CN103591970B - 双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置 - Google Patents
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Abstract
双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置，涉及光纤传感测量技术，本发明为了解决现有传感探测技术成本高，实现难度大以及无法实时多位置同时监测的问题，本发明包括泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器、光电探测器、1*M耦合器、检测单元和M个多纵模直腔激光传感器，多纵模直腔激光传感器包括掺铒光纤、腔内光纤和两个光栅，掺铒光纤通过腔内光纤与光栅连通，泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器依次串接在光路中，M个多纵模直腔激光传感器的光输入端同时与1*M耦合器连通，波分复用器的传感信号的输出端与光电探测器连通,光电探测器的检测信号的输出端与检测单元的检测信号的输入端连通。本发明适用于实时监测的分布式传感领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感测量技术领域，它涉及动态物理量监测、多位置实时监测的分布式传感领域。
背景技术
多纵模激光技术在20世纪80年代被提出后，就被人们广泛的研究和使用，特别是在微量变化测量方面的应用。与此同时，光电子技术和光通信技术的快速发展，促使以光纤为基础的传感器得到更为广泛的应用，并将多纵模激光用于吸收光谱检测。
光纤激光传感器特别是光纤光栅激光传感器是在普通无源光纤光栅传感器的基础上，将光纤光栅写到有源光纤上或者写入到两光纤光栅之间，形成有效的，具有增益性质的激光谐振腔。当外界物理量发生变化时，出射的激光波长、偏振或者模式发生相应变化，通过检测这些激光参量的变化，即可实现测量监测物理量的目的。光纤激光传感器具有价格低廉、轻便、耐酸碱、抗腐蚀和抗电磁干扰等优良特性。按照激光传感器的检测方式不同，目前主要分为相位型激光传感器和偏振型激光传感器。
光纤相位型激光传感器虽然有超高的精度，但是它需要一套复杂的光学干涉设备去完成波长到相位的转换。理论上，臂长差越大，波长－相位的响应越大，在相位解调装置的相位分辨率一定的情况下，精度就越高。但是事实却经常与之相反，较长的臂长差也耦合进了更多的环境噪声，使得激光传感器的精度降低。因此实际上，这种干涉解调仪的理论精度很难实现，除非超高精度的温度控制装置被用来控制干涉仪周围的温度场分布，但是这样大大增加了系统的造价。
光纤偏振型激光传感器给出了一个新的思路，一般光纤非理想圆形，短的光纤激光器一般会产生两个正交的偏振光，这两个光在光纤激光腔内的光程不同，导致两束激光有两个不同的波长。由于它们是在同一激光腔内形成的两束正交偏振激光，所以他们之间有很好的相干性。利用光纤偏振器与两正交偏振光成45度角方向将两束光相干叠加，通过检测相干产生的拍频信号的频率漂移得到传感信息。
利用多纵模光纤激光传感器的优良性能，结合动态拍频解调技术可实现低成本、结构简单、具有动态解调能力的高性能传感器。期刊opticscommunication在2013年刊登了“Simultaneousmeasurementofstrainandtemperaturewithamulti-longitudinalmodeerbium-dopedfiberlaser”提出利用多纵模掺铒光纤激光传感器进行应力和温度的同时测量。利用多纵模光纤激光传感器对温度和腔长变化的交叉敏感，实现对温度和应变同时测量。公开号为CN102003970的中国专利“光纤激光器动态信号解调方法”提出电子拍频解调方式实现模式间产生拍频信号的解调，实现传感信号的动态解调能力。公开号为CN102636203的中国专利“一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置”提出一种基于双波长拍频技术的光纤传感解调装置，利用光栅制作的法布里-珀罗腔，结合可调谐带通滤波器，实现单纵模或多纵模环腔激光传感器的解调，克服现有基于拍频技术的传感器需要在单纵模的条件下解调的限制。公开号为CN102706375的中国专利“光纤-无线混合式传感监测系统”提出结合环形腔多纵模光纤激光传感器和无线传感技术的混合式传感单点检测系统。
光纤激光传感技术被广泛应用于压力、折射率、化学及生物溶液的浓度、温度等物理量测量上。但是由于实际需要的是多位置物理量测量，而且要求实时性，这就需要多个多纵模直腔激光传感器，而每一个多纵模直腔激光传感器对应需要一个光源及一套解调光路，结果在多位置实时测量中需要多个光源及解调光路，造成成本高且资源的大量浪费。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有多位置实时测量中需要多个双光栅光纤多纵模直腔激光传感器，而每一个双光栅光纤多纵模直腔激光传感器对应需要一个光源及一套解调光路，这造成其使用成本高和资源浪费的问题，提出一种双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置。
双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置，它包括泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器、光电探测器、1*M耦合器、检测单元和M个多纵模直腔激光传感器，M为大于1的整数，多纵模直腔激光传感器包括长度为L的掺铒光纤、腔内光纤和两个参数相同的光栅，掺铒光纤的两端分别通过腔内光纤与两个参数相同的光栅连通，泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器依次串接在光路中，波分复用器的光输出端与1*M耦合器的光输入端连通，M个多纵模直腔激光传感器的光输入端同时与1*M耦合器连通，波分复用器的传感信号的输出端与光电探测器的传感信号的输入端连通,光电探测器的检测信号的输出端与检测单元的检测信号的输入端连通。
本发明通过一个光源及解调光路实现了同时获取M个双光栅光纤多纵模直腔激光传感器传感信号，实现了M个传感探头复用。由于多个传感器并联复用，每个传感器独立测量，提高对激光带宽利用率，实现传感器超长距离监测、多位置实时监测以及信号位置快速定位能力。本发明降低了传感器阵列的使用成本，使光纤传感技术的应用更加经济实用。本发明使用的拍频监测方案，是对传感器的频率信号进行直接监测，本质上频率信息和波长信息一样，不受强度干扰的影响，因此它具有很强的抗干扰能力。本发明广泛适用于复杂电磁、高腐蚀或水下等特殊环境。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图2为具体实施方式一中双光栅光纤多纵模直腔激光传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置，它包括泵浦光源1、光纤隔离器2、波分复用器3、光电探测器4、1*M耦合器5、检测单元7和M个多纵模直腔激光传感器6，M为大于1的整数，多纵模直腔激光传感器6包括长度为L的掺铒光纤6-1、腔内光纤6-3和两个参数相同的光栅6-2，掺铒光纤6-1的两端分别通过腔内光纤6-3与两个参数相同的光栅6-2连通，泵浦光源1、光纤隔离器2、波分复用器3依次串接在光路中，波分复用器3的光输出端与1*M耦合器5的光输入端连通，M个多纵模直腔激光传感器6的光输入端同时与1*M耦合器5连通，波分复用器3的传感信号的输出端与光电探测器4的传感信号的输入端连通,光电探测器4的检测信号的输出端与检测单元7的检测信号的输入端连通。
本发明每个多纵模传感器都是由两个参数相同光栅和一段掺铒光纤组成的，拥有高反射率的光纤光栅在传感器中充当光纤激光传感器的腔镜，其中的掺铒光纤是增益介质，每个传感器的腔内长度为：掺铒光纤长度+腔内光纤的长度，腔内光纤采用普通光纤实现。
由于光纤光栅存在带宽范围内可以有多个模式形成振荡输出，全窗口的波导型1*M耦合器可以将M个激光传感器的多纵模信息全部收集，拍频信息由1*M耦合器返回，并通过波分复用器到达高频光电探测器（PD），实现将光拍频信号转换为电子拍频信号，这些拍频信号由检测单元7实现监测。M个双光栅光纤多纵模直腔激光传感器由于腔长不同而具有不同的拍频频率间隔，以存在差异拍频信号为标示，实现对多纵模传感器的寻址功能，每一个信号代表一个光纤激光传感器，频率最小的对应腔长最长的多纵模传感器。实时监测每个拍频信号的漂移即可实现对传感器的测量物理量变化的分析。
选择双光栅光纤多纵模直腔激光传感器6产生的拍频频率νN作为传感信号，当应变施加到双光栅光纤多纵模直腔激光传感器上时，应变引起的腔长变化将导致激光多纵模的模式间隔的变化，最后表现为拍频传感信号频率的变化，其表达如下：
Pe为光纤有效弹光系数，ε光纤的纵向应变。α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。ε和ΔT分别是施加在光纤上的应变和温度信息。L为谐振腔有效长度，n为光纤谐振腔有效折射率，c为光在真空中的传播速度，N为正整数。通过拍频信号的变化实现监测温度或应变的变化。
双光栅和掺铒光纤组成的多纵模光纤激光传感器由于腔长不同而产生拍频间隔不同，传感器布放在任意探测位置，可探测信号包括应力、温度、压力等物理量信息，探测物理量的改变造成光纤谐振腔有效腔长的改变，继而导致其产生的多纵模激光干涉形成的拍频间隔发生改变，即待测信息转换为拍频间隔改变，多路传感器自身产生的多纵模激光是相干的，不因为复用而产生传感器间交叉干扰，传感器信号可耦合到同一光纤通道，不同传感器所产生的频率变化信息可利用光电探测器直接捕获，经过光电转换之后，实现将多纵模拍频信号转换为电子拍频信号，拍频信号间隔不受电子转换过程影响，解决了解调过程中产生干扰造成传感信息解调失真的问题，电子拍频信号由频谱分析检测单元进行分析，实现拍频信号动态监测，通过对拍频频率改变量计算获得传感信息。
本发明采用半导体激光器作为泵浦光源，泵浦波长为980nm或1480nm，泵浦光通过具有抑制背向光作用的光纤隔离器到波分复用器980nm端（1480nm端）进入1*M耦合器，1*M耦合器的输入端连接于波分复用器公共端，1*M耦合器的M个输出端分别连接M个传感器探头，传感器探头是双光栅光纤多纵模直腔激光传感器，每个传感器探头都是由谐振腔镜和谐振腔组成，谐振腔镜是由一对参数一致的光栅充当，谐振腔是连接于光栅对之间的普通光纤和掺铒光纤组成。泵浦光源980nm(或1480nm)提供光功率达到多纵模传感器阈值时，传感器将输出1550nm波段激光，激光携带传感器的传感信息，以此实现信息传感和传递目的，调节传感器谐振腔长度，实现设定M个传感器拍频信号频率间隔的目的，利用拍频频率间隔差异表征不同传感器的测量信息，实现多路传感器复用。将波分复用器的1550端连接于探测器光学端口，探测器为高频光电探测器，探测器将M个传感器的光拍频信号转换为电子信号，通过频率检测，实时得知任意传感器拍频频率变化，实现传感测量目的。
本发明通过一套光源及解调光路实现了同时获取M个双光栅光纤多纵模直腔激光传感器传感信号，实现了M个传感探头的复用。解决了现有单个光纤多纵模激光传感器无法同时获知多个位置物理量，且多个光纤多纵模激光传感器需要多套相应光源及解调光路的问题。降低了传感器阵列的使用成本，使光纤传感技术的更加经济实用。
本发明使用的拍频监测方案，是对传感器的频率信号进行直接监测。本质上频率信息和波长信息一样，不受强度干扰的影响，因此它具有很强的抗干扰能力。本发明避免了复杂的光学解调方式，基于拍频的全电子信号探测、解调可以在一个电路板上完成，减少了信号解调过程中的多种干扰，而且大大提高了系统的集成度，减小了系统的体积，降低了干扰噪声，同时也降低了系统的成本。
该光纤多纵模直腔激光传感器不限于如图所示的形状，腔内光纤可根据实际需要调整，可以缠绕在待测物体表面，腔外光纤可以依据不同布放位置设计连接长度，腔外光纤长度变化不影响传感器精度，便于应用在对传感器体积、位置要求苛刻的特殊环境下使用。这种双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置可以应用在复杂电磁环境下，实现对振动、应力、温度等物理信息监测，特别适用于需要大面积监测，精度要求高等传统传感器难以实现的监控领域，并且在航空航天的智能蒙皮领域有巨大优势。本发明的双光栅光纤多纵模直腔激光传感器形状多变，如可以整合绕在一个柱体上，从而实现某些特殊场合的信息检测。本发明旨在提出一种实时多路同时监测的传感器复用装置，实现光网络化管理。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置的进一步限定，泵浦光源1采用980nm或1480nm的泵浦光。
M个传感器的泵浦光源只需要一个半导体激光器，激光器功率保证所有传感器都处于工作状态。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置的进一步限定，1*M耦合器5采用波导型全窗口1*M耦合器。
本发明利用传感器频分复用技术，通过控制传感器谐振腔的长度，设置M个传感器的拍频信号频率间隔，让不同的拍频信号频率间隔表征不同位置的传感器的信息，其中拍频是来源于每个传感器自身产生的多纵模相互干涉。监测设备可实时获得不同地点的信息，也可以获得同一地点的不同物理量的信息。
利用光电探测器将多纵模激光传感器的拍频频率直接转换为电子信号，利用频谱分析仪直接进行分析。
本发明提出的双光栅光纤多纵模直腔激光传感器是由具有相同参数的光栅组成，而组成M个传感器的M对光栅组之间参数可以是不一致的。
本发明具体实例如下，应用场景包括但不限于以下实例：
一、M个传感器排布在机翼下表面，机翼上应力变化导致传感器拍频频率变化，探测器接收到的频率信息通过机身上光纤信息网络直接传送到频率分析装置，进行信号解调，获得对应的机翼表面结构强度信息，从而实现实时监控飞机运行状态，实现全自动化的问题的定位和检测。
二、将传感器应用于高速列车安全监测：M个传感器可以实现对高速列车所有探测位置覆盖，采集振动信号所引起的传感器拍频变化，根据拍频信息监测列车是否处于安全运营状态，实现列车在线实时监测目的。
由于所述传感器的探头制作简单，只需设定传感器谐振腔长，利用光纤熔接机即可实现传感器器件间连接，工艺简便易于工业生产；同时传感器探头阈值低，无需单模运行，提高了其行业竞争力。
Claims (3)
1.双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置，其特征在于，它包括泵浦光源(1)、光纤隔离器(2)、波分复用器(3)、光电探测器(4)、1*M耦合器(5)、检测单元(7)和M个多纵模直腔激光传感器(6)，M为大于1的整数，多纵模直腔激光传感器(6)包括长度为L的掺铒光纤(6-1)、腔内光纤(6-3)和两个参数相同的光栅(6-2)，掺铒光纤(6-1)的两端分别通过腔内光纤(6-3)与两个参数相同的光栅(6-2)连通，泵浦光源(1)、光纤隔离器(2)、波分复用器(3)依次串接在光路中，波分复用器(3)的光输出端与1*M耦合器(5)的光输入端连通，M个多纵模直腔激光传感器(6)的光输入端同时与1*M耦合器(5)连通，波分复用器(3)的传感信号的输出端与光电探测器(4)的传感信号的输入端连通,光电探测器(4)的检测信号的输出端与检测单元(7)的检测信号的输入端连通。
2.根据权利要求1所述双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置，其特征在于，泵浦光源(1)采用980nm或1480nm的泵浦光。
3.根据权利要求1所述双光栅光纤多纵模直腔激光传感器频分复用装置，其特征在于，1*M耦合器(5)采用波导型全窗口1*M耦合器。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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