CN102445222A - 一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统 - Google Patents

Abstract

一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统，涉及光纤传感领域。解决了区分温度和应力导致的被测物理量的变化的问题。该系统的宽带光源(1)的输出接光隔离器(2)输入，光隔离器(2)输出接第一三端口耦合器的第一端口(311)，第一三端口耦合器的第二端口(312)接均匀布拉格光纤光栅(4)，其为锥形光纤光栅，第一三端口耦合器的第三端口(313)接第二三端口耦合器的第二端口(322)，第二三端口耦合器的第一端口(321)接宽带光纤光栅(5)，宽带光纤光栅粘贴在压电陶瓷(6)上，第二三端口耦合器的第三端口(323)接光电探测器(7)的输入端，光电探测器输出端接信号处理模块(8)输入端，信号处理模块输出端接计算机(9)，计算机接压电陶瓷。

Description

一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统

技术领域

本发明涉及一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统，适用于光纤传感技术、民用工程、轨道交通等领域。

背景技术

传感信号的解调技术是传感系统关键的组成部分，信号处理、信号解调的速度和性能决定了传感系统的性能。解调系统的结构、成本和易操作性决定了传感系统的工程应用前景。对于光纤光栅传感系统，具有低成本、高速度、高精度、易操作等优点的解调系统是未来发展的重要方向。

现有的光纤光栅的传感解调系统的宽带光源的输出接光隔离器，光隔离器接第一三端口耦合器的第一端口，第一三端口耦合器的第二端口接均匀布拉格光纤光栅；第一三端口耦合器的第三端口接第二三端口耦合器的第二端口，第二三端口耦合器的第一端口接宽带光纤光栅，宽带光纤光栅粘贴在压电陶瓷上，第二三端口耦合器的第三端口接光电探测器的输入端，光电探测器输出端接信号处理模块输入端，信号处理模块输出端接计算机，计算机接压电陶瓷。这种系统不能区分出温度和应力导致的被测物理量的变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一中结构简单、制作方便、廉价实用且能区分出温度和应力导致的被测物理量的变化的一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统。

本发明的技术方案：

一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统，该系统的宽带光源的输出接光隔离器输入，光隔离器输出接第一三端口耦合器的第一端口，第一三端口耦合器的第二端口接均匀布拉格光纤光栅，第一三端口耦合器的第三端口接第二三端口耦合器的第二端口，第二三端口耦合器的第一端口接宽带光纤光栅，宽带光纤光栅粘贴在压电陶瓷上，第二三端口耦合器的第三端口接光电探测器的输入端，光电探测器输出端接信号处理模块输入端，信号处理模块输出端接计算机，计算机接压电陶瓷；均匀布拉格光纤光栅使用锥形光纤光栅。

本发明的有益效果：本发明提出的一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统，结构简单，易于实现；不需要高昂的解调设备，价格便宜，性价比高；通过锥形光纤光栅传感器进行信号解调，可以实现对温度-应力的同时测量。

附图说明

图1一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统示意图。

图2锥形光纤光栅的制作装置示意图。

图3锥形光纤光栅的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统，如图1，该系统的宽带光源1的输出接光隔离器2的输入，光隔离器2的输出接第一三端口耦合器的第一端口311，第一三端口耦合器的第二端口312接均匀布拉格光纤光栅4，均匀布拉格光纤光栅4使用锥形光纤光栅；第一三端口耦合器的第三端口313接第二三端口耦合器的第二端口322，第二三端口耦合器的第一端口321接宽带光纤光栅5，宽带光纤光栅5粘贴在压电陶瓷6上，第二三端口耦合器的第三端口323接光电探测器7的输入端，光电探测器7输出端接信号处理模块8输入端，信号处理模块8输出端接计算机9，计算机9接压电陶瓷6。

光纤光栅4使用的锥形光纤光栅的制作方法包括以下步骤：

步骤一将普通单模光纤进行载氢处理，成为增敏光纤；

步骤二在增敏光纤中部写入均匀布拉格光纤光栅4，写入的均匀布拉格光纤光栅4的长度为L＝1～14cm；

步骤三将均匀布拉格光纤光栅放置在恒温箱中，以120℃或150℃或120℃～150℃的任意温度进行退火处理；

步骤四将容器14盛满浓度的质量百分比为40％或50％或40％～50％中间任意值的氢氟酸溶液15放置在轮子13的下面；

步骤五将退火后的均匀布拉格光纤光栅4一端的增敏光纤固定在连接在步进电机轴上的轮子13上；

步骤六将固定在连接在步进电机轴上的轮子13上的均匀布拉格光纤光栅4完全垂直放入氢氟酸溶液15中，使均匀布拉格光纤光栅刚没过氢氟酸溶液15的液面，用步进电源10给步进电机驱动器11供电，步进电机12带动轮子13以πD/L的转速匀速运动，将均匀布拉格光纤光栅从氢氟酸溶液15中拉出，D为轮子13的直径，L为写入的均匀布拉格光纤光栅4的长度；

步骤七将拉出的均匀布拉格光纤光栅4迅速用清水冲洗干净，制成锥形光纤光栅。

步骤七制成的锥形光纤光栅沿着其轴向的截面呈锥形变化，如图3所示。

一种锥形光纤光栅的制作方法使用的制作装置，如图2所示。

该制作装置包括步进电源10、步进电机驱动器11、步进电机12、轮子13、容器14、氢氟酸溶液15。

上述各部分之间的连接：

步进电源10与步进电机的驱动器11连接，步进电机的轴与轮子13连接。

宽带光源1发出的光经过光隔离器2传送到均匀布拉格光纤光栅4，从均匀布拉格光纤光栅4反射回来的光经过第一三端口耦合器31后被引入到宽带光纤光栅5，当此宽带光纤光栅5的反射波长与均匀布拉格光纤光栅4反射光的波长成分没有重合时，宽带光纤光栅5反射光强度为零。通过对这个宽带光纤光栅5粘贴压电陶瓷6来对其反射波长进行控制，当此压电陶瓷的反射波长移动到与锥形光纤光栅反射光的波长成分存在重合时，光电探测器6能够探测到反射光强，从而给出一个输出值。通过对压电陶瓷6施加周期性的驱动电压来使宽带光纤光栅5的发射波长发生周期性变化，其反射波长将对均匀布拉格光纤光栅4的反射光进行扫描，从而确定宽带反射光的起、止边缘位置，进一步得到均匀布拉格光纤光栅4反射光的带宽信息。通过改变信号处理模块8的相关算法，寻找光电探测器7输出最大值的功能，则可以用此传感解调系统确定均匀布拉格光纤光栅4反射光谱的中心反射波长。

由于均匀布拉格光纤光栅4反射谱宽度对温度变化具有不敏感性，通过均匀布拉格光纤光栅4反射带宽的变化，可以区分出温度和应力的变化。它依次按以下步骤进行：

步骤一根据制作好的特定的锥形光纤光栅，分别标定其温度-波长响应、应力-波长响应和应力-带宽响应三组关系，确定其应力灵敏度系数K_ε和温度灵敏度系数K_T；

步骤二在实际测量中，分别测出锥形光纤光栅反射光谱的中心波长漂移量Δλ_B和带宽变化量ΔW；

步骤三根据锥形光纤光栅反射光带宽的变化确定其所受应力值ε；

步骤四根据得到的应力值及应力-波长关系，确定锥形光纤光栅在应力作用下的中心反射波长的漂移量：

Δλ_ε＝K_ε·ε

步骤五在测得的中心波长变化量中去除掉应力所引起的变化量，即可得到单纯温度变化带来的影响：

ΔT＝Δλ_B-Δλ_ε

步骤六根据温度-波长关系得到相应的温度变化量，从而实现利用单一锥形光纤光栅的温度和应力同时测量：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-K_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\ϵ}}{K_T}$

上式中，ΔT是温度改变量；Δλ_B是布拉格光纤光栅中心波长漂移量；K_ε是步骤一中此锥形光纤光栅的应力灵敏度系数；ε是步骤三所测的应变量；K_T是步骤一中此锥形光纤光栅的温度灵敏度系数。

本发明所使用的器件均为市售器件。

Claims (1)

1.一种基于锥形光纤光栅的传感解调系统，该系统的宽带光源(1)的输出接光隔离器(2)输入，光隔离器(2)输出接第一三端口耦合器的第一端口(311)，第一三端口耦合器的第二端口(312)接均匀布拉格光纤光栅(4)，第一三端口耦合器的第三端口(313)接第二三端口耦合器的第二端口(322)，第二三端口耦合器的第一端口(321)接宽带光纤光栅(5)，宽带光纤光栅(5)粘贴在压电陶瓷(6)上，第二三端口耦合器的第三端口(323)接光电探测器(7)的输入端，光电探测器(7)输出端接信号处理模块(8)输入端，信号处理模块(8)输出端接计算机(9)，计算机(9)接压电陶瓷(6)；其特征在于：

均匀布拉格光纤光栅(4)使用锥形光纤光栅。