CN101603842A - 一种光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和光纤光栅，其特征在于：-固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，-宽带光源注入的探测光通过固定波长的滤波器后，只有一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测物理量变化达到一定量值时，光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，这时，光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了反射或耗散，探测器探测到光信号的变化，从而探测到物理量的变化。

Description

一种光纤光栅传感器

所属技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，是借助光纤和光纤光栅进行探测的传感器，探测物理量变化的方法，这个物理量可以是温度等等，该方法属于传感技术领域。

背景技术

我们知道，光纤是传导光信号的通道，由于其结构特点，光纤对所处的环境十分敏感，如温度的变化，使光纤收缩，结果导致它发生容易探测到的变化，如光信号的衰减增加。当光纤受到机械应力、压力变化、电场或磁场变化时，也会发生上述的变化，因此，许多已知的传感器，用光纤探测物理量的变化。在一部分这种传感器中使用了光纤光栅，比较典型的是布拉格光栅。以下我们将光纤光栅称为布拉格光栅，但并不是将本发明的应用仅仅限于布拉格光栅。

布拉格光栅作为一种波长选择反射器，反射光谱的波长(即反射波长带)会受应力变化的影响而产生移动，通过对反射波长带移动的监测即可知道物理量的变化情况。现有的布拉格光栅测试装置是利用宽带光源注入到布拉格光栅，并根据布拉格光栅对光源的反射光信号波长的变化进行的测量，但是这种方法需要昂贵的仪器对反射波长进行解调确定，该装置包括宽带光源和复杂的波长解调装置，使得该装置在实际工程应用中因高昂的成本而受到限制。

发明内容

本发明的目的是制定一种使用光纤光栅(如布拉格光栅)的传感器，以避免上述缺陷。

为此，本发明提出了一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测物理量变化的光纤光栅，其特征在于：

-固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，

-宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，探测光通过固定波长的滤波器后，只有上述的一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测物理量变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带，至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的反射或耗散，即通过固定波长滤波器的光信号减少，探测器探测到光信号有明显的变化，从而探测到所述物理量的变化。

本发明是探测受监测物理量变化的一种光纤光栅传感器，是利用了透射光信号的变化，确定所述测量点的物理量的变化：如果在一个光纤光栅附近的受监测的物理量发生了变化，且发生的变化达到了我们关心的程度，这时光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖了可以通过固定波长滤波器的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的反射或耗散，探测器检测到透射光的变化，这说明有应力存在，从而可探测到相应物理量的变化。

在实际工程中，我们常常只需要获取一部分物理量变化的数据，就可以达到我们的目标，如火灾温度报警系统中，对在25℃以下时的温度状态我们不是迫切需要了解，我们只需设定一个监测报警温度，如65℃，然后在作为传感器的光纤上的光纤光栅，测量出该光纤光栅在65℃时的选择性作用波长带并选取与之匹配的固定波长的滤波器，固定波长的滤波器允许通过的波长带，与在65℃时光纤光栅的选择性作用波长带交叉重叠，所述光纤光栅在常温(如20℃)时，其选择性作用波长带与固定波长的滤波器允许通过的波长带有波长差，这时探测器可以探测到光信号，将该传感器安装在监测的地方，如仓库等，在通常情况下，环境温度一般不会达到65℃，所以注入传感器光纤中的探测光信号在损失较少的通过了光纤光栅和固定波长的滤波器，在光纤的出射端的探测器可以测得透过光信号的强度，并以此为基准，只有当测量点处的温度接近或达到65℃时，该测量点处的光纤光栅选择性作用波长带就会漂移并与固定波长的滤波器允许通过的波长带交叉重叠，从而对固定波长的滤波器允许通过的探测光信号产生相当的反射或耗散，这时，探测器上会监测到透过光信号的强度的明显的变化，从而触发了火灾温度报警条件，达到了监测的目的。

上述事例，也可以用宽光源和波长解调装置组成的系统来实现，该系统会获得从常温到报警温度间基本连续的温度下所有光纤光栅的数据，然后在测量点的温度在接近或达到报警温度时报警，可以看出该系统测试获得了大量意义不大的数据，昂贵的仪器对维护要求也是较高的。所以在类似事例中，用宽光源和复杂的波长解调装置组成的监测系统，相对于采用本发明方法的监测系统显然是不经济的。

在实际工程条件下，仅监测物理量的一个量值常常是不够的，所以可以设置多个固定波长的滤波器，其允许不同的光波长带通过，且其允许通过的波长带都不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有不同的预设波长差值，从而可以探测出测量点处物理量变化的多个量值，同时就可以看出测量点物理量变化的趋势，以便更好的监测。

可以在一根光纤上的多个测量点分别设置多个光纤光栅，且光纤光栅具有基本相同的选择性作用波长带，从而测量多个点的物理量的变化。

附图说明：

图1是表示一个布拉格光栅的反射光谱、一个固定波长的滤波器允许通过的光谱及两者的关系图；

图2是表示一个长周期光纤光栅的透射光谱、一个固定波长的滤波器允许通过的光谱及两者的关系图；

图3是表示有关本发明的第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图；

图4是表示有关本发明的第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图；

图5是表示有关本发明的第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图；

图中：         3一宽带光源，

               4一光分路器，

   5，5a，5b，5n一光纤光栅，

   6，6a，6b，6n一光探测器，

               7一光纤，

10，10a，10b，10n一固定波长的滤波器。

具体实施方式

图1中的曲线1示意性地表示了一个布拉格光栅的反射光谱，λ₁和λ₂分别是该布拉格光栅反射波长的下限和上限波长，在这两个波长内所有的波长都是布拉格光栅可以反射的波长，这里称为反射波长带。曲线2示意性地表示了一个固定波长的滤波器允许通过的光谱，λ₃和λ₄分别是该波长带的下沿和上沿波长，λ₂和λ₃之间的距离就是所述的预设波长差。

图2中的曲线11示意性地表示了一个长周期光纤光栅的透射光谱，λ₁和λ₂分别是该长周期光纤光栅耦合衰减波长的下限和上限波长，长周期光纤光栅对在这两个波长内所有的波长都是有衰减的，这里称为耗散波长带。曲线2示意性地表示了一个固定波长的滤波器允许通过的光谱，λ₃和λ₄分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，λ₂和λ₃之间的距离就是所述的预设波长差。

第一实施方式

图3是表示第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第一实施方式的光纤光栅传感器由宽带光源3、光探测器6、固定波长的滤波器10、位于测量点处用于监测物理量变化的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。

固定波长的滤波器10允许通过的波长带与光纤光栅5的反射波长带有一个预设的差值，从宽带光源3输出的探测光信号通过光纤7，而达到光纤光栅5，光纤光栅5对宽带光源3注入的探测光信号有一窄带光反射，在被监测物理量无变化或变化未达到我们关心的程度时，反射光信号的波长不在固定波长的滤波器10允许通过的波长带内，即这时宽带光源中必有一窄光信号通过固定波长的滤波器10，到达探测器；当被监测点的物理量变化到我们关心的程度时，位于所述测量点的光纤光栅5的反射波长带至少漂移了所述的预设波长差值，即该测量点处的光纤光栅反射波长带就与固定波长的滤波器允许通过的波长带有交叉重叠，此时，会至少有一部分能通过固定波长的滤波器的光信号被反射掉，这时通过固定波长的滤波器的光信号减少，探测器上会监测到明显的光信号变化，从而检测到物理量的变化。

第二实施方式

图4是表示第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第二实施方式的光纤光栅传感器由宽带光源3、光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n、光分路器4、固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器10b、固定波长的滤波器10n、位于测量点用于监测物理量变化的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。

从宽带光源3输出的探测光信号，光纤光栅5对宽带光源3注入的探测光信号有一窄带光反射，透射的光信号经过光分路器4和光纤7到达固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器10b和固定波长的滤波器10n，固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器10b、固定波长的滤波器10n有不同的允许通过的波长带，并与光纤光栅5的反射波长带有不同的预设差值，被监测物理量的变化会引起光纤光栅5的反射波长带的漂移，当反射波长带漂移了不同的预设波长差值时，光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n会探测到明显的光信号，我们就可以检测到物理量变化的多个量值。

第三实施方式

图5是表示第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第三实施方式的光纤光栅传感器由宽带光源3、固定波长的滤波器10、光探测器6、位于测量点用于监测物理量变化的光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n、以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。

从宽带光源3输出的探测光信号，通过光纤7，而达到具有基本相同反射波长带的光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n，固定波长的滤波器10允许通过的波长带与光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n的反射波长带有一个预设的差值，当位于某个测量点的被监测物理量的变化引起光纤光栅的反射波长带的漂移，且反射波长带漂移了所述的预设波长差值时，就会有一部分通过固定波长的滤波器10的光信号被反射掉，这样通过固定波长的滤波器10进入到光探测器6的光信号减少，从而我们就可以检测到物理量的变化。

可见，根据本发明的探测的方法比现有技术的方法简单。

当然，本发明并不限于前面所介绍的实施方式，我们可以将整个装置用另一种等价装置代替，而不超出本发明的范围。

Claims (3)

1.一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测物理量变化的光纤光栅，其特征在于：

-固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，

-宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，探测光通过固定波长的滤波器后，只有上述的一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测物理量变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带，至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的反射或耗散，即通过固定波长滤波器的光信号减少，探测器探测到光信号有明显的变化，从而探测到所述物理量的变化。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：可以设置多个固定波长的滤波器，其允许不同的光波长带通过，且其允许通过的波长带都不在光纤光栅的反射波长带内，并与所述的反射波长带有不同的预设波长差值，从而可以探测出测量点处物理量变化的多个量值。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：可以在一根光纤上的多个测量点分别设置多个光纤光栅，且这些光纤光栅具有基本相同的反射波长带。

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