CN101413809B - 多功能光纤光栅传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能光纤光栅传感系统，宽带光源的输出光经长周期光纤光栅调制后进入一光分束器，分束后分别进入一个光耦合器、一个光隔离器和一个光电探测器。耦合器的出射光进入第一个光纤布喇格光栅；光隔离器的出射光进入另一个光分束器，该分束器的出射光分两部分，第一部分进入第二个光纤布喇格光栅，第二部分经第二个耦合器进入第三个布喇格光纤光栅；三个布喇格光纤光栅的反/透射光被相应的光电探测器接收，所有光电探测器的输出信号被数据采集卡采集并被计算机处理。本发明具有测量多个不同参量的功能；并具有自动消除光源输出功率波动引起的测量误差的功能；同时具有自动消除环境温度变化引起的测量误差的功能。

Description

多功能光纤光栅传感系统

技术领域

本发明属光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种具有测量多种参量功能、自动消除系统主要误差功能、自解调功能的多功能光纤光栅传感系统。

背景技术

光纤光栅是在光纤中建立起某种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的一种光学元件。

当宽带光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(布喇格波长)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。

FBG的应变极其环境温度等物理量发生变化时会导致λ_B变化，测出波长变化量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_B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的轴向应变为Δε时，对应的波长漂移量Δλ_BS可以表示为：

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

其中，ρ_l1和ρ_l2为光纤的应力张量元，ν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。

当FBG的表面压强为ΔP时，对应的波长漂移量Δλ_BP可以表示为

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

其中，E为光纤的杨氏模量。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随压强变化的灵敏度系数约为3×10^-3nm/MPa，可把光纤光栅放入中空的玻璃管等装置中以提高该灵敏度。

虽然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不能承受较高的温度，当温度高于200℃时，光栅的反射谱将变形或退化，这将使测量有较大的误差或导致测量失败。因此利用光纤光栅测量高温比较困难，在可查到的报道中，利用光纤光栅测量高温的报道很少。但是在许多情况下，比如油井的温度、电站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。

在利用光纤光栅传感测量时，由于被测信号为波长编码，如何简单、快速、精确地解调出波长(改变量)，是FBG传感系统中至关重要的问题。因此，研究人员相继开发了许多波长解调技术，主要有干涉解调法、可调谐光源法、可调谐滤波法、匹配滤波法等。在上述解调方法中，干涉解调的测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围；可调谐光源难以制作，成本较高；可调谐滤波的扫描周期长，测试速度慢，且重复性差；匹配滤波的解调范围太小。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。

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，因此多参量传感系统的成本通常很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可测量应变、温度、压强、振动等的多功能型光纤光栅传感系统，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。该系统实现了一个元件具有解调与传感的双重功能，并实现了一个元件解调多个传感头信号的功能，简化了系统结构，降低了系统成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多功能光纤光栅传感系统，包括宽带光源，长周期光纤光栅，两个光分束器，三个布喇格光纤光栅，两个光耦合器，光隔离器，四个光电探测器，折射率匹配液，信号放大器，数据采集卡和一台计算机，所述宽带光源的输出光经长周期光纤光栅调制后进入第一个分束器；分束后分别进入第一个光耦合器、光隔离器和第一个光电探测器；第一个光耦合器的输出光射入第一个布喇格光纤光栅；光隔离器的出射光经第二个分束器进入第二个布喇格光纤光栅和第二个耦合器以及第三个布喇格光纤光栅；第一个布喇格光纤光栅的反射光、第三个布喇格光纤光栅的反射光、第二个布喇格光纤光栅的透射光分别被第二个光电探测器、第三个光电探测器和第四个光电探测器接收；所有光电探测器的输出信号经信号放大器放大后被数据采集卡采集，并经计算机处理。

在测量高温时，所述的长周期光纤光栅作传感元件，第一个布喇格光纤光栅作为解调元件。

分别以所述的第一个布喇格光纤光栅和第三个布喇格光纤光栅作传感头，以长周期光纤光栅为解调元件，应变、压强、振动和普通温度四个参量中的任意两个可同时测量；第二个布喇格光纤光栅作为整个系统的参考元件，其输出信号用于消除环境温度改变引起的测量误差，当环境温度较稳定时，系统中三个布喇格光纤光栅均可被用作传感元件，实现三个参量同时测量。

在测量高温时，被测物体位于长周期光纤光栅2的下方，当测量其他参量时，被测物体在布喇格光纤光栅的下方。

所述的长周期光纤光栅2是利用电弧法制作的。

有益效果

一个长周期光纤光栅可解调系统中所有的多个传感元件的信号，且该长周期光纤光栅具有解调与传感双重功能；系统具有自动消除因光源输出功率波动和环境温度改变而引起的误差的功能；该发明系统具有测量多个参量的功能，并具有低成本的解调系统。

本发明的技术效果表现在：

(1)本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，只需几个光纤光栅就能实现应变、温度、压强、振动等多个参量的测量，且不需专门的波长解调设备，根据光电探测器的输出值就可以精确的计算出光栅波长，再与初始波长相比较，就可以得出波长漂移量，从而得知被测量的大小。

(2)本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，其中的长周期光纤光栅具有传感元件与解调元件双重功能，既可用于高温传感，又可用于其他参量的解调元件；而布喇格光纤光栅既可作为高温解调元件，又可作为其他参量的传感元件；这使得该多功能系统的成本较低。

(3)本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，利用长周期光纤光栅的主损耗峰单边实现线性滤波，具有解调速度快、无双值问题等优点，且采用部分信号光作为参考光，消除了因光源输出功率波动而引起的测量误差。

(4)本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，利用其中一个布喇格光纤光栅的输出信号作参考信号，消除了因环境温度波动而引起的测量误差。

(5)本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，所有光纤和元器件的工艺水平都已非常成熟，制作方便可行。其可广泛用于各种领域，对推动光纤光栅传感技术的实用化和产业化进程有重要意义。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

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

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，其特征构成是：宽带光源1的输出光经长周期光纤光栅2调制后进入第一分束器3；分束后分别进入第一个光耦合器5、光隔离器6和第一个光电探测器4；第一个光耦合器5的输出光射入第一个布喇格光纤光栅7；光隔离器6的出射光经第二个分束器9进入第二个布喇格光纤光栅10和第二个耦合器11以及第三个布喇格光纤光栅13；第一个布喇格光纤光栅7、第三个布喇格光纤光栅13的反射光及第二个布喇格光纤光栅10的透射光分别被第二个光电探测器8、第三个光电探测器15和第四个光电探测器12接收；所有光电探测器的输出信号经信号放大器16放大后被数据采集卡17采集，并经计算机18处理。

本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，无论是测量任何一种参量，信号的传输过程都与上述步骤相同。

在测量高温时，长周期光纤光栅2作传感元件，第一个布喇格光纤光栅7作为解调元件；测量其他参量时，第一个布喇格光纤光栅7和第三个布喇格光纤光栅13作为传感元件，长周期光纤光栅2作为解调元件。为消除测量过程中环境温度变化而引起的测量误差，系统利用第二个布喇格光纤光栅10作为的信号参考元件。

所述的长周期光纤光栅2是借助电弧法写入光纤的，其在1200℃高温以下时，谱形稳定，主损耗峰波长随温度线性变化。三个布喇格光纤光栅为普通的光纤光栅。

本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统，所述三个布喇格光纤光栅的布喇格中心波长、带宽、反射率等参数应匹配，且所有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。

本发明实现的应变、温度、压强、振动等多功能传感系统的信号解调原理：以其中一个传感用光纤布喇格光栅为例，其反射谱和长周期光纤光栅的透射谱(局部)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。

使布喇格光纤光栅7具有合适的波长，使其中心波长λ_B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。当光栅7被某一被测参量调制时，其反射谱峰在线性区的位置将随被测参量的大小而移动，但其谱型不随被测信号改变，因此光栅7反射的绝对光功率将线性变化，使光电探测器的光电流线性变化。根据数据采集卡采集到的对应信号的大小可解调布喇格光栅的波长变化，即可被计算机计算出被测参量的大小，并被显示在屏幕上。这利用了线性滤波的原理，但该系统的解调元件比市售的线性滤波器有明显优势：速度快；代价小；一个长周期光纤光栅可同时解调多个传感元件，例如，该发明系统中的第一个布喇格光纤光栅7和第二个布喇格光纤光栅13的信号。

当以布喇格光纤光栅13作为另一参量的敏感元件时，其解调原理与上述原理一致，这里不再赘述。当测量高温时，长周期光纤光栅2受到高温调制，光谱线性区将会平移，但谱形不变，各损耗峰波长绝对值变化，而布喇格光纤光栅13的中心波长λ_B不变，因此与上述原理中两个峰的相对位置改变类似，布喇格光栅反射峰与长周期光纤光栅主损耗峰的在图2光谱图中的相对位置也将线性变化，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光电探测器的输出值变化就能解调出光纤布喇格光栅的反射谱中心波长漂移量或长周期光纤光栅主损耗峰的波长漂移量，从而得知被测量的大小。光电探测器4接收到的信号作为参考光以消除光源输出功率波动引起的测量误差。

Claims (5)

1.一种多功能光纤光栅传感系统，包括宽带光源(1)，长周期光纤光栅(2)，两个光分束器(3，9)，三个布喇格光纤光栅(7，10，13)，两个光耦合器(5，11)，光隔离器(6)，四个光电探测器(4，8，12，15)，折射率匹配液(14)，信号放大器(16)，数据采集卡(17)和一台计算机(18)，其特征在于：所述宽带光源(1)的输出光经长周期光纤光栅(2)调制后进入第一个分束器(3)；分束后分别进入第一个光耦合器(5)、光隔离器(6)和第一个光电探测器(4)；第一个光耦合器(5)的输出光射入第一个布喇格光纤光栅(7)；光隔离器(6)的出射光经第二个分束器(9)进入第二个布喇格光纤光栅(10)和第二个光耦合器(11)以及第三个布喇格光纤光栅(13)；第一个布喇格光纤光栅(7)、第三个布喇格光纤光栅(13)的反射光及第二个布喇格光纤光栅(10)的透射光分别被第二个光电探测器(8)、第三个光电探测器(15)和第四个光电探测器(12)接收；所有光电探测器的输出信号经信号放大器(16)放大后被数据采集卡(17)采集，并经计算机(18)处理。

2.根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感系统，其特征在于：在测量高温时，所述的长周期光纤光栅(2)作传感元件，第一个布喇格光纤光栅(7)作为解调元件。

3.根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感系统，其特征在于：分别以所述的第一个布喇格光纤光栅(7)和第三个布喇格光纤光栅(13)作传感头，以长周期光纤光栅(2)为解调元件，应变、压强、振动和普通温度四个参量中的任意两个可同时测量；第二个布喇格光纤光栅(10)作为整个系统的参考元件，其输出信号用于消除环境温度改变引起的测量误差，当环境温度较稳定时，系统中三个布喇格光纤光栅均可被用作传感元件，实现三个参量同时测量。

4.根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感系统，其特征在于：在测量高温时，被测物体位于长周期光纤光栅(2)的下方，当测量其他参量时，被测物体在布喇格光纤光栅的下方。

5.根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感系统，其特征在于：所述的长周期光纤光栅(2)是利用电弧法制作的。

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