CN102589617A - 一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其中，宽带光源的输出光进入第一N×M光纤耦合器；第一N×M光纤耦合器的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅，另一部分进入第二N×M光纤耦合器；第二N×M光纤耦合器的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅和折射率匹配液；传感啁啾光纤光栅的反射光经第一N×M光纤耦合器进入第一光电探测器；参考啁啾光纤光栅的反射光经第二N×M光纤耦合器进入第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器的输出模拟电信号均进入数据采集卡，并由计算机进行信号的处理和显示，其中，N≥2，M≥2。本发明利用单个光纤光栅实现应变和温度两个参量同时在线监测，是性价比高的多参量监测系统。

Description

一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，适用于复合材料结构等的应变和温度实时测量。

背景技术

光纤光栅是在光纤中建立起某种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的一种光学元件。当宽带光入射到光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，简称“FBG”)时，其反射光的中心波长(布喇格波长)λ_B，由布喇格方程给出：λ_B＝2nΛ。

其中，n为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。当普通FBG的栅格周期和折射率调制度随环境空间场的非均匀分布而发生不一致改变，各有效作用子栅集将反射出不同波长的子反射谱。由于各子反射谱间距相对于其带宽较小，子谱间大部分重叠，最终形成了一个谱形整体展宽的啁啾反射谱，如图1所示。啁啾光纤光栅即根据这种原理制作而成，它的工作原理与普通FBG基本相同，但是外界物理量的变化不仅会改变啁啾光纤光栅反射谱的中心波长，还会引起它的光谱展宽。其中，应变会导致啁啾光纤光栅反射谱的波长变化和光谱展宽，而温度只引起反射谱中心波长的移动，而不会影响光谱带宽。同时测量反射谱的中心波长变化和谱宽变化，就可以计算出应变和温度，实现多参量传感。

由于利用啁啾光纤光栅进行传感测量时，被测信号为波长和带宽的编码，因此如何简单、快速、精确地解调出其中心波长(改变量)和带宽(改变量)，是利用啁啾光纤光栅实现多参量传感的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，使得监测系统解调成本低、性价比高、易于实现远程监控、并且重复性和实时性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，包括宽带光源，第一N×M光纤耦合器，传感啁啾光纤光栅，第一光电探测器，第二N×M光纤耦合器，参考啁啾光纤光栅，第二光电探测器，数据采集卡和计算机，所述宽带光源的输出光进入第一N×M光纤耦合器；所述第一N×M光纤耦合器的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅，另一部分进入第二N×M光纤耦合器；所述第二N×M光纤耦合器的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅和折射率匹配液；所述传感啁啾光纤光栅的反射光经第一N×M光纤耦合器进入第一光电探测器；所述参考啁啾光纤光栅的反射光经第二N×M光纤耦合器进入第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出模拟电信号均进入所述数据采集卡，并由所述计算机进行信号的处理和显示，其中，N≥2，M≥2，各个尾纤空置端均接入折射率匹配液。

所述宽带光源与第一N×M光纤耦合器之间还设有长周期光纤光栅。

所述第一N×M光纤耦合器和参考光纤啁啾光栅之间还设有光纤隔离器。

所述第一N×M光纤耦合器和第二N×M光纤耦合器均为2×2光纤耦合器。

所述传感啁啾光纤光栅的中心波长处于所述宽带光源的光谱平坦度较高的区域。

所述传感啁啾光纤光栅的反射谱的半高带宽在3nm以上。

所述参考啁啾光纤光栅的反射谱的中心波长和半高带宽均与所述传感啁啾光纤光栅的中心波长和半高带宽近似相等。

所述长周期光纤光栅的主损耗峰单边的线性度大于2dB/nm。

所述长周期光纤光栅的主损耗峰单边的中心波长与传感啁啾光纤光栅的中心波长近似相等。

所述传感啁啾光纤光栅利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测目标的待测点。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能补足现有光纤光栅传感测量系统的欠缺之处，避免了传统复合材料结构监测系统尤其是结构健康状态关键参量(应变和温度)监测系统存在的解调成本高、性价比低、难以实现远程监控、重复性和实时性差等许多缺点。本发明系统具有实时、高精度、抗电磁干扰、全光纤型、可实现无损测量等许多优势。

(1)本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，根据应变和温度对啁啾光纤光栅的反射谱调制性能，只需一个啁啾光纤光栅就能实现应变和温度的同时测量。

(2)本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，利用一个长周期光纤光栅和一个参考啁啾光纤光栅，根据光电探测器的输出值就可以精确的计算出传感啁啾光纤光栅反射谱的中心波长和带宽，再与初始反射谱的中心波长和带宽相比较，就推算出被测应变和温度，即利用两个简单的光纤元件即可实现多参量的实时解调，不需光谱仪等昂贵的光谱测量设备。

(3)本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，所有光纤和元器件的工艺水平都已非常成熟，制作方便可行。其可广泛用于各种领域，对推动光纤光栅传感技术的实用化和产业化进程有重要意义。

附图说明

图1是现有技术中的啁啾光纤光栅反射谱图；

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，如图2所示，包括宽带光源1，长周期光纤光栅11，第一2×2光纤耦合器2，传感啁啾光纤光栅3，第一光电探测器4，光纤隔离器12，第二2×2光纤耦合器5，参考啁啾光纤光栅6，第二光电探测器7，数据采集卡8和一台计算机9，各个尾纤空置端接折射率匹配液10。宽带光源1的输出光经长周期光纤光栅11进入第一2×2光纤耦合器2；第一2×2光纤耦合器2的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅3，另一部分经光纤隔离器12进入第二2×2光纤耦合器5；第二2×2光纤耦合器5的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅6和折射率匹配液10；传感啁啾光纤光栅3的反射光经第一2×2光纤耦合器2进入第一光电探测器4；所述参考啁啾光纤光栅6的反射光经第二2×2光纤耦合器5进入第二光电探测器7。第一光电探测器4和第二光电探测器7的输出模拟电信号均进入数据采集卡8，并由计算机9进行信号的处理和显示。

本发明提出利用光纤元件(长周期光纤光栅和参考啁啾光纤光栅)实现传感啁啾光纤光栅反射谱带宽和中心波长的实时解调。具体原理如下：经长周期光纤光栅调制后进入传感啁啾光纤光栅的光，在传感啁啾光纤光栅光谱移动的范围内位线性光源。系统所用长周期光纤光栅的线性范围内的透射谱函数为：

T_m(λ)＝[(-2.02dB/nm)λ+3119.12]dB

                                                                    (1)

(1546.00nm≤λ≤1556.00nm)

两个光电探测器接收到的光功率分别为：

P₁＝F₁∫T_m(λ)P_BBS(λ)R_s(λ)dλ                                (2)

P₂＝F₂∫T_m(λ)P_BBS(λ)R_R(λ)dλ                                (3)

其中，F₁和F₂为光功率传输过程中的综合透过系数，与光纤耦合器、光纤分束器、光纤连接器等性能有关；P_BBS(λ)为光源的功率密度函数，T_m(λ)为经长周期光纤光栅调制后线性光强函数，R_s(λ)和R_R(λ)分别为传感啁啾光纤光栅和参考啁啾光纤光栅的反射谱函数。当传感啁啾光纤光栅的温度和应变均(可能)发生变化时，P₁的变化量为：

ΔP₁＝ΔP′₁+ΔP″₁                                            (4)

其中ΔP′₁为应变引起的功率变化量，而ΔP″₁为温度引起的功率变化量，设啁啾光纤光栅的反射谱为近似的平坦光谱，则有

$\mathrm{\Δ}{P}_1^{\′}\∝\mathrm{\Δ}{T}_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\mathrm{mean}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{BW}}=\mathrm{\Δ}\frac{T_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\max }+T_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\min }}{2}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{BW}}\∝\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{P}_1^{\′\′}\∝\mathrm{\Δ}{T}_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\mathrm{mean}}=\mathrm{\Δ}\frac{T_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\max }+T_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\min }}{2}\∝\mathrm{\Δt}---\left(6\right)$

其中，ΔT_m(λ)，mean为传感啁啾光纤光栅的半高带宽所在的线性光谱范围内长周期光纤光栅透射谱透射系数平均值的变化量，T_m(λ)，max和T_m(λ)，min分别为与传感啁啾光纤光栅对应半高带宽范围内的最大和最小的透射系数；Δλ_BW为传感啁啾光纤光栅半高带宽的变化量；Δt和Δε分别为被测参量温度和应变的变化量。

同理，P₂的变化量为：

$\mathrm{\Δ}{P}_2\∝\mathrm{\Δ}{T}_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\mathrm{mean}}^{\′}=\mathrm{\Δ}\frac{T_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\max }^{\′}+T_{m\left(\mathrm{\λ}\right),\min }^{\′}}{2}\∝\mathrm{\Δt}---\left(7\right)$

其中，ΔT′_m(λ)，mean为参考啁啾光纤光栅的半高带宽所在的线性光谱范围内长周期光纤光栅透射谱透射系数平均值的变化量，T′_m(λ)，max和T′_m(λ)，min分别为与参考啁啾光纤光栅对应半高带宽范围内的最大和最小的透射系数。

由于参考啁啾光纤光栅不受应力，因此其带宽不变；而其中心波长随温度线性漂移时，P₂将线性变化。当温度上升时，其中心波长向长波方向漂移，其反射的总光功率增大；当温度降低时，其中心波长向短波方向漂移，其反射的总光功率将减小。认为参考啁啾光纤光栅和传感啁啾光纤光栅的温度(变化)相同，因此根据ΔP₁和ΔP₂以及啁啾光纤光栅波长漂移和带宽变化与被测参量间的关系，经过适当的定标，即可解调出温度和应变。

本发明利用单个传感啁啾光纤光栅作传感头，当其受应变调制时，其反射谱中心波长和带宽均线性变化；当其受温度调制时，其反射谱的中心波长线性变化，但带宽不变；因此实时解调其反射谱带宽和中心波长的变化，可利用单个光纤光栅传感头实现对应变和温度两个参量的实时测量。将长周期光纤光栅在系统中的布局位置设置在宽带光源和传感啁啾光纤光栅之间，使其既作为光源的调制元件，又作为信号解调元件；且在光源输出光进入传感啁啾光纤光栅前即被调制过，这可有效利用长周期光纤光栅主损耗峰单边的线性滤波效应，实现对传感啁啾光纤光栅反射谱中心波长的实时解调。在第一2×2光纤耦合器和参考光纤啁啾光栅之间加入了光纤隔离器，可有效防止传感信号与参考信号的串扰，有助于提高测量分辨率和测量精度。

使用时可将传感啁啾光纤光栅利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测目标的待测点，如此本发明也可用于结构负载量、磁场强度等其他参量的测量，并可对应力、位移等参量进行二维、高精度实时监控。

本发明中的各个参数选择如下：(1)在选择并确定宽带光源时，应选择功率谱密度较大的光源，一般应大于-20dB/nm，以保证入射到传感光栅上的光功率较大，使得传感光纤光栅反射的信号光功率较大，以提高测量的精度；(2)选择传感啁啾光纤光栅时，其中心波长最好处于宽带光源的光谱平坦度较高的区域，尤其是传感啁啾光纤光栅反射谱的半高带宽最好应在3nm以上，如此可保证从传感啁啾光纤光栅反射的光功率较大，即携带了被测参量信息的传感啁啾光纤光栅反射的信号光功率较大，从而使得对应的光电探测器接收到的光功率较大，以增大信噪比，提高测量精度；(3)选择长周期光纤光栅时，一般应使其主损耗峰单边的线性度大于2dB/nm，这样当传感啁啾光纤光栅的中心波长有较小的漂移时，其反射光信号的光功率会有较大的改变，因此传感系统的分辨率被大大提高。另一方面，选择长周期光纤光栅时，最好使其主损耗峰单边的中心波长与传感啁啾光纤光栅的中心波长匹配，即应近似相等。(4)选择参考啁啾光纤光栅时，最好使其反射谱的中心波长和半高带宽均与传感啁啾光纤光栅的中心波长和半高带宽匹配，即近似相等，这样可保证能够根据参考啁啾光纤光栅的反射光信号解调出被测温度，并可结合传感啁啾光纤光栅的反射光信号，解调出被测应变。

本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，所述宽带光源的输出光谱、光电探测器的响应光谱范围、长周期光纤光栅主损耗峰单边的光谱区、传感啁啾光纤光栅和参考啁啾光纤光栅的反射光谱，均应处于同一光谱区，一般应使这些光谱的中心波长近似相等，以实现快速和准确的解调。

Claims (10)

1.一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，包括宽带光源(1)，第一N×M光纤耦合器(2)，传感啁啾光纤光栅(3)，第一光电探测器(4)，第二N×M光纤耦合器(5)，参考啁啾光纤光栅(6)，第二光电探测器(7)，数据采集卡(8)和计算机(9)，其特征在于，所述宽带光源(1)的输出光进入第一N×M光纤耦合器(2)；所述第一N×M光纤耦合器(2)的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅(3)，另一部分进入第二N×M光纤耦合器(5)；所述第二N×M光纤耦合器(5)的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅(6)和折射率匹配液(10)；所述传感啁啾光纤光栅(3)的反射光经第一N×M光纤耦合器(2)进入第一光电探测器(4)；所述参考啁啾光纤光栅(6)的反射光经第二N×M光纤耦合器(5)进入第二光电探测器(7)；所述第一光电探测器(4)和第二光电探测器(7)的输出模拟电信号均进入所述数据采集卡(8)，并由所述计算机(9)进行信号的处理和显示，其中，N≥2，M≥2，各个尾纤空置端均接入折射率匹配液(10)。

2.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述宽带光源(1)与第一N×M光纤耦合器(2)之间还设有长周期光纤光栅(11)。

3.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述第一N×M光纤耦合器(2)和参考光纤啁啾光栅(6)之间还设有光纤隔离器(12)。

4.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述第一N×M光纤耦合器(2)和第二N×M光纤耦合器(5)均为2×2光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述传感啁啾光纤光栅(3)的中心波长处于所述宽带光源(1)的光谱平坦度较高的区域。

6.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述传感啁啾光纤光栅(3)的反射谱的半高带宽在3nm以上。

7.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述参考啁啾光纤光栅(6)的反射谱的中心波长和半高带宽均与所述传感啁啾光纤光栅(3)的中心波长和半高带宽近似相等。

8.根据权利要求2所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述长周期光纤光栅(11)的主损耗峰单边的线性度大于2dB/nm。

9.根据权利要求8所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述长周期光纤光栅(11)的主损耗峰单边的中心波长与传感啁啾光纤光栅(3)的中心波长近似相等。

10.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述传感啁啾光纤光栅(3)利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测目标的待测点。

Images