CN1955640A - 一种光纤光栅传感器及其波长解调方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅传感器及其波长解调方法，该光纤光栅传感器采用啁啾光纤光栅进行封装，波长解调部分包括一个宽带光源、两个光纤耦合器、两个光电探测器以及一个和光纤光栅传感器匹配的参考啁啾光纤光栅。所述宽带光源发出的光信号通过一个光纤耦合器进入光纤光栅传感器，经过光纤光栅传感器反射后，通过两个光纤耦合器分成两路，一路直接进入光电探测器，另一路通过参考光纤光栅后进入光电探测器，两路信号经过差分处理后输出。
Description
技术领域
本发明公开了一种在光纤光栅传感系统中的光纤光栅传感器及其波长解调方法，尤其是应用啁啾光纤光栅实现光纤光栅传感及其波长解调的方法。
背景技术
光纤光栅可以将外界环境的变化(如应力、应变、振动、温度变化等等)转换成自身反射光谱中心波长的变化，将光纤光栅经过适当的封装后，可以制作成特定的光纤光栅传感器。
相对于传统电量型传感器，光纤光栅传感器具有显著的优点：抗电磁干扰，可以在恶劣的环境下正常工作；光纤传输损耗小，可以远距离监测；光纤光栅性能稳定，使用寿命长；光纤光栅与光纤具有天然的兼容性，封装尺寸小，结构小巧。由于上述诸多优点，光纤光栅传感得到越来越广泛的应用。
光纤光栅传感应用需要解决的一个核心问题就是光纤光栅传感器中心波长的解调。目前实现波长解调技术通常有以下几种，它们是光谱分析技术、波长扫描技术、光学滤波技术、非平衡M-Z干涉仪解调技术以及匹配光栅解调方法等。光谱分析技术由于需要大量的数学计算，波长解调速度较低，无法适应高速动态信号的测量；波长扫描技术因为存在可动部件，其可靠性和长期稳定性有待进一步提高；光学滤波技术和非平衡M-Z干涉仪解调技术由于存在零点飘移问题目前仅适用于动态信号的测量。
传统的匹配光栅解调方法由于采用等周期的布拉格光纤光栅，其反射谱频带宽度通常不大于1nm，需要对参考光纤光栅的中心波长进行调制实现波长扫描，从而限制了解调速度及所能测量的动态范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非均匀周期(啁啾)光纤光栅传感器及其波长解调方法，具有成本低、结构简单、无须大量的信号处理、测量动态范围大、解调速度快等优点，可以弹性提高或降低波长解调的速度，同时简化波长解调系统结构，降低光纤光栅传感应用的成本。
所述光纤光栅传感器，采用啁啾光纤光栅进行封装，通过粘接或者焊接的方法将光纤光栅固定在基底材料上，封装后的光纤光栅传感器具有近似矩形的反射光谱。波长解调部分包括一个宽带光源、两个光纤耦合器、两个光电探测器以及一个和光纤光栅传感器匹配的参考啁啾光纤光栅。
所述光纤光栅传感器，可用于环境温度、结构体应力/应变以及振动情况的测量，当被测量物理量变化时，引起其反射光谱中心波长发生漂移，而反射光谱形状基本不发生改变。
所述光纤光栅传感器，其反射光谱频带宽度与被测物理量的动态范围以及测量精度相关，被测量动态范围越大、测量精度越高，所述光纤光栅的反射光谱频带宽度越大。
所述波长解调方法中，波长解调部分包括一个宽带光源、两个光纤耦合器、两个光电探测器以及一个和光纤光栅传感器匹配的参考啁啾光纤光栅。
宽带光源发出的光信号通过一个光纤耦合器进入光纤光栅传感器，经过光纤光栅传感器反射后，依次通过两个光纤耦合器后分成两路，一路直接进入光电探测器，另一路通过参考光纤光栅后进入光电探测器，两路信号经过差分处理后输出。
在所述的波长解调方法中，宽带光源的输出光谱范围应和所述光纤光纤传感器的反射光谱范围处于同一波段，并且其输出光谱宽度应大于所述光纤光栅传感器的反射光谱频带宽度。
在所述的波长解调方法中，两个光纤耦合器必需具有确定的分光比，并且其分光比不随环境温度变化而发生明显的改变。既可以使用1×2型光纤耦合器，也可使用2×2型光纤耦合器。
在所述的波长解调方法中，两个光电探测器的光电响应特性，包括频率响应参数和强度响应参数必需相同。
在所述的波长解调方法中，参考啁啾光栅具有近似矩形的反射光谱，并且其反射光谱与光纤光栅传感器初始状态下相同。通过温度控制或者其他减敏措施，使其反射光谱谱形不受环境变化的影响。参考啁啾光纤光栅的反射光谱频带宽度与被测物理量的动态范围以及测量精度相关，被测量动态范围越大、测量精度越高，所述光纤光栅的反射光谱频带宽度越大。
在所述的波长解调方法中，进入光电探测器的两路光信号，经过光电转换和必要的信号放大后，通过一个差分电路，或者经过模拟-数字转换后进行差分处理，差分结果即反映了光纤光栅传感器所测物理量的变化情况。
在所述的波长解调方法中，两路光信号差分处理方法消除了所述宽带光源输出光信号强度波动的影响，不要求所述的宽带光源具有特别稳定的输出光功率，同时在多点波分复用系统中，可以消除其他波长的光纤光栅传感器反射光强对解调结果的影响。
在所述的波长解调方法中，当光纤光栅传感器的反射光谱与参考啁啾光纤光栅的反射光谱完全重合时，差分得到的信号强度最小，理论上为0；当被测物理量发生变化，光纤光栅传感器的反射光谱发生漂移，当其反射光谱刚刚与参考啁啾光纤光栅的反射光谱完全不重合时，达到系统所能测量的最大范围，此时差分得到的信号强度最大。
附图说明
图1是啁啾光纤光栅传感器示意图。
图2是采用参考啁啾光纤光栅实现波长解调的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地介绍本发明的目的和优点，下文结合实施例、附图来做进一步的说明。
图1示意出啁啾光纤光栅传感器的结构图，可以看出纤芯内部的栅区结构的周期沿光纤芯轴方向不断变化。啁啾光纤光栅既可以采用啁啾掩模板直接曝光，也可以采用等周期光纤光栅不等强度应变封装的方式实现。啁啾光纤光栅可以通过粘胶或者焊接的方式固定在基底材料上。
图2示意出采用参考啁啾光纤光栅实现波长解调的方案。宽带光源100的输出光信号经过2001端口进入光纤耦合器200，从2003端口出射后进入啁啾光纤光栅传感器300。经过光纤光栅传感器300反射后沿原来光路返回进入光纤耦合器200，从光纤耦合器200的2002端口出射，通过光纤耦合器400后分成两束光，一束直接进入光电探测器600，另一束经过参考啁啾光纤光栅500后进入光电探测器700。两路光信号经过光电转换后，分别经由端口8001和8002进入差分电路800，差分的结果经由8003端口输出，即为最终解调信号。
由于啁啾光纤光栅传感器300和参考啁啾光纤光栅500的初始反射光谱相同，经啁啾光纤光栅传感器300反射进入参考啁啾光纤光栅500的光又被完全反射，因此在初始状态下光电探测器700探测到的信号强度最小，理论值为0；由于参考啁啾光纤光栅500经过处理后其反射光谱不随外界环境变化而改变，当啁啾光纤光栅传感器300所测量的物理量发生改变时，引起其反射光谱发生相对飘移，此时反射光谱中会有一部分超出参考啁啾光纤光栅500的反射光谱范围，从而得以进入光电传感器700，此时光电探测器700探测到的信号强度增大。由于两个啁啾光纤光栅300和400的反射光谱呈矩形分布，所以光电探测器700探测到的信号强度与啁啾光纤光栅传感器300的光谱飘移幅度成正比，从而正比于被测物理量的变化。
在解调方案中引入光电探测器600，一方面是为了消除由于宽带光源100输出光功率的波动；另一方面，在多点波分复用系统中，可以有效消除其他波长的光纤光栅传感器对解调结果的影响。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。
Claims (12)
1.一种光纤光栅传感器，其特征在于，采用啁啾光纤光栅进行封装，通过粘接或者焊接将光纤光栅固定在基底材料上，封装后的光纤光栅传感器具有近似矩形的反射光谱。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，可用于环境温度、结构体应力/应变以及振动情况的测量，当被测量物理量变化时，引起其反射光谱中心波长发生漂移，而反射光谱形状基本不发生改变。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，特征在于，其反射光谱频带宽度与被测物理量的动态范围以及测量精度相关，被测量动态范围越大、测量精度越高，所述光纤光栅的反射光谱频带宽度越大。
4.一种和权利要求1配套的光纤光栅中心波长解调方法，波长解调部分包括一个宽带光源、两个光纤耦合器、两个光电探测器以及一个和光纤光栅传感器匹配的参考啁啾光纤光栅，
宽带光源发出的光信号通过一个光纤耦合器进入光纤光栅传感器，经过光纤光栅传感器反射后，依次通过两个光纤耦合器后分成两路，一路直接进入光电探测器，另一路通过参考光纤光栅后进入光电探测器，两路信号经过差分处理后输出。
5.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，所述宽带光源的输出光谱范围应和所述光纤光纤传感器的反射光谱范围处于同一波段，并且其输出光谱宽度应大于所述光纤光栅传感器的反射光谱频带宽度。
6.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，所述两个光纤耦合器必需具有确定的分光比，并且其分光比不随环境温度变化而发生明显的改变。
7.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，所述两个光电探测器的光电响应特性，包括频率响应参数和强度响应参数必需相同。
8.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，所述参考啁啾光栅具有近似矩形的反射光谱，并且其反射光谱与光纤光栅传感器初始状态下相同。
9.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，所述参考啁啾光纤光栅，通过温度控制或者其他减敏措施，使其反射光谱谱形不受环境变化的影响。
10.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，所述参考啁啾光纤光栅的反射光谱频带宽度与被测物理量的动态范围以及测量精度相关，被测量动态范围越大、测量精度越高，所述光纤光栅的反射光谱频带宽度越大。
11.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，进入光电探测器的两路光信号，经过光电转换和必要的信号放大后，通过一个差分电路，或者经过模拟-数字转换后进行差分处理，差分结果即反映了光纤光栅传感器所测物理量的变化情况。
12.根据权利要求4所述的波长解调方法，其特征在于，两路光信号差分处理方法消除了所述宽带光源输出光信号强度波动的影响，不要求所述的宽带光源具有特别稳定的输出光功率，同时在多点波分复用系统中，可以消除其他波长的光纤光栅传感器反射光强对解调结果的影响。
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|---|---|
| CN (1) | CN1955640A (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101561536B (zh) * | 2008-04-16 | 2010-07-28 | 中国科学院半导体研究所 | 一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统 |
| CN102207458A (zh) * | 2011-04-08 | 2011-10-05 | 东北大学 | 基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法 |
| CN101769762B (zh) * | 2010-01-29 | 2011-10-19 | 武汉理工大学 | 一种光纤啁啾光栅传感解调系统 |
| CN101686087B (zh) * | 2008-09-27 | 2012-09-05 | 中国科学院半导体研究所 | 基于3×3耦合器两路输出的波长解调系统及方法 |
| CN102692268A (zh) * | 2011-03-23 | 2012-09-26 | 东南大学 | 一种用于结构振动检测的分布式光纤振动传感器 |
| CN103398808A (zh) * | 2013-07-25 | 2013-11-20 | 哈尔滨理工大学 | 基于双边带滤波器解调的双光纤光栅拉力传感器 |
| CN104848879A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-08-19 | 哈尔滨工业大学 | 基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法 |
| CN105136274A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-12-09 | 三峡大学 | 一种光纤光栅泥石流地声传感系统 |
| CN107907067A (zh) * | 2017-11-24 | 2018-04-13 | 天津大学 | 一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法 |
| CN107907152A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-04-13 | 江汉大学 | 一种相移光纤光栅传感器、探伤装置和探伤方法 |
| CN111183381A (zh) * | 2018-06-04 | 2020-05-19 | 直观外科手术操作公司 | 重叠光纤光栅 |
| CN111238553A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-06-05 | 南京航空航天大学 | 一种光纤光栅传感器波长解调方法及装置 |
| CN115112038A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-09-27 | 西北核技术研究所 | 一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法 |
-
2005
- 2005-10-24 CN CN 200510118018 patent/CN1955640A/zh active Pending
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101561536B (zh) * | 2008-04-16 | 2010-07-28 | 中国科学院半导体研究所 | 一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统 |
| CN101686087B (zh) * | 2008-09-27 | 2012-09-05 | 中国科学院半导体研究所 | 基于3×3耦合器两路输出的波长解调系统及方法 |
| CN101769762B (zh) * | 2010-01-29 | 2011-10-19 | 武汉理工大学 | 一种光纤啁啾光栅传感解调系统 |
| CN102692268A (zh) * | 2011-03-23 | 2012-09-26 | 东南大学 | 一种用于结构振动检测的分布式光纤振动传感器 |
| CN102692268B (zh) * | 2011-03-23 | 2014-06-04 | 东南大学 | 一种用于结构振动检测的分布式光纤振动传感器 |
| CN102207458A (zh) * | 2011-04-08 | 2011-10-05 | 东北大学 | 基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法 |
| CN103398808A (zh) * | 2013-07-25 | 2013-11-20 | 哈尔滨理工大学 | 基于双边带滤波器解调的双光纤光栅拉力传感器 |
| CN103398808B (zh) * | 2013-07-25 | 2015-05-13 | 哈尔滨理工大学 | 基于双边带滤波器解调的双光纤光栅拉力传感器的传感方法 |
| CN104848879B (zh) * | 2015-03-05 | 2017-06-13 | 哈尔滨工业大学 | 基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法 |
| CN104848879A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-08-19 | 哈尔滨工业大学 | 基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法 |
| CN105136274A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-12-09 | 三峡大学 | 一种光纤光栅泥石流地声传感系统 |
| CN105136274B (zh) * | 2015-06-10 | 2018-06-19 | 三峡大学 | 一种光纤光栅泥石流地声传感系统 |
| CN107907067A (zh) * | 2017-11-24 | 2018-04-13 | 天津大学 | 一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法 |
| CN107907152A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-04-13 | 江汉大学 | 一种相移光纤光栅传感器、探伤装置和探伤方法 |
| CN107907152B (zh) * | 2017-12-19 | 2023-11-17 | 江汉大学 | 一种相移光纤光栅传感器、探伤装置和探伤方法 |
| CN111183381A (zh) * | 2018-06-04 | 2020-05-19 | 直观外科手术操作公司 | 重叠光纤光栅 |
| US11506519B2 (en) | 2018-06-04 | 2022-11-22 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Overlapping fiber gratings |
| US11815371B2 (en) | 2018-06-04 | 2023-11-14 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Overlapping fiber gratings |
| CN111238553A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-06-05 | 南京航空航天大学 | 一种光纤光栅传感器波长解调方法及装置 |
| CN115112038A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-09-27 | 西北核技术研究所 | 一种高精度分布式应变测量光学系统及测量方法 |
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