CN101839759B - 一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于少模光纤倾斜光栅振动传感系统。其结构包括用于产生一定光谱宽度输出宽带光源；用于振动传感的少模光纤倾斜光栅；用于光信号分束及耦合的3dB光纤耦合器；实现基模LP₀₁光信号带通滤波的基模光学滤波器；实现高阶模式LP₁₁光信号带通滤波的高阶模光学滤波器；用于将光信号转换为电信号的光电探测器；信号处理模块。本发明能够通过探测和比较基模LP₀₁光信号和高阶模式LP₁₁光信号的强度，实现对少模光纤倾斜光栅的弯曲测量，从而实现振动传感的功能。该发明的结构简单，稳定性高，对温度变化不敏感，适用于各种场合的振动测量。

Description

一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅振动传感，特别涉及一种基于少模光纤倾斜光栅的振动传感系统及其检测方法。

背景技术

光纤光栅是由掺锗光纤经紫外光照射成栅形成的，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布并产生布拉格光栅效应。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。光纤光栅多用于温度、应力以及以此为基础而发展出的振动、流量、载荷疲劳、结构损伤、腐蚀等方面的分布式检测系统。光纤光栅作为传感元件，其优点很多，如波长可编码，利用光纤光栅阵列可以进行准分布式光纤传感系统，可发展成一种网络化、低成本的智能传感系统。与传统的电子传感器相比，光纤光栅传感系统可应用于高温、高压和危险场合，具有灵敏度高、不受电磁干扰、可靠性高、结构紧凑小巧、成本低等一系列优点。因此，光纤光栅传感技术可应用于更多的领域和场合中。

倾斜光纤光栅属于短周期光纤光栅，其光栅平面与光纤光轴之间有轻微的倾斜，它和普通光纤光栅的制作方法相同。倾斜光纤光栅相对于普通光纤光栅不同之处是，它可以将短波长的线芯中传输的基模耦合到后向的包层模式。这种基模到包层模的耦合与外部的扰动如应力、温度、弯曲以及折射率等有关，倾斜光纤光栅可用于空气湿度传感、环境折射率传感、振动和温度传感等领域。但是在很多倾斜光纤光栅传感的应用中，传感的依赖于谐振波长的幅度和位置，这需要价格昂贵的光谱测量设备。但是由于单模倾斜光纤光栅同时对温度和振动敏感，通过检测光纤光栅反射波长的移动无法反映温度和振动各自引起的波长变化，无法对温度和振动同时进行测量，这是单模倾斜光纤光栅传感系统遇到的一大难题。通常是在光纤光栅振动传感系统中，需要采用温度补偿措施的来校准温度带来的测量误差，这就使得系统复杂，增加额外成本且测量可靠性降低。有人提出通过比较短波长处包层模式的光强与原来纤芯中基模的反射光强，来实现完全传感；但是包层模式是一种衰减模式，光强随着传输会急剧衰减，他们将两段单模光纤的纤芯设置微小的横向位移后熔接在一起，在这样的光纤纤芯不连续点处将波长较短的包层模重新耦合回光纤芯中，其耦合效率与光纤的弯曲程度有关，就可以实现波长较短处的光信号与原来波长较长的基模信号一起传输，通过比较这两个波长处的光信号强度，实现光纤弯曲传感。这种方案的缺点是两段光纤偏置熔接，工艺复杂，损耗大，光纤容易断裂，不利于其在各种场合的安装和调试，难以实用化。

发明内容

为了克服上述光纤光栅传感器的缺点，实现一种温度不敏感的光纤光栅振动传感系统，本发明提出一种基于少模光纤倾斜光栅的振动传感新方法，该方法可制作一种结构简单、性能可靠的、具有实际应用价值的振动传感系统。

本发明提出一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统，包括：宽带光源用于产生具有一定光谱带宽的光信号，经3dB双向光纤耦合器馈送给少模光纤倾斜光栅，再由少模光纤倾斜光栅反射光信号后，再反向传输给3dB双向光纤耦合器。少模光纤倾斜光栅用于反射输入的基模LP₀₁光信号并将基模光信号耦合为后向传输的相邻高阶模式LP₁₁；后向反射的光信号再由3dB双向光纤耦合器馈给3dB分束光纤耦合器，经3dB分束光纤耦合器分两路输给基模光学滤波器和高阶模光学滤波器，基模光学滤波器实现基模LP₀₁光信号带通滤波，高阶模光学滤波器实现相邻高阶模式LP₁₁光信号带通滤波；最后将基模和高阶模光信号经滤波后送给两个光电探测器，分别为基模光电探测器和高阶模光电探测器，光电探测器用于将光信号转换为电信号；再将电信号经信号处理模块，比较两路信号，实现数据处理和显示。

根据本发明：光纤光栅振动传感系统，作为传感核心元件的少模光纤倾斜光栅，是一种直接刻写在少模光纤中，具有一定倾斜角度的布拉格光栅，其中光栅倾斜角度为1°～10°的布拉格光栅，少模光纤所对应的归一化频率V：2.41≤V≤3.83，该少模光纤中仅允许基模LP₀₁和其相邻高阶模式LP₁₁传输。基模输入光信号被该光栅反射后，对应有两个谐振波长：基模谐振波长为

基模耦合到后向传输的相邻高阶模式LP₁₁所对应的谐振波长为

其中Λ为光栅周期常数，θ为光栅倾斜角。

另外经过少模光纤倾斜光栅反射回来的光信号，经过3dB双向光纤耦合器和3dB分束光纤耦合器后分为两路，其中一路经过基模光学滤波器后仅使基模LP₀₁光信号通过，被基模光电探测器接收；另外一路经过高阶模光学滤波器后仅使高阶模式LP₁₁光信号通过，被高阶光电探测器接收。其中基模光学滤波器的中心波长大于高阶模光学滤波器的中心波长，两个光学滤波器的带宽均为2纳米。比较基模LP₀₁光信号和相邻高阶模式LP₁₁光信号的强度，测量少模光纤倾斜光栅的弯曲情况，可以实现振动传感。

附图说明

图1、少模光纤倾斜光栅振动传感系统示意图：其中各标号含意：11为宽带光源，12为3dB双向光纤耦合器，14为3dB分束光纤耦合器，13为少模光纤倾斜光栅，15为基模光学滤波器，17为高阶模光学滤波器，16为基模光电探测器，18为高阶模光电探测器，19为信号处理模块。

图2、少模光纤倾斜光栅示意图，作为振动传感关键元件。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明具体实施方式。(图1所示)根据本发明实施例：少模光纤倾斜光栅振动传感系统，包括：宽带光源(11)，用于产生具有一定光谱带宽的光信号；两个3dB光纤耦合器，分别为3dB双向光纤耦合器(12)和3dB分束光纤耦合器(14)，用于光信号耦合及分束；少模光纤倾斜光栅(13)，用于反射输入的基模LP₀₁光信号和将基模光信号后向耦合为高阶模式LP₁₁；两个光学滤波器，分别为基模光学滤波器(15)，实现基模LP₀₁光信号带通滤波：高阶模光学滤波器(17)，实现高阶模式LP₁₁光信号带通滤波。两个光电探测器，分别为基模光电探测器(16)和高阶模光电探测器18)，用于将光信号转换为电信号。信号处理模块(19)，比较两路电信号，实现数据处理和显示。宽带光源(11)、少模光纤倾斜光栅(13)、3dB光纤耦合器(12和14)、光学滤波器(15和17)以及带尾纤的光电探测器(16和18)用光纤熔接机熔接在一起。

宽带光源(11)可以是SLD光源和ASE光源的一种，宽带光源的光谱范围可根据少模光纤倾斜光栅的谐振波长来选择，要求宽带光源的光谱范围能够覆盖少模光纤倾斜光栅的两个谐振波长；且当温度在一定范围变化时，宽带光源的光谱范围仍然能够覆盖少模光纤倾斜光栅的两个谐振波长的移动区间。

图2作为传感核心元件的少模光纤倾斜光栅(13)，是一种直接刻写在少模光纤上、具有0～8°倾斜角度的布拉格光栅，其中少模光纤所对应的归一化频率V：2.41≤V≤3.83，该少模光纤中仅允许基模LP₀₁和其相邻高阶模式LP₁₁传输。采用紫外激光刻写技术，利用相位掩模板在少模光纤上刻写具有一定倾斜角度的倾斜布拉格光栅，然后将少模光纤倾斜光栅封装，作为振动传感元件。基模输入光信号被该少模光纤倾斜光栅反射后，对应有两个谐振波长：基模谐振波长为

基模耦合到相邻高阶模式LP₁₁所对应的谐振波长为

其中基模LP₀₁光信号反射波长λ_LP01大于基模耦合到高阶模式LP₁₁所对应谐振波长λ_LP11。当温度变化或应变导致光栅周期常数Λ、基模和相邻高阶模式的有效折射率n_eff改变时，相应的谐振波长λ_LP01和λ_LP11会改变。

基模光学滤波器(15)的中心波长为λ_LP01，带宽为2nm；高阶模光学滤波器(17)的中心波长为λ_LP11，带宽也为2nm。选择光学滤波器的带宽为2nm，主要是考虑当温度在一定范围内变化时或者光纤光栅产生应变时，少模光纤倾斜光栅对应的谐振波长仍然可以落在光学滤波器的带宽之内。

光栅弯曲时，除了导致光栅周期常数Λ、基模和相邻高阶模式的有效折射率n_eff会改变外，还会导致光栅倾斜角发生变化，从而导致基模谐振波长(λ_LP01)处反射光强和基模到相邻高阶模式耦合所对应的谐振波长(λ_LP11)处光强发生变化。只要测量λ_LP01处的光强和λ_LP11处的光强变化，通过比较两个光强的变化，就可确定少模光纤倾斜光栅的弯曲情况，即可通过少模光纤倾斜光栅实现振动传感。

本发明的少模光纤倾斜光栅振动传感系统的工作过程如下：宽带光源(11)发出的光信号经过3dB双向光纤耦合器(12)进入少模光纤倾斜光栅(13)，被少模光纤倾斜光栅(13)反射后，基模反射光信号(λ_LP01)和基模后向耦合到相邻高阶模式光信号(λ_LP11)又依次经过3dB双向光纤耦合器(12)和3dB分束光纤耦合器(14)分为两路。其中一路光信号通过基模光学滤波器(15)滤波后，基模光信号(λ_LP01)被基模光电探测器(16)探测：另外一路光信号通过高阶模光学滤波器(17)滤波后，高阶模式光信号(λ_LP11)被高阶模光电探测器(18)探测，两路探测数据输入信号处理模块(19)，比较两路信号，实现数据处理和显示。当传感元件由于振动产生弯曲时，就会引起传感元件少模光纤倾斜光栅的两个谐振波长λ_LP01和λ_LP11处的光强改变，通过比较两个光强的变化，从而实现振动的测量。

本项发明的创新之处在于：在少模光纤上直接刻写倾斜光栅，采用少模光纤倾斜光栅作为传感核心元件，构成温度不敏感的振动传感系统，具有实际的应用价值。其优点是用一个少模光纤倾斜光栅实现振动传感，该系统对温度变化不敏感；采用光强探测和两路信号比较的数据处理方式，成本低且灵敏度高。本发明适用于铁路、智能电网、桥梁以及飞行器等各种场合的振动测量和安全检测。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施例所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (2)

1.一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统，其结构包括：宽带光源(11)输出光信号经3dB双向光纤耦合器馈送给少模光纤倾斜光栅(13)、由其反射光反向由3dB双向光纤耦合器馈给3dB分束光纤耦合器，经3dB分束光纤耦合器分两路输给基模光学滤波器和高阶模光学滤波器，经滤波后分别由基模光电探测器及高阶模光电探测器接收并转换成电信号，最后由信号处理模块(19)进行数据处理和显示。

2.根据权利要求1所述的少模光纤倾斜光栅振动传感系统，其特征在于所述少模光纤倾斜光栅(13)，其光栅倾斜角度为1°～10°的布拉格光栅。

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