CN102183325B

CN102183325B - 基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器

Info

Publication number: CN102183325B
Application number: CN2011100537304A
Authority: CN
Inventors: 延凤平; 冯亭; 李琦; 彭万敬; 陶沛琳; 刘鹏
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: CN102183325A

Abstract

本发明公开了一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器，属于光纤传感技术领域。该传感器包括宽谱光源、环行器、单模光纤、切趾光栅组、折射率匹配液、光谱仪和计算机处理系统。切趾光栅组由M×N个切趾光栅构成，这些光栅共包括M个谐振波长，各有N个具有相同的谐振波长，但这N个光栅具有不同的反射率。切趾光栅组中的M×N个光栅采用不规则的方式排布，即M个不同谐振波长的各N个光栅可以任意次序交叉排布，但是每N个具有相同谐振波长的光栅在整个光栅组中要保持按反射率从小到大或从大到小的顺序。本发明采用了波长编码和幅度编码相结合，有效地扩大了传感范围，增加了传感精度，采用的不规则切趾光栅排布形式还可以排除谐振峰旁瓣的干扰。

Description

基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体是一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器。

背景技术

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且具有谐振波长对应力、应变、温度、反射率、浓度等外界条件比较敏感的特点，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

应力、应变、温度、反射率、浓度等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化，因此测量光栅谐振波长的变化就可以获得周围环境参量的变化。

将多个光栅组合起来作为传感原件，也可以制作传感器，比如说基于波长编码的光纤光栅组应力传感器或基于幅度编码的光纤光栅组应力传感器。其中基于波长编码的光纤光栅组应力传感器是将具有不同谐振波长的多个光纤布拉格光栅写入同一光纤中，然后接宽谱光源并用光谱仪观察反射谱。可以观察到反射谱为多个具有不同中心波长的反射峰。当对其中某一个光栅施加应力时，其对应的谐振波长就会发生改变，反映到光谱图中相应波长的反射峰就会发生漂移，然后根据波长的漂移量可以得出应力所处位置和所受应力大小。另外基于幅度编码的光纤光栅组应力传感器是将多个具有相同谐振波长而具有不同反射率的光纤布拉格光栅写入同一光纤中，然后接宽谱光源并用光谱仪观察反射谱。可以观察到反射谱为只有一个具有一定功率值的反射峰，由于各个光栅的反射率是已知的，故各个光栅的反射光功率对此反射峰的功率贡献值是一定的。当对其中某一个光栅施加应力时，其对应的谐振波长就会发生改变，则此光栅对原反射峰的功率贡献就会失去，于是通过原反射峰功率值的改变量就可以得出应力所处位置和所受应力大小。

对于上述第一种传感器，不能设定的波长太多，从而限制了光栅的个数，也就限制了传感范围和传感精度。对于上述第二种传感器，光栅的个数也不能太多，因为光栅太多，每个光栅的功率贡献值太小，也会影响传感精度。

发明内容

本发明提出了一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器，该传感器将波长编码和幅度编码结合在一起，并采用不规则的光纤光栅组分布形式。本发明可以排除各个谐振峰两侧的旁瓣干扰，从而可以增加传感器的传感精度。

本发明采取了如下技术方案：包括宽谱光源、环行器、单模光纤、切趾光栅组、折射率匹配液、光谱仪和计算机处理系统，其中，环形器的第一端口与宽谱光源相连接，环形器的第二端口依次与单模光纤、切趾光栅组相连接，切趾光栅组尾端插入折射率匹配液中，环形器的第三端口与光谱仪相连接，光谱仪将接收的信号传送给计算机处理系统，所述切趾光栅组由M×N个切趾光栅构成，该切趾光栅组中包括M种不同谐振波长，每种谐振波长中又包括N个具有相同谐振波长但反射率不同的切趾光栅，M、N均为大于等于2的整数。

所述切趾光栅组中的每N个具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅在整个光栅组中按照反射率从小到大或从大到小的顺序排列。

所述切趾光栅组中的谐振波长采用不规则的方式排布，即M个不同谐振波长任意排列。

具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅之间不相邻排列，之间排列有其他谐振波长的切趾光栅。

切趾光栅序列中各光栅按如下规则进行编码：

对M个谐振波长采用二进制码进行编码；

对每N个具有相同谐振波长的光栅按照反射率从小到大或从大到小的顺序采用二进制码进行编码；

将上述得到的谐振波长的编码和具有此谐振波长的某个反射率的光栅的编码组合在一起，此码字唯一确定一个光栅，然后将此码字、此光栅在切趾光栅组中所处的位置参数和此光栅的反射率参数一并存储到计算机处理系统中。

当整个系统处于工作状态时，如果不受外力影响，光谱仪显示为M个具有不同中心波长的反射峰。由于具有同一谐振波长的不同反射率的各光栅共同决定此谐振波长处反射功率值的大小，本发明根据不同的谐振波长和不同的反射率，对每一个切趾光栅进行编码，并将编码和光栅所处位置参数和功率参数对应存储到计算机处理系统中。当某一个光栅处受到应力作用时，其谐振波长就要发生改变，其对原谐振波长处的反射功率值的贡献就会失去，反映到光谱仪上以此光栅原谐振波长为中心波长的反射峰波形就会产生相应的变化，然后将变化后的结果输入到计算机处理系统中，经过计算机处理系统计算分析便可得知应力所处位置和所受应力大小。

与现有应力传感器相比，该应力传感器将波长编码和幅度编码结合在一起，这样大大增加了可使用的光栅数目，扩大了传感范围，增加了传感精度。而且切趾光栅组中各个光栅的长度和各个光栅之间的距离可以根据实际要求而定，灵活简单。另外本发明所使用的光栅均为切趾(高斯型或升余弦型)光纤光栅，而且使用不规则的排布方式，这样可以排除各个谐振峰两侧的旁瓣干扰，从而可以增加传感器的传感精度。

附图说明

图1基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器示意图；

图中：1、环形器的第一端口，2、环形器的第二端口，3、环形器的第三端口，101、宽谱光源，102、环行器，103、单模光纤，104、切趾光栅组，105、折射率匹配液，106、光谱仪，107、计算机处理系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中的应力传感器包括宽谱光源、环行器、单模光纤、切趾光栅组、折射率匹配液、光谱仪和计算机处理系统。切趾光栅组由M×N个切趾光栅构成，这组光栅共包括M种不同的谐振波长，而每种谐振波长中又包括有N个光栅，即有N个光栅具有一个相同的谐振波长，但这N个光栅具有不同的反射率，其中M、N均为大于等于2的整数。切趾光栅组中的M×N个光栅采用不规则的方式排布，即M个不同谐振波长可以任意排列，排列顺序与谐振波长无关。切趾光栅组中的每N个具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅在整个光栅组中按照反射率从小到大或从大到小的顺序排列，但具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅并不是必须相邻布置，之间可以布置其他波长的切趾光栅。

切趾光栅组104中各切趾光栅采用如下形式进行编码：1)对M个谐振波长序号采用二进制0、1码进行编码；若

则编k₁位码，于是每一个谐振波长对应一个k₁位码；2)对每N个具有相同谐振波长的光栅按照反射率从小到大或从大到小的顺序采用二进制0、1码进行编码。若

则编k₂位码；3)将上述得到的某个谐振波长的k₁位编码和具有此谐振波长的某个反射率的光栅的k₂位编码组合在一起，此码字唯一确定一个光栅。然后将此码字和此光栅在切趾光栅组104中的位置参数和功率参数存储到计算机处理系统107中。

本发明中的切趾光栅组104中的M×N个切趾光栅的排布形式灵活多样，只要满足每N个具有相同谐振波长的光栅在整个光栅组104中保持一定的排布顺序(一般采用反射率从小到大或从大到小)即可。

本发明的工作过程为：1)宽谱光源101发射光束由环行器1端口进入环行器。2)光束由2端口输出经单模光纤进入切趾光栅组104，一部分经切趾光栅组104中各光栅反射回到环行器，由环行器3端口输出进入光谱仪106，一部分经104透射进入折射率匹配液被损耗掉。3)进入光谱仪106的光束在光谱仪上以M个具有不同中心波长的反射峰的形式呈现，并将波形和功率参数存储到计算机处理系统107中。4)当切趾光栅组104中某个光栅处受到应力作用时，其谐振波长发生改变，其对原谐振波长处的反射功率值的贡献就失去，反映到光谱仪106上以此光栅原谐振波长为中心波长的反射峰波形就会产生相应的变化。5)将变化后的信号波形和功率参数输入到计算机处理系统107中，经过计算机处理系统107计算分析便可得知应力所处位置和所受应力大小。

实施例：

如图1所示，本发明中的基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器包括宽谱光源101、环行器102、单模光纤103、切趾光栅(高斯型或升余弦型)组104、匹配液105、光谱仪106和计算机处理系统107。切趾光栅组104由M×N个切趾光栅构成，这些光栅共包括M个谐振波长，各有N个光栅具有一个相同的谐振波长，但这N个光栅具有不同的反射率。切趾光栅组104中的M×N个光栅采用不规则的方式排布，即M个不同谐振波长的各N个光栅可以任意次序交叉排布在切趾光栅组104中，但是每N个具有相同谐振波长的光栅在整个光栅组104中要保持一定的排布顺序，一般采用反射率从小到大或从大到小的顺序。

本发明的波长和幅度编码规则为：1)对M个谐振波长序号采用二进制0、1码进行编码。若

则编k₁位码，于是每一个谐振波长对应一个k₁位码。例如有20个谐振波长，则编5位码，波长λ₁～λ₂₀分别对应编码00000～10011。2)对每N个具有相同谐振波长的光栅按照反射率从小到大(或从大到小)的顺序采用二进制0、1码进行编码。若

则编k₂位码。例如每个谐振波长有8个不同反射率(80％、82％、...、94％)的光栅，则编3位码，反射率从小到大的光栅依次对应编码000～111。3)将上述得到的某个谐振波长的k₁位编码和具有此谐振波长的某个反射率的光栅的k₂位编码组合在一起，此码字唯一确定一个光栅。例如上述有20个谐振波长，每个谐振波长有8个不同反射率的光栅，01011110对应谐振波长为λ₁₂、反射率为92％的光栅。然后将此码字、此光栅在切趾光栅组104中的位置参数和该光栅反射率参数参数一并存储到计算机处理系统107中。

当系统处于工作状态时，如果切趾光栅组104中某个光栅处受到应力作用时，其谐振波长发生改变，其对原谐振波长处的反射功率值的贡献就失去，反映到光谱仪106上以此光栅原谐振波长为中心波长的反射峰波形就会产生相应的变化。将变化后的信号波形和功率参数输入到计算机处理系统107中，经过计算机处理系统107计算分析便可得知应力所处位置和所受应力大小。

以上对本发明所提供的一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器，其特征在于：包括宽谱光源、环行器、单模光纤、切趾光栅组、折射率匹配液、光谱仪和计算机处理系统，其中，环形器的第一端口与宽谱光源相连接，环形器的第二端口依次与单模光纤、切趾光栅组相连接，切趾光栅组尾端插入折射率匹配液中，环形器的第三端口与光谱仪相连接，光谱仪将接收的信号传送给计算机处理系统，所述切趾光栅组由M×N个切趾光栅构成，该切趾光栅组中包括M种不同谐振波长，每种谐振波长中又包括N个具有相同谐振波长但反射率不同的切趾光栅，M、N均为大于等于2的整数；

其中，所述切趾光栅组中的每N个具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅在整个光栅组中按照反射率从小到大或从大到小的顺序排列；

切趾光栅序列中各光栅按如下规则进行编码：

对M个谐振波长采用二进制码进行编码；

将上述得到的谐振波长的编码和具有此谐振波长的某个反射率的光栅的编码组合在一起，此码字唯一确定一个光栅，然后将此码字、此光栅在切趾光栅组中所处的位置和此光栅的反射率一并存储到计算机处理系统中。

2.根据权利要求1所述的一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器，其特征在于：所述切趾光栅组中的谐振波长采用不规则的方式排布，即M个不同谐振波长任意排列。

3.根据权利要求2所述的一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器，其特征在于：具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅之间不相邻排列，之间排列有其他谐振波长的切趾光栅。