CN101825434A - 一种基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法，本发明属于光电检测技术领域。由宽带光源1、光纤环形器2及其光纤链路(31、32、33)、传感用光纤光栅4、双拱形梁5、基座6、螺旋千分螺丝7、解调用闪耀光纤光栅8、折射率匹配液槽9、柱状透镜10、光纤阵列11、CCD光电探测器12、信号处理单元13及计算机14组成。其特点是传感用光纤光栅4的反射光谱信号将在被测微位移的作用下展宽，该信号由解调用闪耀光纤光栅8以一定的辐射角度发送至光纤阵列11，并传至CCD光电探测器12，基于高斯拟合算法，通过识别CCD光电探测器12接收到的光斑大小对应被测位移，避免了光强波动、光纤传输损耗等给测量带来的误差。

Description

一种基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法，属于光电检测技术领域。

背景技术

目前，现有的光纤光栅位移检测系统多采用基于压电陶瓷位移驱动器在电信号的作用下使得压电陶瓷产生形变，从而使得粘贴在其上面的光纤光栅传感器的反射波长信号移动，通过检测反射波长的移动量实现对位移的测量。或者采用一些机敏结构将位移转变成光纤光栅所受的应变，而且一般都是光纤光栅受到等应变的作用，从而使光纤光栅传感器的反射波长发生移动。而检测光纤光栅传感器反射波长移动量的技术和方法大多都很庞大和复杂，有些技术和方法成本较高、且不适合于实际应用。如采用光谱分析仪直接测量光纤光栅传感器波长移动量的大小，这种方法现象直观，直接在光谱仪的屏幕上观察和读取波长移动量，但自动化程度低、不适合现场实时检测和信号的进一步处理，光谱仪的价格一般都在20万人民币以上。基于可调谐FP滤波器的波长解调方法体积较小，但其中需要利用压电陶瓷对FP干涉腔的腔长进行调谐，以便实现对光纤光栅传感器反射波长的扫描检测。由于这种方法在检测过程中存在移动部件，压电陶瓷具有回滞现象，因此系统的稳定性不高，而且该方法的成本较高，一般也在十几万元以上。

此外，由于光纤光栅本身具有应变和温度交叉敏感的特性，而目基于光纤光栅的传感器设计和信号的解调方法要么不能实现应变信号和温度信号的分离检测，要么需要增加特殊的结构和元器件，再结合特殊的算法才能实现应变和温度的分离检测，才能解决光纤光栅传感器交叉敏感的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种新颖、结构简单、成本低，操作方便、易于加工生产的光纤光栅微位移传感器及其信号的解调方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法，包括传感器单元、信号解调单元以及连接它们的光纤环形器及其光纤链路、信号处理单元及计算机系统，所述的传感器单元包括宽带光源以及产生微位移的螺旋千分螺丝，其特征在于：所述的传感单元包括一个双拱形梁和粘贴在双拱形梁一端与中心之间的传感用光纤光栅；所述的信号解调单元包括一只解调用闪耀光纤光栅、具有折射率匹配作用的折射率匹配液槽、柱状透镜、光纤阵列和CCD光电探测器；宽带光源发出的光经过光纤环形器发送至传感用光纤光栅，在被测微位移信号的作用下，传感用光纤光栅的反射光信号再次经过光纤环形器，并经其光纤链路发送至解调用闪耀光纤光栅，并以一定的辐射角辐射出去，辐射光经过柱状透镜汇聚后由光纤阵列接收，并同时传送至与其相连的CCD光电探测器，光电探测器将光斑信号转换成电信号后发送至与其相连的信号处理单元及计算机系统。

本发明所述的宽带光源采用中心波长范围为1523nm～1568nm的ASE光源，所述的传感用光纤光栅及光纤环形器的工作波长为1550nm。所述的双拱形梁采用有机玻璃材料制成，厚度为3mm，长度为130mm；所述的光纤链路采用单模光纤，芯径为9μm。

本发明的技术特征还在于：所述的光纤阵列由24根多模光纤构成，多模光纤的芯径为62.5μm，包层直径为125μm；每根光纤之间的距离为250μm。所述的解调用闪耀光纤光栅栅格的倾斜角为2°；CCD光电探测器采用型号为Sony ILX511，其包含2048个尺寸为14μm的像素。

本发明具有如下特点：①仪器结构简单、设计新颖、成本较低、实用性强。②传感用光纤光栅的测量信号是反射谱带宽的变化，而不是反射波长的变化。③用一只传感用光纤光栅就可以实现温度与应变的分离测量，解决交叉敏感问题，因为温度只影响光纤光栅反射波长的移动量，而不影响反射光谱的宽度。④解调方法是识别闪耀光纤光栅辐射光斑大小的变化，而不是光强度的变化，这样就大大降低了光强波动、光纤扰动等对测量结果的影响。

附图说明

图1为本发明提供的基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器整体原理结构示意图。

图2为本发明中基于有限元分析方法的双拱形梁在微位移作用下产生的应变分布。

(a)双拱形梁的应力分布图。

(b)双拱形梁上表面的应变分布图。

图3为利用本发明仿真计算得出的被测位移与传感用光纤光栅反射光谱变化图。

图4为利用本发明CCD光电探测器探测到的由光纤阵列采集的光斑信息。

图5为利用本发明测得的微位移与光斑大小的实验测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的说明。

图1为本发明提供的基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器整体原理结构示意图。宽带光源发出的光经过光纤环形器发送至传感用光纤光栅，该光纤光栅粘贴在双拱形梁的一端至中心点之间。被测微位移由螺旋千分螺丝提供。当微位移施加在双拱形梁的上表面时，梁将产生形变，使得粘贴在其上的光纤光栅受到应变的作用。传感用光纤光栅的反射光谱信号被微位移调制后反射，再经过光纤环形器发送至解调用闪耀光纤光栅，该闪耀光纤光栅将信号光以一定的角度辐射到柱状棱镜，汇聚后由光纤阵列接收，然后传至CCD光电探测器。经过CCD的光电转换后，由信号处理电路和计算机系统进行采集和处理。

被测微位移引起双拱形梁形变，梁的长度为130mm，利用有限元分析方法对梁在位移(力)的作用下产生的应变分布进行分析，得到的结果如图2所示。由图2可见，梁的上表面应变分布情况可分三个区域，其中两段是正应变区(DC段和AB段)，一段是负应变区(CA段)。从图2(b)可见，在梁上表面距中心2cm至3cm范围内，其应变变化随位置成线性关系。而且在距中心2cm至2.5cm范围内，梁承受的是负应变；而在距中心2.5cm至3.0cm范围内，梁承受的是正应变。这样，如果传感用光纤光栅的长度小于10mm，并且对称粘贴在正负应变区部分，使得该光纤光栅一半受到负应变，而另一半受到正应变作用，此时该光纤光栅将变成啁啾光栅，致使其反射光谱展宽。如图3所示，随着被测位移的增加，光纤光栅反射光谱的宽度不断增加。也就是说，随着被测微位移的增加，传感用光纤光栅的反射光谱中将容纳更多波长的光信号。

由体电流分析方法可知，入射到闪耀光纤光栅的光信号的波长与辐射角之间存在下面的关系：

$\cos \mathrm{\ξ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{n_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\λ}\right)-\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\Λ}}_g}\cos \mathrm{\θ}}{n_0}---\left(1\right)$

式中，Λ_g是闪耀光纤光栅的周期，λ是入射光的光波长，ξ是闪耀光纤光栅在入射波长为λ时辐射光的辐射角，θ为闪耀光纤光栅栅格的倾斜角度，n₀为光纤纤芯的初始折射率，n_eff(λ)为光纤中导模的有效折射率。

从公式(1)可知，如果入射到闪耀光纤光栅中的光信号只包含一个波长，那么将只有一个角度上会有辐射光出射，这样在CCD光电探测器上接收到的光斑就很小；然而如果入射到闪耀光纤光栅中的光信号具有多个波长，那么辐射角将具有一定的范围，也就是说CCD光电探测器上接收到的光斑尺寸就会变大。入射到闪耀光纤光栅中的光波长范围越大，CCD光电探测器接收到的光斑尺寸就越大，也就对应着更大的被测位移。

为了验证上述原理和方法，进行了实验测试。实验中，双拱形梁的厚度选3mm，长度选130mm。传感用光纤光栅的布拉格反射波长为λ_B＝1550.01nm。ASE光源的光谱范围是从1523nm到1568nm。光纤阵列由24根多模光纤构成，多模光纤的芯径为62.5μm，包层直径为125μm，每根光纤之间的距离为250μm；解调用闪耀光纤光栅栅格的倾斜角为2°；CCD光电探测器采用型号为Sony ILX511，其包含2048个尺寸为14μm的像素。

按照图1所示的原理结构搭建了实验系统，图4显示了在被测微位移增加的过程中，CCD光电探测器接收到的光斑大小的变化情况，而图5给出了最终记录的光斑大小随被测微位移的关系曲线。可见，通过记录光斑大小，就可以得到被测微位移的数值。

Claims (3)

1.一种基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法，包括传感器单元、信号解调单元以及连接它们的光纤环形器及其光纤链路、信号处理单元及计算机系统，所述的传感器单元包括宽带光源(1)以及产生微位移的螺旋千分螺丝(7)，其特征在于：所述的传感单元包括一个双拱形梁(5)和粘贴在双拱形梁一端与中心之间的传感用光纤光栅(4)；所述的信号解调单元包括一只解调用闪耀光纤光栅(8)、具有折射率匹配作用的折射率匹配液槽(9)、柱状透镜(10)、光纤阵列(11)和CCD光电探测器(12)；宽带光源(1)发出的光经过光纤环形器(2)发送至传感用光纤光栅(4)，在被测微位移信号的作用下，传感用光纤光栅(4)的反射光信号再次经过光纤环形器(2)，并经其光纤链路(33)发送至解调用闪耀光纤光栅(8)，并以一定的辐射角辐射出去，辐射光经过柱状透镜(10)汇聚后由光纤阵列(11)接收，并同时传送至与其相连的CCD光电探测器(12)，光电探测器(12)将光斑信号转换成电信号后发送至与其相连的信号处理单元(13)及计算机系统(14)。

2.按照权利要求1所述的基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法，其特征在于：所述的宽带光源(1)采用中心波长范围从1523nm至1568nm的ASE光源，所述的传感用光纤光栅(4)及光纤环形器(2)的工作波长为1550nm。所述的双拱形梁(5)采用有机玻璃材料制成，厚度为3mm，长度为130mm；所述的光纤链路(31、32和33)为单模光纤，芯径为9μm。

3.按照权利要求1所述的基于闪耀光纤光栅解调的微位移传感器及检测方法，其特征在于：所述的光纤阵列(11)由24根多模光纤构成，多模光纤的芯径为62.5μm，包层直径为125μm，每根光纤之间的距离为250μm；所述解调用闪耀光纤光栅(8)栅格的倾斜角为2°；CCD光电探测器(12)采用型号为Sony ILX511，其包含2048个尺寸为14μm的像素。

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