CN102252791A - 光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调技术，采用一个传感光栅，和至少两个参考光栅；其中一个参考光栅的光谱参数与传感光栅相同，其它参考光栅的布拉格波长相对于传感光栅存在微小的偏移。分别采集透射通过参考光栅的光功率信号，将对应时间点的测量数据相减，得到应力解调曲线。本发明相比常用的单通道匹配光栅解调方式，在应力测量灵敏度方面提高了约两倍，而且可以消除光源输出光功率波动所带来的测量误差。该发明可应用于光纤光栅应力传感系统中，实现在高速铁路、城市轨道列车和桥隧结构等交通安全监测系统高灵敏度的应力监测，并在智能建筑、地质和岩土工程等领域具有广泛的应用价值。

Description

光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调技术

技术领域

本发明涉及光学传感器，尤其是在光纤光栅传感领域利用差分对光栅解调技术来提高探测性能的传感方法。

背景技术

与常用的电学传感技术相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、体积小、绝缘性能好、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在无损测量领域以及恶劣环境下的安全监测技术方面都已得到越来越多的应用。相对于分布式光纤传感技术，采用光纤光栅传感器具有更高的精度和更好的实时性。

目前常用的光纤光栅解调技术有以下几种：1)光谱仪检测法。使用光谱仪检测出输出光信号的波长变化。2)可调谐光源法。该方法采用窄带可调谐光源，通过扫描光纤光栅的反射谱(或透射谱)，根据每次扫描反射光最强时的扫描电压进行波长解调。3)可调谐法布里-珀罗腔(F-P)法。该方法采用F-P谐振腔光学结构进行解调。在压电陶瓷上施加一个扫描电压，使压电陶瓷产生伸缩，来改变F-P腔的腔长。从而使透射通过F-P腔的光波长及其强度发生改变，可直接将波长信号转换成电信号进行解调。4)匹配光栅法。采用一个与传感光纤光栅匹配的接收光栅，去跟踪解调传感光栅的波长变化。

上述方法中，方法1)仅适合实验室使用；方法2)和3)适用于解调精度较高的应用，但价格较高；方法4)结构简单，但是应力解调灵敏度不高，适用于应力分辨率要求较低的应用，如列车计轴系统。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明采用差分式光栅解调方法，以进一步提高光纤光栅传感装置的解调灵敏度和信噪比。本发明的另一目的是将该方法应用在更多种类的光纤光栅应力监测设备中。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调方法，其特征在于，ASE宽带光源100将宽频带光信号送入环形器101；传感光栅200固定在被测物体上，激光信号经传感光栅200反射后携带有被测点的应力信息，所得反射光信号经光环形器101和光耦合器102后分为至少两束光信号透射通过各自匹配的参考光栅进行解调，其中至少一个参考光栅与所述传感光栅的布拉格波长相同；光电探测器将各自的光功率信号转换为电压信号，所得多路电压信号经运算操作后进行波长解调，实时得到被测位置的应力变化信息。

本发明相比常用的单通道匹配光栅解调方式，在应力测量灵敏度方面提高了约两倍，而且可以消除光源输出光功率波动所带来的测量误差。该发明可应用于光纤光栅应力传感系统中，实现在高速铁路、城市轨道列车和桥隧结构等交通安全监测系统高灵敏度的应力监测，并在智能建筑、地质和岩土工程等领域具有广泛的应用价值。

附图说明如下：

图1为差分对匹配光栅解调装置示意图。

图2为传感光栅及参考光栅光谱示意图。

图3为光强测量值与应力变化仿真结果图。

图4为本发明实施一个典型结构图。

图5为本发明实施系统采用的光栅光谱图

图6为本发明实施系统波长解调曲线，图(a)为单路匹配光栅解调信号，图(b)为差分对匹配光栅解调结果。

图7为本发明可采用的另一测量结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，ASE光源(100)将宽频带光信号送入环形器(101)，激光信号经FBG3(200)反射至环形器(101)，再经过耦合器(102)分为强度相同的两束光。FGB1(201)的布拉格波长(中心波长)与传感光栅FBG3(200)相同，而FBG2(202)的布拉格波长相对于FBG3(200)的中心波长有一个正偏移量(或负偏移量)，该偏移量等于传感光栅FBG3的3dB带宽。

光纤光栅反射光谱可近似用高斯函数表示(如图2所示)，则经FBG3(200)反射回光信号的分布可表示为：

I_s(λ)＝S(λ_B)G(λ)                                (1)

其中，S(λ_B)表示ASE光源(100)的特征谱，如前所述是与波长无关的量。G(λ)是光栅FBG3(200)的反射谱模型函数。总的反射光功率是对上式进行积分得到的结果。则反射光信号再透射通过FBG1(201)和FBG2(202)，由光电探测器得到的光功率为：

$P=k{\∫}_{-\∞}^{+\∞}S\left({\mathrm{\λ}}_B\right)G_3\left(\mathrm{\λ}\right)T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(2\right)$

其中，k为常数因子，T₁(λ)＝1-G₁(λ)是FBG1(201)的透射谱函数。FBG1(201)和FBG2(202)的透射光谱如图2所示。FGB1(201)的布拉格波长与传感光栅FBG3(200)相同，而FBG2(202)的布拉格波长相对于FBG3(200)的中心波长有一个正偏移量Δλ(或负偏移量)。如果是正偏移量，对应于在测量位置物体受拉伸应力的情况，如果是负偏移量，对应于在测量位置物体受挤压应力的情况。

仿真结果如图3所示，可以看出，采用本发明的差分对匹配光栅方法得到的解调曲线斜率约为原匹配光栅解调法的两倍，即应力测量灵敏度提高了约两倍。

一个具体实施例子如图4所示。传感光栅FBG3(200)沿纵向固定在钢轨底部中间部分，钢轨两端分别放在钢支撑结构上，模拟枕木结构。使用负载机在钢轨上方加载荷，该载荷的幅度和持续时间受编程控制。解调电路采用ARM芯片，该芯片内部有12位的AD转换单元。光电探测器300和301将两路光功率信号分别转换为电信号。两路电信号再经过放大电路1(302)和A/D转换器1(304)，以及放大电路2(303)和A/D转换器2(305)，将两路电信号转换为数字信号。两路数字信号送至中央处理器(400)进行相减运算，并进行解调运算。最后解调结果输出到上位机(401)显示。本发明采用光电探测器直接测量光强变化进行解调，整个系统中没有扫描结构，因而具有高实时性。使用光谱仪分别对传感光栅FBG3(200)的反射光谱、参考光栅FBG1(201)以及FBG2(202)的透射光谱进行了测量，其光谱分布如图5所示。在本例中，选取传感光栅FBG3(200)的中心波长为1533nm，3dB带宽为0.2nm；选取参考光栅FBG1(201)中心波长和带宽与FBG3相同；选取参考光栅FBG2(202)的中心波长与FBG3(200)相差0.2nm，其带宽为0.2nm。选取参考光栅FBG2(202)的中心波长为1533.2nm，则可利用FBG1和FBG2测量物体受拉伸应力情况；选取参考光栅FBG2(202)的中心波长为1532.80nm，则可利用FBG1和FBG2测量物体受拉挤压应力情况。

解调结果如图6所示。其中，图(a)为经过两路光电探测器APD1(300)和APD2(301)及两路放大电路(302)和(303)后得到的电压值；图(b)为采用本发明差分对光栅解调法的解调结果。可以看出，采用本发明的差分对匹配光栅方法得到的测量结果的斜率大于采用原匹配光栅解调法的结果约两倍。与前面理论计算所得到的结论吻合，验证了本发明的正确性。

在实际实施时，采用的泵浦光源可能存在输出光功率不稳定的情况。但是本发明的差分对匹配光栅解调法，将两路参考信号相减后再进行解调，消除了光源不稳定所带来的测量误差，提高了测量系统的信噪比。

此外，图7给出了本发明的另一种应用结构。图7所示的测量结构，与图1所示测量结构，增加了参考光栅FBG4(203)、光电探测器PD3(306)。FBG4(203)的中心波长相对于传感光栅FBG3(200)存在一个负偏移量-Δλ，参考光栅(203)的布拉格波长与传感光栅(200)的布拉格波长存在负偏移量，该偏移量的大小与传感光栅的3dB带宽相比拟，即该偏移量的大小约等于传感光栅的3dB带宽。在解调时，将探测器PD3(306)得到的电压信号与PD1(300)得到的电压信号相减，再进行解调，可测量被测物体的挤压应力。该结果与探测器PD2(301)得到的测量结果结合起来，就能够测量被测物体的拉伸应力以及挤压应力。其应力测量灵敏度相对于原匹配光栅解调法都能提高约两倍。

本发明可广泛应用于实时性和精度要求较高的光纤光栅应力传感系统。如在高速铁路运输系统中的安全监测装置中，对轨道应力实时监测、对列车偏载情况的实时测量，以及列车载重测量等设备；对隧道、桥梁安全监测或智能建筑的应力监测等系统中。

Claims (5)

1.光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调方法，其特征在于，ASE宽带光源(100)将宽频带光信号送入环形器(101)；传感光栅(200)固定在被测物体上；激光信号经传感光栅(200)反射后携带有被测点的应力信息；所得反射光信号经光环形器(101)和光耦合器(102)后分为至少两束光信号透射通过各自匹配的参考光栅进行解调，其中至少一个参考光栅与所述传感光栅的布拉格波长相同；光电探测器将各自的光功率信号转换为电压信号，所得多路电压信号经运算操作后进行波长解调，实时得到被测位置的应力变化信息。

2.根据权利要求1所述之光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调方法，其特征在于，反射光信号经光环形器(101)和光耦合器(102)，分为两束光信号，再分别透射通过参考光栅(201)和参考光栅(202)，参考光栅(201)与所述传感光栅的布拉格波长相同；参考光栅(202)的布拉格波长与传感光栅(200)的布拉格波长存在正偏移量；参考光栅(203)的布拉格波长与传感光栅(200)的布拉格波长存在负偏移量，该偏移量的大小与传感光栅的3dB带宽相比拟；光电探测器(300)和光电探测器(301)将其光功率信号转换为电信号。

3.根据权利要求1所述之光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调方法，其特征在于，反射光信号经光环形器(101)和光耦合器(102)，分为三束光信号，再分别透射通过参考光栅(201)和参考光栅(202)及参考光栅(203)，参考光栅(201)与所述传感光栅的布拉格波长相同；参考光栅(202)的布拉格波长位于传感光栅透射率最低点附近呈正偏移；参考光栅(203)的布拉格波长位于传感光栅透射率最低点附近呈负偏移。

4.根据权利要求1所述之光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调方法，其特征在于，各参考光栅的光信号探测电路的放大倍数相同。

5.权利要求1或2或3或4所述之差分对光栅解调技术的用途，其特征在于，应用于被测物体因应力变化产生形变的情况，实时监测具有拉应力和压应力变化的光纤光栅传感设备中。

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