CN100485324C - 全光纤型光纤光栅多参量传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤型光纤光栅多参量传感系统，一宽带光源的输出光进入长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的透射光经耦合器的第一个端臂进入耦合器，而后其中一部分光经耦合器的第二个端臂进入第一个光纤布喇格光栅，第一个光纤布喇格光栅的透射光进入折射率匹配液中，在测量高温时，长周期光纤光栅作传感元件，第一个光纤布喇格光栅作为解调元件；测量普通温度或应变时，第一个光纤布喇格光栅作为传感元件，长周期光纤光栅作为解调元件，实现传感与解调元件的功能转换应用，从而简化了光纤光栅多参量传感系统的结构，并能降低系统成本。本发明系统具有成本低、快速、简捷、实用的特点。

Description

全光纤型光纤光栅多参量传感系统

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感系统，尤其是一种用于测量多种参量的多功能型光纤光栅传感系统。

背景技术

光纤光栅作为一种光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在其中的光的传播特性得以改变的器件。

当宽带光源入射到光纤布喇格光栅(以下简称为FBG)中时，其反射光的中心波长λ_B由布喇格方程给出：λ_B＝2nΛ

其中，n为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。

当FBG所处环境的温度和(或)应变等物理量发生变化时会导致λ_B变化，测出Δλ_B即可以得出待测物理量的变化情况，因此，FBG被广泛用于测量温度、应变、应力和位移等物理量。Δλ_s在一定范围内与待测物理量的变化量成线性关系，当环境温度变化量为ΔT时，对应的波长漂移量Δλ_BT可以表示为：

Δλ_BT＝λ_B(α+ξ)ΔT

其中α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随温度变化的灵敏度系数约为13pm/℃。

当FBG受纵向应变为Δε时，对应的波长漂移量Δλ_BS可以表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{BS}}={\mathrm{\λ}}_B\{1-\frac{n^2}{2}[{\mathrm{\ρ}}_{12}-v({\mathrm{\ρ}}_{11}-{\mathrm{\ρ}}_{12})]\}\mathrm{\Δ\ϵ}$

其中，ρ₁₁和ρ₁₂为光纤的应力张量元，v为泊松比。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随应变变化的灵敏度系数约为1.15pm/με。

光纤布喇格光栅能够测量许多物理参量并具有一些明显的优势，但由于普通光纤布喇格光栅一般为在掺杂有锗元素并载氢处理的光纤中，利用紫外激光的干涉或借助相位掩模板的方法写入的，通常不能承受较高的温度，当温度高于200℃时，光栅的反射谱(或透射谱)将变形或退化。因此在可查到的报道中，利用光纤光栅传感测量高温的报道很少。但是在许多情况下，比如油井的温度、变压器的温度等都需要利用不受电磁干扰的光纤类传感器，因此研究光纤光栅传感器大有好处。

在光纤光栅传感技术中，由于被测信号是波长编码的，如何简单、快速、精确的将微小的波长移动量精确的解调出来，是FBG传感器系统中至关重要的问题。为了解决此问题，研究人员相继开发了一些波长解调技术，主要有干涉解调技术、可调谐光源解调技术、可调谐滤波解调技术、匹配滤波解调技术等。在上述解调方法中，干涉解调技术测量精度很高，但是其测量的是相对值，且测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围；可调谐光源解调技术信号检测方便，分辨率高，但是光源难以制作，成本较高；可调谐滤波解调技术解调范围大，但是扫描周期长，测试速度慢，并且重复性差；匹配滤波解调技术方法简单实用，但是解调范围太小。由于上述缺点的存在，使得波长解调技术成为FBG传感技术产业化的主要障碍之一。目前市场出售的FBG解调仪，主要是基于扫描F-P技术和干涉扫描技术的，但其制作复杂，价格相当昂贵。

普通的光纤光栅传感系统中，传感元件只有传感功能，解调元件只有解调功能，因此使得多参量传感系统的成本非常高。

因此在目前的光纤光栅传感领域，测量高温比较困难；另外，光纤传感的信号解调尤其是多参量传感的信号解调是限制光纤光栅传感系统实用化的主要原因。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可测量高温、应变、普通温度的全光纤型光纤光栅多参量传感系统，该系统能补足现有光纤光栅传感测量系统的欠缺之处，实现光纤光栅的高温传感测量。另外，该系统实现了同一个元件的解调与传感功能可转化使用，降低光纤光栅多参量传感系统的成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种全光纤型光纤光栅多参量传感系统，包括宽带光源，长周期光纤光栅，两个布喇格光纤光栅，2×2的耦合器，光隔离器，两个光电探测器，折射率匹配液，信号放大器，示波器，计算机。

宽带光源的输出光进入长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的透射光经耦合器的第一个端臂进入耦合器，而后其中一部分光经耦合器的第二个端臂进入第一个光纤布喇格光栅，第一个光纤布喇格光栅的透射光进入折射率匹配液中，而另一部分光经光耦合器的第三个端臂进入光隔离器和第二个光纤布喇格光栅中；而其反射光经耦合器的第四个端臂进入第一个光电探测器中，而光纤布喇格光栅的透射光进入第二个光电探测器中；两个光电探测器的输出信号进入信号放大器中，放大器的输出信号同时进入示波器和经模数转化器进入计算机中；在测量高温时，长周期光纤光栅作传感元件，第一个光纤布喇格光栅作为解调元件；测量普通温度或应变时，第一个光纤布喇格光栅作为传感元件，长周期光纤光栅作为解调元件。

测量对象不同时，被测物体在后附的示意图1中的位置不同。在测量高温时，被测物体位于长周期光纤光栅的下方；当测量应变或普通温度时，被测物体在光纤布喇格光栅的下方。

长周期光纤光栅是由而高频CO₂激光器制作成，其在1000℃高温以下时，谱形稳定，主损耗峰波长随温度呈线性变化。

第一光纤布喇格光栅为普通的光纤布喇格光栅；第二个光纤布喇格光栅为经过温度补偿封装的光纤布喇格光栅，其中心波长不随温度变化而漂移。

第二个光纤布喇光栅在测量任何参量时均作为信号参考光栅。

本发明中的创新之处在于通过巧妙设计两种光纤光栅在传感系统中的布局结构实现传感与解调元件的功能转换使用，即：当长周期光纤光栅作为高温传感元件时，布喇格光纤光栅作为解调元件；而当布喇格光纤光栅作为传感元件时，长周期光纤光栅作为解调元件，这样可实现低成本的解调系统和低成本的多参量测量系统。

本发明的技术效果表现在：

(1)本发明实现的高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统只需要用三个光纤光栅就能实现高温、应变和普通温度等参量的测量，并且不需要专门的波长测试设备，只需要根据光电探测器的输出值就可以精确的计算出传感光栅的峰值波长，再与初始的峰值波长相比较，就可以得出峰值波长的漂移量，从而得知被测量的大小。

(2)本发明实现的高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，具备传感元件和解调元件可转换功能使用的优点，即高温传感的传感元件——长周期光纤光栅——可作为应变和普通温度传感的解调元件；而应变和普通温度的传感元件——布喇格光纤光栅——可作为高温传感的信号解调元件；从而大大降低了多参量测量系统的成本。

(3)本发明实现的高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，利用长周期光纤光栅的主损耗峰单边实现线性滤波的功能，因此具有线性滤波解调的解调速度快、无双值问题的优点，并且采用部分信号光作为参考光，消除了由于光源波动对波长解调造成的影响。

(4)本发明实现的高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，全部由光纤和光纤无源器件构成，使用稳定可靠。所有的元器件的工艺水平都已经非常成熟，制作方便可行，便于推动光纤光栅传感技术的产业化进程，可以广泛用于各种领域。

附图说明

图1是本发明传感系统示意图；

图2是长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，其特征构成是：一宽带光源1的输出光经连接光纤2进入高温稳定型的长周期光纤光栅3。长周期光纤光栅3的透射光经光纤2和2×2耦合器4的第一个端臂5进入耦合器4；而后其中一部分光经耦合器4的第二个端臂6进入第一个光纤布喇格光栅7，而另一部分光经光耦合器4的第三个端臂8进入光隔离器9和第二个光纤布喇格光栅10中。光纤布喇格光栅7的透射光进入折射率匹配液11中，而其反射光经耦合器4的第四个端臂12进入第一个光电探测器13中，而光纤布喇格光栅10的透射光进入第二个光电探测器14中。两个光电探测器13，14的输出信号进入信号放大器15中，放大器15的输出信号分两路，一路经模数转化器16被输入计算机17中，另一路信号进入示波器18中，而被测物体19在图中的位置是由实际测量目标而定。

在测量高温时，长周期光纤光栅3作传感元件，第一个光纤布喇格光栅7作为解调元件；测量普通温度或应变时，第一个光纤布喇格光栅7作为传感元件，长周期光纤光栅3作为解调元件。

本发明高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，当测量高温时，其中的被测物体19在整个系统装置示意图中的位置如图1中所示的；当测量应变或普通温度时，被测物体19在整个系统中的位置应该在第一个光纤布喇格光栅7的下方。

所述的长周期光纤光栅3是借助高频CO₂激光器制作成的，其在高温时(1000℃以下)谱形稳定，主损耗峰的峰值波长随温度呈线性变化。光纤布喇格光栅7为普通的光纤布喇格光栅，而其中的第二个光纤布喇格光栅10为经过温度补偿封装的光纤布喇格光栅，其中心波长不随温度的变化而漂移。

本发明高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，所述的布喇格光栅7和温度补偿封装的光纤布喇格光栅10，前者为传感(或解调)光栅，而后者为信号参考光栅，两者的布喇格中心波长、带宽、反射率等参数应匹配，且两者的布喇格中心波长应与长周期光纤光栅主损耗峰的波长匹配。

本发明高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统，无论是测量高温、应变和普通温度中的任何一种参量，信号的传输过程是这样的：宽带光源的输出光经长周期光纤光栅3调制后，经2×2的耦合器后，一部分进入光纤布喇格光栅7，而其中另一部分经隔离器进入第二个光纤布喇格光栅10，光纤布喇格光栅7的反射光和光纤布喇格光栅10的透射光分别进入第一个光电探测器13和第二个光电探测器14，然后均进入信号放大器，最后进行数据的处理和显示。

本发明高温、应变和普通温度等的多参量全光纤型传感系统的信号解调原理：关于长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱，如图2所示，虚线为布喇格光纤光栅7的反射谱，实线为长周期光纤光栅的透射谱中的主损耗峰。主损耗峰的强度下降边(或上升边)所包含的波长范围内其光强度为线性(线性拟合误差在10^-4量级)的减小(或增大)，利用这一点可实现长周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在特定波长范围内强度为线性变化(下降或上升)的光源(可参见图2中的最大损耗峰的单边光强变化)。经长周期光栅调制后的光在所利用的波长范围内的光谱是线性的。

使光纤布喇格光栅7具有合适的波长，使其中心波长λB处于长周期光栅透射谱的主损耗峰线性区范围内，并靠近线性区的中间位置，如图2所示。当测量应变或普通温度时，传感光栅7被固定于被测物体或处于被测的温度环境中，当传感光栅7的波长被传感信号调制时，其反射峰在线性区的位置发生变化，但其谱型不随被测信号改变，则反射的绝对光功率将线性变化，因此光电探测器的光电流将线性变化，这样可解调布喇格光栅的波长变化。这一原理与线性滤波器相似，但长周期光栅相对于线性滤波器有两点明显优势，即速度快和代价小。

当测量高温时，长周期光纤光栅受到高温的调谐，其主损耗峰的峰值波长变化，但长周期光纤光栅透射光谱的形状不变，因此只是布喇格光栅中心波长与主损耗峰波长的相对距离发生变化，即只是布喇格中心反射峰在长周期光纤光栅透射谱主损耗峰的线性区的相对位置发生变化，因此布喇格光栅反射的绝对光功率将线性变化。

根据光功率变化引起的两个光电探测器的输出值变化就能解调出光纤布喇格光栅7的中心波长漂移量或长周期光纤光栅3的主损耗峰的峰值波长漂移量，从而得知被测量的大小。具体的数据处理参见文献“詹亚歌，向世清，何红等，光纤光栅高温传感器研究，中国激光，2005，Vol.33，No.9，711-715”以及“詹亚歌，光纤光栅传感及其信号解调技术的研究，博士论文，2005，69-72，79-80”中的处理方法。光电探测器14接收到的光强作为参考光强以消除光源波动对系统解调精度的影响。

Claims (5)

1、一种全光纤型光纤光栅多参量传感系统，包括宽带光源(1)，长周期光纤光栅(3)，第一个光纤布喇格光栅(7)和第二个光纤布喇格光栅(10)，2×2的耦合器(4)，光隔离器(9)，第一个光电探测器(13)和第二个光电探测器(14)，折射率匹配液(11)，信号放大器(15)，示波器(16)，计算机(18)；其特征在于：所述宽带光源(1)的输出光进入长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的透射光经耦合器(4)的第一个端臂(5)进入耦合器(4)，而后其中一部分光经耦合器(4)的第二个端臂(6)进入第一个光纤布喇格光栅(7)；而另一部分光经耦合器(4)的第三个端臂(8)进入光隔离器(9)和第二个光纤布喇格光栅(10)中；第一个光纤布喇格光栅(7)的透射光进入折射率匹配液(11)中，而其反射光经耦合器(4)的第四个端臂(12)进入第一个光电探测器(13)中，而第二个光纤布喇格光栅(10)的透射光进入第二个光电探测器(14)中；第一个光电探测器(13)和第二个光电探测器(14)的输出信号均进入信号放大器(15)中，放大器(15)的输出信号同时进入示波器(16)和经模数转化器(17)进入计算机(18)中；在测量高温时，长周期光纤光栅(3)作为传感元件，第一个光纤布喇格光栅(7)作为解调元件；测量普通温度或应变时，第一个光纤布喇格光栅(7)作为传感元件，长周期光纤光栅(3)作为解调元件。

2.根据权利要求1所述的全光纤型光纤光栅多参量传感系统，其特征在于测量目标不同时，被测物体(19)在示意图中的位置不同：在测量高温时，被测物体(19)位于长周期光纤光栅(3)的下方；当测量应变或普通温度时，被测物体(19)在第一个光纤布喇格光栅(7)的下方。

3.根据权利要求1或2所述的全光纤型光纤光栅多参量传感系统，其特征在于，所述长周期光纤光栅(3)是由高频CO₂激光器制作成，其在1000℃高温以下时，谱形稳定，主损耗峰波长随温度呈线性变化。

4.根据权利要求1所述的全光纤型光纤光栅多参量传感系统，其特征在于，所述第一个光纤布喇格光栅(7)为普通的光纤布喇格光栅；所述第二个光纤布喇格光栅(10)为经过温度补偿封装的光纤布喇格光栅，其中心波长不随温度变化而漂移。

5.根据权利要求1或4所述的全光纤型光纤光栅多参量传感系统，其特征在于，所述第二个光纤布喇格光栅(10)在测量任何参量时均作为信号参考光栅。

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