(jù)采集卡和計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)的實時分析、處理、顯示。
所述的長周期光纖光柵是一個經(jīng)過溫度補償封裝的長周期光纖光柵，其透射譜的形狀及透射譜諧振損耗峰的峰值波長均不受溫度影響。
所述的1×n的分路器，可將光源的光進行n份的均分，并可根據(jù)測量目標(biāo)確定n的具體值。
所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，在每個通道中均有一個光纖布喇格傳感光柵、兩個光電二極管。
所述的光纖布喇格傳感光柵經(jīng)過溫度增敏封裝，其溫度靈敏系數(shù)增大。
所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，參考光路中的光電二極管接收參考信號，信號光路中的光電二極管接收由傳感光柵反射的傳感信號。
當(dāng)通道數(shù)為n(n為整數(shù)，且n＞2)時，該系統(tǒng)的具體構(gòu)成是一個寬帶光源的輸出光直接進入含有一個長周期光纖光柵的光纖，長周期光纖光柵的透射光經(jīng)光纖和1×n的分路器，而后光被均分為n份并分別進入n個通道中。在每個通道中，可由2×2的耦合器均分的接收光源的光能量，耦合器的輸出光一部分進入傳感元件FBG，另一部分光進入對應(yīng)的光電二極管(PD)作為信號參考用。每個通道中的傳感元件FBG的反射光和透射光分別進入到對應(yīng)的光電二極管(PD)和折射率匹配液中。所有通道中的傳感信號和參考信號均經(jīng)放大、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后輸入計算機(Computer)，進行實時的分析、處理、顯示。其中的長周期光纖光柵經(jīng)過溫度補償封裝，其透射譜及其吸收損耗峰不隨溫度變化而改變。
所述的高精度、多通道溫度測量光纖光柵傳感系統(tǒng)，可根據(jù)測量目標(biāo)，改變n的值，增加或減少復(fù)用的通道數(shù)。
設(shè)計多通道復(fù)用光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)考慮兩個最重要問題(1)頻帶利用問題，即應(yīng)保證各個復(fù)用的光纖光柵都有足夠的光源譜寬可以利用，以保證復(fù)用傳感光柵的信號解調(diào)可以互不影響。本發(fā)明采用并聯(lián)方法，使得傳感光柵的反射譜均直接與長周期光纖光柵的透射譜相對應(yīng)和相匹配，各個通道的反射譜互不影響，因此很容易地解決了頻帶利用問題。(2)功率均衡問題，即應(yīng)保證各個復(fù)用的光纖光柵都有足夠的光源功率的可以利用，并盡量保證各個傳感光柵間的功率大小基本一致，以利于信號解調(diào)。本發(fā)明采用一個1×n的均分路器的方法，實現(xiàn)了光源功率的均衡。以四通道為例，圖1是四通道光纖光柵傳感系統(tǒng)的示意圖。
寬帶光源的輸出光首先經(jīng)過長周期光柵的調(diào)制，然后經(jīng)過1×4的分路器均分進入四個通道，每個通道均有一個布喇格傳感光柵，每個布喇格光柵的中心波長均與長周期光柵的主損耗峰峰值波長匹配。布喇格傳感光柵反射的光信號分別被對應(yīng)的光電探測器探測，光電探測器輸出的電信號被數(shù)據(jù)采集卡采集，其后被計算機進行數(shù)據(jù)處理、分析和顯示。復(fù)用的通道數(shù)還可以增加，例如，當(dāng)C0為1×8的分路器時，可實現(xiàn)八個通道復(fù)用，當(dāng)C0為1×n的分路器時，可實現(xiàn)n個通道復(fù)用。
本發(fā)明提供了一種可實現(xiàn)對溫度的高精度、多通道測量的光纖光柵傳感系統(tǒng)，當(dāng)復(fù)用的通道數(shù)較多時，可實現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)分布式測量。
本發(fā)明中利用熱膨脹系數(shù)較大的材料對光纖布喇格光柵進行溫度增敏封裝，使光柵的溫度靈敏系數(shù)提高了3.6倍，這有利于提高光纖光柵溫度測量系統(tǒng)的測量精度。
本發(fā)明利用具有負(fù)溫度膨脹系數(shù)的材料對長周期光纖光柵進行溫度補償封裝，使作為解調(diào)元件的長周期光纖光柵的透射譜及其峰值波長不受溫度的調(diào)制和影響，因而大大減小了測量誤差。
本發(fā)明中通過巧妙設(shè)計兩種光纖光柵在傳感系統(tǒng)中的布局結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了利用一個長周期光纖光柵解調(diào)多路傳感信號，這簡化了多通道傳感系統(tǒng)，降低了測量成本。
本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明的設(shè)計有效地解決了頻帶利用和功率均衡兩個問題。系統(tǒng)利用一個長周期光纖光柵作為線性濾波器，來解調(diào)n個傳感布喇格光柵反射光的波長，n個通道的解調(diào)可同時進行并互不干擾，這節(jié)約了系統(tǒng)成本，并提高了系統(tǒng)的效率。這是一種新的復(fù)用解調(diào)技術(shù)，實驗結(jié)果表明該技術(shù)具有響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)點，并可簡化多通道傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；2)本發(fā)明中n個傳感頭的輸入光是同一寬帶光源被同一個長周期光柵調(diào)制后的具有相同光譜和光強分布的光信號，這樣使得各個通道的信號處理具有相同的基礎(chǔ)，簡化了信號處理和解調(diào)計算等方面的工作；3)本發(fā)明中利用熱膨脹系數(shù)較大的材料(鋁槽，也可用毛細(xì)鋼管等)封裝傳感光柵，使光柵有較大的溫度靈敏系數(shù)，即溫度的微小變化可引起傳感光柵波長有較大漂移，這是最直接和有效的提高光纖光柵溫度傳感分辨率和測量精度的方法；4)本發(fā)明高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，全部由光纖和光纖無源器件構(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，便于推動光纖光柵傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，可以廣泛用于各種領(lǐng)域。


圖1高精度多通道光纖光柵傳感系統(tǒng)示意圖.
圖2長周期光柵透射譜和布喇格光柵反射譜示意3系統(tǒng)實驗結(jié)果圖具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
圖1是本發(fā)明可實現(xiàn)高精度、多通道溫度測量的光纖光柵傳感系統(tǒng)實施例裝置示意圖，該系統(tǒng)的特征構(gòu)成是一寬帶光源(1)的輸出光經(jīng)連接光纖進入長周期光纖光柵(2)。長周期光纖光柵(2)的透射光進入1×n的分路器(3)均分地進入n個通道中。從分路器傳輸?shù)?×2的耦合器(4；9；14；19)的光信號，一部分進入光纖布喇格傳感光柵(7；12；17；22)中，另一部分進入?yún)⒖脊饴分械墓怆姸O管(6；11；16；21)中。傳感光柵的反射光進入信號光路中的光電二極管(5；10；15；20)中，傳感光柵的透射光分別進入折射率匹配液(8；13；18；23)中。所有光電二極管的輸出信號被輸入數(shù)據(jù)采集卡(24)和計算機(25)；由計算機(25)進行數(shù)據(jù)的實時分析、處理、顯示。
本發(fā)明可實現(xiàn)高精度、多通道溫度測量的光纖光柵傳感系統(tǒng)復(fù)用的通道數(shù)還可以隨1×n分路器的n值的改變而改變，可以根據(jù)具體的測量目標(biāo)，改變n值，較為靈活。
利用較大熱膨脹系數(shù)的材料封裝布喇格光纖光柵，使得布喇格光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)大大提高，所述的材料可為鋁或鋼等，光柵被槽狀或毛細(xì)管狀的上述材料封裝，傳感頭尺寸大小適當(dāng)。
所述的長周期光纖光柵(2)是利用負(fù)溫度膨脹系數(shù)的材料封裝的，封裝后長周期光纖光柵的透射譜峰值波長不隨溫度而變化。當(dāng)環(huán)境溫度改變時，不會因解調(diào)元件長周期光纖光柵的譜改變或漂移而帶來較大的測量誤差。
本發(fā)明可實現(xiàn)高精度、多通道溫度測量的光纖光柵傳感系統(tǒng)，信號的傳輸過程是這樣的寬帶光源(1)的輸出光經(jīng)長周期光纖光柵(2)調(diào)制后，經(jīng)1×n的分路器(3)進入n個通道中。通過2×2的耦合器(4；9；14；19)進入布喇格光纖光柵(7；12；17；22)和參考用的光電二極管(6；11；16；21)中。而光纖布喇格光柵(7；12；17；22)的反射光和透射光分別進入接收傳感信號的光電二極管和折射率匹配液中(8；13；18；23)。所有光電二極管的輸出信號被輸入數(shù)據(jù)采集卡(24)和計算機(25)；由計算機(25)進行數(shù)據(jù)的實時分析、處理、顯示。
本發(fā)明可實現(xiàn)高精度、多通道溫度測量的光纖光柵傳感系統(tǒng)，n個通道的解調(diào)原理是相同的。以其中第一個通道為例，信號解調(diào)原理關(guān)于長周期光柵透射譜和布喇格光柵反射譜，如圖2所示，虛線為布喇格光纖光柵(7)的反射譜，實線為長周期光纖光柵(2)的透射譜中的主損耗峰的部分光譜。主損耗峰的強度下降邊(或上升邊)所包含的波長范圍內(nèi)其光強度為線性(線性擬合誤差在10-4量級)的減小(或增大)，利用這一點可實現(xiàn)長周期光柵對寬帶光源的調(diào)制，產(chǎn)生一個在特定波長范圍內(nèi)強度為線性變化(下降或上升)的光源(可參見圖(2)中的最大損耗峰的單邊光強變化)。經(jīng)長周期光柵調(diào)制后的光在所利用的波長范圍內(nèi)的光譜是線性的。
使光纖布喇格光柵(7；12；17；22)具有合適的波長λB，使各個λB均處于長周期光柵透射譜的主損耗峰線性區(qū)范圍內(nèi)，并靠近線性區(qū)的中間位置，如圖(2)所示。當(dāng)傳感光柵(7；12；17；22)的波長被傳感信號調(diào)制時，其反射峰在線性區(qū)的位置發(fā)生變化，但其譜型不隨被測信號改變，則反射的絕對光功率將線性變化，因此光電二極管的光電流將線性變化，這樣可根據(jù)各個二極管輸出信號的大小解調(diào)各個對應(yīng)的布喇格光柵的波長變化。這一原理與線性濾波器相似，但長周期光柵相對于線性濾波器有兩點明顯優(yōu)勢，即速度快和代價小。
根據(jù)各個光電二極管的輸出值變化就能解調(diào)出對應(yīng)的布喇格傳感光柵(7；12；17；22)的中心波長漂移量，從而得知各個通道中被測量的大小。具體的數(shù)據(jù)處理參見文獻“詹亞歌，光纖光柵傳感及其信號解調(diào)技術(shù)的研究，博士論文，2005，69-72，79-80”中的處理方法。光電探測器(6；11；16；21)接收到的光強作為參考光強以消除光源波動對系統(tǒng)解調(diào)精度的影響。
系統(tǒng)的實驗結(jié)果如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)的噪聲和圖3中的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在在110C的范圍內(nèi)實現(xiàn)了0.02℃的測量分辨率和0.03℃的測量精度，并且可實現(xiàn)四通道同時測量。
權(quán)利要求
1.一種高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源(1)、長周期光纖光柵(2)、1×n的分路器(3)、2×2的耦合器(4；9；14；19)、光纖布喇格傳感光柵(7；12；17；22)、光電二極管(5；6；10；11；15；16；20；21)、折射率匹配液(8；13；18；23)、輸入數(shù)據(jù)采集卡(24)和計算機(25)，其特征是寬帶光源(1)的輸出光經(jīng)單模光纖進入長周期光纖光柵(2)，長周期光纖光柵(2)的透射光進入1×n的分路器(3)，分路器將光能量均分為n份后分別進入n個通道。在每一個通道中，從分路器傳輸?shù)?×2的耦合器(4；9；14；19)的光信號，一部分進入光纖布喇格傳感光柵(7；12；17；22)中，另一部分進入?yún)⒖脊饴分械墓怆姸O管(6；11；16；21)中，傳感光柵的反射光進入信號光路中的光電二極管(5；10；15；20)中，傳感光柵的透射光分別進入折射率匹配液(8；13；18；23)中，所有光電二極管的輸出信號被輸入數(shù)據(jù)采集卡(24)和計算機(25)，由計算機(25)進行數(shù)據(jù)的實時分析、處理、顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于長周期光纖光柵(2)是一個經(jīng)過溫度補償封裝的長周期光纖光柵，其透射譜的形狀及透射譜諧振損耗峰的峰值波長均不受溫度影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于1×n的分路器(3)，可將光源的光進行n份的均分，并可根據(jù)測量目標(biāo)確定n的具體值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于在每個通道中均有一個光纖布喇格傳感光柵、兩個光電二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖布喇格傳感光柵(7；12；17；22)經(jīng)過溫敏封裝，其溫度靈敏系數(shù)增大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于光電二極管(6；11；16；21)接收參考信號，光電二極管(5；10；15；20)接受傳感信號。
全文摘要
一種高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源(1)、長周期光纖光柵(2)、1×n的分路器(3)、2×2的耦合器(4；9；14；19)、光纖布喇格傳感光柵(7；12；17；22)、光電二極管(5；6；10；11；15；16；20；21)、折射率匹配液(8；13；18；23)、輸入數(shù)據(jù)采集卡(24)和計算機(25)，通過長周期光纖光柵和布喇格光纖光柵的結(jié)合，實現(xiàn)高精度、多通道的溫度傳感測量。通過兩種光纖光柵尤其是長周期光纖光柵在傳感系統(tǒng)中的布局結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了利用一個長周期光纖光柵解調(diào)多(n)路傳感信號，簡化了光纖光柵多通道傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的成本。本發(fā)明具有測量精度高、實時性好、系統(tǒng)簡捷、成本低、實用的特點，并可實現(xiàn)多通道同時測量。
文檔編號G01K11/32GK101021443SQ20071003814
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者詹亞歌, 楊沁玉, 薛紹林 申請人:東華大學(xué)