CN102169027A - 准分布式光纤温度、应力传感器及检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低反射率FBG构成的F-P干涉仪复用的准分布式光纤温度、应力传感器。传感单元为为由两个FBG所构成的F-P谐振腔，宽谱光源经过环形器连接传感光纤，光纤上可根据需要刻写多个传感单元，环形器的另一端接光谱分析仪，光谱分析仪探测结果输出到计算机上进分析与解调。本发明测量抗干扰能力强、可靠性高、灵敏度高、结构简单，具有广泛的应用前景。

Description

准分布式光纤温度、应力传感器及检测仪

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种准分布式光纤温度、应力传感器及检测仪。

背景技术

温度、应力的实时监测在工程上有重要的意义。密集的温度、应力信息采集可以应用于大型建筑的健康状况分析与维护；也可以用于某些大型机械设备的性能监测，如飞机、轮船；还可以用于对地壳活动的监测。传统的利用光纤的时域后向散射实现的分布式传感可以实现分布式测量，且结构简单，成本较低，但很难获得足够高的灵敏度。近来有报道基于光纤后向散射光的相位变化实现的分布式应力、温度传感，达到了非常高的灵敏度，然而这种方法对光源的稳定性要求极高，信号处理过程中需要大量工作来消除噪声和干扰，难以作为一种实用的解决方案。

另外，基于布拉格光纤光栅FBG串联构成的准分布式应力温度传感器已经得到了广泛研究。但是利用FBG对形成的法布里-珀罗F-P谐振腔来实现准分布式传感却几乎没有。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、灵敏度高的温度、应力传感器及其检测仪。

为解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、灵敏度高的温度、应力传感器，其原理是，不同腔长的F-P谐振腔的反射率曲线在光谱范围内会出现周期性变化，变化周期取决于腔长，利用这一特点可以区分所串联的每一对FBG，简单地实现信号的解调。由一个FBG对构成的F-P谐振腔，反射系数为：

$r\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{r_1\left(\mathrm{\λ}\right)+r_2\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\mathrm{i\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)}}{1+r_1\left(\mathrm{\λ}\right)r_2\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\mathrm{i\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)}}---\left(1\right)$

其中λ为某一波长，r₁(λ)、r₂(λ)分布为在该波长处两个FBG的反射率，在本发明里可以视为相等，δ(λ)为该波长处F-P谐振腔对应的相位厚度，决定于两个FBG之间的光纤长度，并受外界所施加的应力和温度影响。

根据上式做出反射系数在光源光谱范围内的曲线，由于e^iδ(λ)因子的存在，反射率有一个周期性的变化，变化周期与腔长近似成反比。

基于上述原理，本发明的准分布式光纤温度、应力传感器，包括至少两个串行的布拉格光纤光栅，其特征在于，两个相邻的布拉格光纤光栅构成的一个法布里-珀罗谐振腔，一个法布里-珀罗(F-P)谐振腔为一个传感单元。

进一步的，所述法布里-珀罗谐振腔为多个，每个法布里-珀罗谐振腔的长度均不相等。

更加优化的，所述布拉格光纤光栅的栅区长度大于一个光栅周期、小于1毫米。

所述传感单元直接通过相位掩膜法刻写在普通单模光纤上。

本发明还提出了一种运用所述光纤温度、应力检测仪，其特征在于，光源经过环形器连接所述基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤温度、应力传感器上的各个传感单元，所述环形器的另一端接光谱分析仪，所述光谱分析仪的输出端连接计算机，所述计算机对光谱分析仪输出的光谱进行傅里叶变换得到光谱的频谱，此频谱的峰值个数与复用的F-P腔的个数相同。当外界对传感单元的有效传感区域施加作用后，该传感单元对应的频谱峰值将发生偏移，作用量的大小可以通过偏移量的大小计算得到各个传感单元的温度、应力的变化值。

本发明利用不同腔长的F-P腔的反射率曲线在光谱范围内具有的不同变化周期实现准分布式传感，具有抗干扰能力强、可靠性高、灵敏度高、结构简单等优点，有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1：本发明检测仪的结构图。

图2：本发明所用传感单元图。

图3：用于制作F-P腔的挡板。

图4：一个实例，20个F-P腔串接时，光谱分析仪探测到的光谱。

图5：20个F-P腔串接时，对光谱分析仪探测到的光谱进行傅里叶变换的结果。

其中，1、宽谱光源(ASE)，2、环形器，3、传感单元，4、光谱分析仪，5、计算机，6、低反射率FBG，7、F-P谐振腔长度，8、栅区长度，9、金属挡板，10、挡板上的透光孔。

具体实施方式

在单模光纤上刻写光栅时，将图2所示的金属挡板，例如铝片，置于相位掩模板前方，即可得到所需腔长的F-P腔；因为栅区长度是一定的，通过调整紫外激光的扫描速度，得到适合的FBG反射率。利用这种方法，改变挡板两个透光孔之间的距离，可以在同一根单模光纤上刻写上一系列不同腔长的F-P干涉仪。

工作时，把传感光纤埋入需要监测温度、应力的区域中，光谱光源发出的光通过环形器到达传感光纤上的各个F-P腔并被反射回环形器到达光谱分析仪。把光谱分析仪探测到的反射光光谱信息送入计算机进行处理。对光谱进行傅里叶变换得到一个频谱图，该频谱图的峰值个数与参与复用的F-P腔个数相等，且一一对应。当某个传感单元收到外界所用时，如温度、应力变化引起了改谐振腔的相位长度变化，其反射谱的在频率域上的中心将发生偏移，偏移的大小和受到外界作用的大小存在近似线性的关系，通过观察每一个频谱峰中心处的漂移情况，即可得到每一个传感处的温度，应力变化情况，从而实现了准分布式的温度、应力传感。

以下给出一个运用本发明建立的一个准分布式传感器的实例。光源在1520nm到1570nm波长范围内发出宽谱光，通过环形器达到传感光纤并被传感光纤上的每一个F-P对反射回环形器，被光谱分析仪接收，光谱分析仪将探测到的结果传至计算机，计算机对反射光的光谱进行傅里叶变换得到光谱的频谱，此频谱的峰值个数与复用的F-P腔的个数相同。当外界对传感单元的有效传感区域施加作用后，该传感单元对应的频谱峰值将发生偏移，作用量的大小可以通过偏移量的大小计算得到。

在1毫米到3厘米之间等比地取20个值作为F-P腔腔长，对这20个腔进行复用，光谱分析仪探测到的光谱如图4所示，对此光谱进行傅里叶变换，得到频谱如图5所示，可以看出，频谱上对应了20个峰值，与所复用的传感单元一一对应，观察每个峰点的频率漂移情况，即可获知每个传感单元受到的应力、温度作用，实现准分布传感。

本发明所用的传感光纤制作方法为：在一根普通单模光纤上，用紫外激光器写入几个不同腔长的F-P干涉仪，构成F-P干涉仪的两个FBG具有很低的反射率，因而能达到很高的复用数。实验时入射宽谱光，并用光谱分析仪获得反射光的光谱。

当外界对传感器的有效传感区域施加应力或温度后，谐振腔的相位厚度发生改变，由反射系数的计算公式知道，反射率-波长曲线的周期发生改变，这个改变反应到反射率的傅里叶变换后的曲线上，为峰值点的平移，可以方便地检测出来。

由于在单模光纤上刻写FBG技术已经成熟，所述传感纤的制作简单，所采用的设备均为常规设备，因此实现方法简单，价格低廉，并且能实现高灵敏度的温度、应力监测，具有很好的实用价值。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种准分布式光纤温度、应力传感器，包括至少两个串行的布拉格光纤光栅，其特征在于，两个相邻的布拉格光纤光栅构成的一个法布里-珀罗谐振腔，一个法布里-珀罗谐振腔为一个传感单元。

2. 根据权利要求1中所述的准分布式光纤温度、应力传感器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔为多个，每个法布里-珀罗谐振腔的长度均不相等。

3. 根据权利要求1或2中所述的准分布式光纤温度、应力传感器，其特征在于，所述布拉格光纤光栅的栅区长度大于一个光栅周期、小于1毫米。

4. 根据权利要求3中所述的准分布式光纤温度、应力传感器器，其特征在于，所述传感单元直接通过相位掩膜法刻写在普通单模光纤上。

5. 一种运用权利要求1所述的温度、应力检测仪，其特征在于，光源经过环形器连接所述基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤温度、应力传感器上的传感单元，所述环形器的另一端接光谱分析仪，所述光谱分析仪的输出端连接计算机，所述计算机对光谱分析仪输出的光谱进行傅里叶变换得到光谱的频谱，所述频谱的偏移量反映传感单元所感知到外部的温度、应力的变化值。

6. 一种运用权利要求4所述的温度、应力检测仪，其特征在于，光源经过环形器连接所述基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤温度、应力传感器上的各个传感单元，所述环形器的另一端接光谱分析仪，所述光谱分析仪的输出端连接计算机，所述计算机对光谱分析仪输出的光谱进行傅里叶变换得到若干个频谱，所述频谱的偏移量分别反映各个传感单元所分别感知到外部的温度、应力的变化值。

Images