CN104897335B - 基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，借助光纤光栅的谱效应，本发明在悬臂梁调谐技术与波登管相结合的光纤光栅压力传感器中利用波长解调算法与50GHz密集波分复用器结合技术来确定窄带反射光谱在信道中的准确位置，从而实现了波长解调，解调系统的实际测试结果显示：压力测试系统测量精度为0.1兆帕，测量范围0～6兆帕，测试结果的误差小于1％。本发明提出用波长解调算法与阵列式密集波分复用器相结合的方式很好的解决了这一问题，并获得了令人满意的实验结果。这一新型测试系统可望构成一种新型的有市场应用前景的新型光纤光栅类压力测量仪表。

Description

基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤压力传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅压力传感器，具体来说涉及一种基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器。

背景技术

压力仪表在工业生产中具有重要作用和地位。在研究各类压力测量仪表中光纤光栅压力传感器的研制与开发对于石油、石化等对安全防爆等级要求高的行业具有特殊的作用和价值。多年来围绕光纤光栅压力传感器的研制与开发中一项核心技术就是选择与这种传感器相适应的解调方式。围绕解调方式，国内外专家先后提出了可调法布里-珀罗滤波器法、非平衡马赫-曾德尔干涉仪解调法、压电陶瓷匹配光纤光栅滤波法等多种方法。这些解调方案有不同的优缺点，但整体来讲系统成本高、技术复杂是共性的问题，这在一定程度上制约了光纤光栅类仪表的发展。近年来重庆大学饶云江、中科院半导体所田珂珂、浙江大学乔文、哈尔滨理工大学张剑、承德石油高等专科学校的杨洋等先后提出利用波分复用器作为解调器，并进行了初步尝试。由于这种解调方式具有操作简单和价格低廉等优点，因此一经提出就广受关注。但波分复用器解调从本质上是一种利用边缘效应的强度解调，这种强度解调受外界环境及光源等测试系统影响较大，相对于前面提到的波长解调方式，测量精度较低，很难实现产品的工业化生产。基于波长解调测量精度高，但成本高、结构复杂，而边缘解调结构简单、价格便宜，但测量精度低的矛盾，长期以来在实现波长解调同时实现低成本的解调方式成为对于科技工作者来说是一件 具有挑战性的研究内容。本发明提出用波长解调算法与阵密集波分复用器相结合的方式很好的解决了这一问题，并获得了令人满意的实验结果。这一新型测试系统可望构成一种新型的有市场应用前景的新型光纤光栅类压力测量仪表。

发明内容

本发明的目的在于利用悬臂梁调谐技术与波登管相结合的基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，使用波长解调算法与50GHz密集波分复用器结合的技术来确定窄带反射光谱在信道中的准确位置，从而实现了波长的精确解调。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，所述的光纤光栅压力传感器是采用基于悬臂梁调谐技术与波登管相结合的压力传感器；

所述悬臂梁调谐技术的原理为：波登管是波登管压力计的主要感压元件。波登管分为固定端和自由端两部分，从波登管的固定端开口导入气体或液体介质，波登管的曲率将随导入气体或液体介质的压力改变而改变，同时波登管密封的自由端产生位移，悬臂梁的一端固定在波登管的支撑体上，为固定端，另一端为自由端，光纤光栅粘接在悬臂梁的固定端附近，波登管的自由端压迫悬臂梁的自由端，被安装在悬臂梁上的光纤光栅反射波长产生波长的移动，从而实现悬臂梁调谐。

由所述悬臂粱调谐技术的原理可知，光纤光栅粘接在悬臂梁的固定端附近，波登管的自由端在集中载荷作用下产生位移，光纤光栅中心波长的相对 改变量为：

式中，Δλ为光纤光栅中心波长的移动值，λ为光纤光栅中心波长，p为波登管内部的压力，k为压力敏感系数，k是一个仅与悬臂梁结构及光纤光栅特性有关的常量；

根据公式(I)可知：通过测量光纤光栅中心波长的移动值Δλ，能够测量出导入气体或液体介质的压力变化p；

边缘解调系统是利用线性滤波的光波透射率变化来鉴别光波长的有效工具，这一解调系统就是前面提到的用于确定波长位置的机构，它是获得公式(I)中Δλ的重要载体。在线性滤波器的工作范围内光纤光栅透射率与波长成近似的线性关系，且每一个波长对应一个透过率，也就是对应一个透射光强。图2为基于边缘解调的原理示意图。

从密集波分复用器得到的光强I(λ)是光栅反射谱与用作边缘解调的线性滤波器传输谱的卷积：

式中，I(λ)为光纤光栅压力传感器反射回来的光强，H(λ’)为归一化光谱透射率分布函数，P(λ)为布拉格光纤光栅的反射光功率密度函数，λ为光纤光栅反射光谱的中心波长，λ’为光纤光栅反射光谱内任意波长，取值范围为正、负无穷。

根据公式(II)可知：通过测量光纤光栅压力传感器反射回来的光强I(λ)，能够反推出光纤光栅中心波长的移动值Δλ，从而实现边缘解调。

传统的利用WDM实现解调的方法都是利用其边缘解调(强度)的原理， 而本发明则是利用密集波分复用器(DWDM)实现波长解调，其具体过程如下：从宽带光源(BBS)发出的光经耦合器进入传感光纤光栅(FBG)，由FBG反射后形成窄带光谱光进入DWDM，这里的DWDM起到的是线性滤波器的作用。当压力改变时，经过FBG反射的窄带光谱的中心波长会产生移动，当窄带光谱的中心波长移动到DWDM某一个信道端口时，在这个信道端口得到最大的光功率输出，因此DWDM对光纤光栅反射的窄带光谱的中心波长具有波长选择性探测器的作用。

利用这一原理可以得到与信道端口波长值相一致的窄带光谱的中心波长值，而这个波长值是与压力的大小直接相关联的。由于这种方法中确定压力的大小是由DWDM中信道端口的位置(即波长)所确定的，而不是由光强的大小所确定的，因此这一过程所实现的是波长解调而不是强度(边缘)解调。

然而，本发明需要解决的技术难题是当反射的窄带光谱的中心波长移动至两个信道端口当中时如何确定它的准确的位置(波长值)，因为如果知道准确的位置就可以实现精确的波长解调。

本发明在实践中注意到由于反射的窄带光谱本身有一定的宽度(0.3～0.4nm)，如图4所示是由FBG反射后形成窄带光谱在光纤光谱仪上的图像，其中横坐标的单位为0.5nm/D。

由于窄带光谱本身有一定的宽度，当它对应密集波分复用器时，由于两个相邻信道的波长间隔很小(0.4nm)，因此当某一信道出现主最大的强度时，作为其相邻信道端口也会有一定的信号强度输出，也就是在相邻信道端口会出现次最大和再次最大等，而那些远离的信道端口的强度则迅速衰减。这就 是说在出现最大的强度信道相临的信道上也会出现一定强度分布，据此我们可以得到这些有效信号强度的包络。而伴随着窄带光谱产生波长的移动，这种强度分布就会随着发生改变，并显现出一定规律性，我们把这一现象称为谱效应。这种谱效应可以用图5来体现。

我们提出利用这种谱效应，并通过波长解调算法与DWDM的结合技术来确定出窄带光谱在信道中的准确位置，从而可以实现波长解调的精确测量的目的。

利用谱效应，并通过波长解调算法与DWDM结合的技术来确定出窄带光谱在信道中的准确位置，从而实现波长解调精确测量的目的。

所述波长解调算法是由matlab数学软件编写而成。算法的目的是通过利用已有的实验数据来预测给定功率数组所对应的压力值，整个算法的过程包括以下几个部分：

第一部分是算法的初始化：主要是对算法所需要的数据进行初始化，需要初始化的数据包括：已有的实验数据、实验所用的压力段、所需预测精度及输入的功率数组；

第二部分是确定输入的功率数组所处的压力段和压力区间：首先以第一部分中经过初始化的数据为依据，并用同一信道端口处出现的横向比较最大值来确定不同的压力段，在此基础上在同一压力段内找到功率的最大值，并以该最大值为依据，将同一压力段分为纵向比较的三个区间，其中最大值及其两侧的压力段为一个区间，而这一区间的上下两个部分为另外两个区间，待区间确定后，将输入的功率数组分别带入到以上三个区间中，来确定输入的功率数组最终所对应的压力段，然后依据该压力段来预测给定功率数组所 对应的压力值；上述第二部分的判断过程在数学上是一个遍历n×m矩阵的求解过程；

第三部分是预测输入的功率数组所对应的压力值部分：首先，在第二部分中所确定的压力段中做分段三次样条内插，从而求出本压力段内以所需精度为间隔的所有压力所对应的功率数组，然后分别求出这些数组与输入的功率数组之间的距离，数组之间的距离用向量的模来衡量，其中与之距离最小的功率数组所对应的压力，即为所预测的压力值。

所述光纤光栅安置在弹簧管压力传感器内，构成光纤光栅弹簧管压力传感器，安装在一个微型压力校验台上，所述微型压力校验台上同时还安装着一个0.25级的标准压力表；所述微型压力校验台上的标准压力表与光纤光栅弹簧管压力传感器测试系统的内部是连通的，能够根据实验需要得到加在光纤光栅压力传感器上的压力。

实验测试数据见图7。

将图7中的数据代入利用波长解调算法所编写的程序中，并对数据进行初始化，同时确定实验所用的压力段为0～6MPa，测试精度为0.1MPa，在此基础上确定压力段，将所测量的某一功率数据组代入测量程序，通过计算机显示出所对应的压力值。

在0～6MPa中选取标准压力表指示分别为：1.91MPa、2.72MPa、4.92MPa，并通过光电探测与显示系统得到与之对应的三组数据，见图8。将所得到的图8测试数据输入预先编写好的测量程序，通过计算机显示出的测量结果与压力所显示的测试结果吻合程度很高。

图8中三组测试结果的误差分别为0.5％、0.7％和0.4％，测试结果均低于 1％。

所述微型压力校验台上标准压力表中的压力从0开始，每次增加0.2MPa，直至6MPa时，利用多通道光电探测与显示系统能够同时在DWDM的8个端口上获得相应的功率输出值；这里光电探测与显示系统的作用是代替光电探测器与显示系统。光电探测器与显示系统采用pw级的高精度功率计，光源采用功率为100mw的ASE宽带光源，压力从0到6MPa时所对应的光纤光栅反射光谱中心波长从1552.1nm移动到1551.1nm。光电探测器与显示系统采用pw级的高精度功率计，光源采用功率为100mw的ASE宽带光源，压力从0到6MPa时所对应的光纤光栅反射光谱中心波长从1552.0nm移动到1551.1nm。

所述解调中所选用的波分复用器采用8通道、信道间隔为50GHz(0.4nm)的密集波分复用器(DWDM)，这里采用DWDM作为解调工具是利用其对波长的选择性，利用8个端口对应着8个不同的透射率最高的波长值的特性，采用的8通道DWDM，其端口波长分别为：1552.6nm、1552.2nm、1551.8nm、1551.3nm、1550.96nm、1550.51nm和1549.75nm。

本发明的有益效果在于：

1、实践表明，借助光纤光栅的谱效应，并利用波长解调算法与密集波分复用器结合技术来确定窄带光谱在信道中的准确位置，从而实现了波长解调的技术路线是科学有效的，方法是可行的。

2、这种解调方法中DWDM的作用不再是传统方法中利用其中某一(或者两个)端口的边缘(强度)解调，而是利用多个端口中每一个端口都具有不同波长选择性探测器的作用，DWDM中每个端口都具有一个确定的波长值。

3、利用反射窄带光谱的谱效应的方法从本质上讲是利用有一定宽度的反射窄带光谱在DWDM中几个信道中同时获得信号强度的包络(波型)来作为确定反射窄带光谱的位置的依据，从而实现从强度解调转变成波长解调。

4、本次实验中测量精度选取0.1MPa，从而导致传感器的测量精度比较低，伴随着测量精度要求的提升，可以在初始测试精度的确定时将测试精度设置为0.01MPa，但与此同时也需要提供更多实验数据作为基础。

5、实验获得了令人满意的实验结果，预示着这一新型波长解调测试系统可望构成一种新型的有市场应用前景的、低成本的新型光纤光栅类压力测量仪表，并且伴随着科学技术水平的发展经济成本还会进一步降低。

6、DWDM信道数量要多，信道间隔要小是实现这种解调方式的基础和保障。目前市场上能够购置的产品化的DWDM信道间隔大多是100GHz(0.8nm)或200GHz(1.6nm)，而我们所采用的DWDM信道间隔是50GHz(0.4nm)，信道间隔的减小为我们提供了实现这一方案的技术保障，伴随着工业产品技术水平的提升，信道间隔可以做的更小，这预示着测试精度还有较大提升的空间。

7、利用这种方式进行压力测量时，外界温度的变化会给测量结果带来误差，但由于DWDM本身对温度不敏感，因此当我们有意识的选择对温度不敏感的光纤光栅或考虑对温度的影响给予补偿，温度给传感器带来的影响就可以基本得到解决。

附图说明

图1为光纤光栅压力传感器结构示意图；

图2为基于边缘解调的原理示意图；

图3为8通道密集型波分复用器(DWDM)的各项技术指标；

图4为FBG反射后形成的窄带光谱在光纤光谱仪上的图像；

图5为反射信号在不同信道上强度分布的谱效应图；

图6为波长解调测试系统结构图；

图7为DWDM的8个端口功率测试数据；

图8为实验测试值及标准压力表显示值。

其中，1-波登管；2-悬臂梁；3-支撑体；4-光纤光栅；5-气体或液体介质。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，所述的光纤光栅压力传感器是采用基于悬臂梁调谐技术与波登管相结合的压力传感器；

所述悬臂梁调谐技术的原理为：波登管1分为固定端和自由端两部分，从波登管1的固定端开口导入气体或液体介质5，波登管1的曲率将随导入气体或液体介质5的压力改变而改变，同时波登管1密封的自由端产生位移，悬臂梁2的一端固定在波登管1的支撑体3上，为固定端，另一端为自由端，光纤光栅4粘接在悬臂梁2的固定端附近，波登管1的自由端压迫悬臂梁2的自由端，被安装在悬臂梁2上的光纤光栅4反射波长产生波长的移动，从而实现悬臂梁调谐。

由所述悬臂粱调谐技术的原理可知，光纤光栅4粘接在悬臂梁2的固定 端附近，波登管1的自由端在集中载荷作用下产生位移，光纤光栅4中心波长的相对改变量为：

式中，Δλ为光纤光栅中心波长的移动值，λ为光纤光栅中心波长，p为波登管内部的压力，k为压力敏感系数，k是一个仅与悬臂梁结构及光纤光栅特性有关的常量；

根据公式(I)可知：通过测量光纤光栅中心波长的移动值Δλ，能够测量出导入气体或液体介质的压力变化p；

从密集波分复用器得到的光强I(λ)是光栅反射谱与用作边缘解调的线性滤波器传输谱的卷积：

式中，I(λ)为光纤光栅压力传感器反射回来的光强，H(λ’)为归一化光谱透射率分布函数，P(λ)为布拉格光纤光栅的反射光功率密度函数，λ为光纤光栅反射光谱的中心波长，λ’为光纤光栅反射光谱内任意波长，取值范围为正、负无穷。

根据公式(II)可知：通过测量光纤光栅压力传感器反射回来的光强I(λ)，能够反推出光纤光栅中心波长的移动值Δλ，从而实现边缘解调。

如图3所示，所开发的密集波分复用器(DWDM)的信道间隔为0.4nm，信道数量为8通道，每个端口对应透射最大的波长值，且具有损耗小、信道间隔离度高等特点。

利用密集波分复用器(DWDM)实现波长解调，其具体过程如下：从宽带光源(BBS)发出的光经耦合器进入传感光纤光栅(FBG)，由FBG反射后 形成窄带光谱光进入DWDM，当压力改变时，经过FBG反射的窄带光谱的中心波长会产生移动，当窄带光谱的中心波长移动到DWDM某一个信道端口时，在这个信道端口得到最大的光功率输出，因此DWDM对光纤光栅反射的窄带光谱的中心波长具有波长选择性探测器的作用。

利用谱效应，并通过波长解调算法与DWDM结合的技术来确定出窄带光谱在信道中的准确位置，从而实现波长解调精确测量的目的。

所述波长解调算法是由matlab数学软件编写而成，通过利用已有的实验数据来预测给定功率数组所对应的压力值，整个算法的过程包括以下几个部分：

第一部分是算法的初始化：主要是对算法所需要的数据进行初始化，需要初始化的数据包括：已有的实验数据、实验所用的压力段、所需预测精度及输入的功率数组；

第二部分是确定输入的功率数组所处的压力段和压力区间：首先以第一部分中经过初始化的数据为依据，并用同一信道端口处出现的横向比较最大值来确定不同的压力段，在此基础上在同一压力段内找到功率的最大值，并以该最大值为依据，将同一压力段分为纵向比较的三个区间，其中最大值及其两侧的压力段为一个区间，而这一区间的上下两个部分为另外两个区间，待区间确定后，将输入的功率数组分别带入到以上三个区间中，来确定输入的功率数组最终所对应的压力段，然后依据该压力段来预测给定功率数组所对应的压力值；上述第二部分的判断过程在数学上是一个遍历n×m矩阵的求解过程；

第三部分是预测输入的功率数组所对应的压力值部分：首先，在第二部 分中所确定的压力段中做分段三次样条内插，从而求出本压力段内以所需精度为间隔的所有压力所对应的功率数组，然后分别求出这些数组与输入的功率数组之间的距离，数组之间的距离用向量的模来衡量，其中与之距离最小的功率数组所对应的压力，即为所预测的压力值。

如图6所示，所述光纤光栅4安置在弹簧管压力传感器内，构成光纤光栅弹簧管压力传感器，安装在一个微型压力校验台上，所述微型压力校验台上同时还安装着一个0.25级的标准压力表；所述微型压力校验台上的标准压力表与光纤光栅弹簧管压力传感器测试系统的内部是连通的，能够根据实验需要得到加在光纤光栅压力传感器上的压力。

所述微型压力校验台上标准压力表中的压力从0开始，每次增加0.2MPa，直至6MPa时，利用多通道光电探测与显示系统能够同时在DWDM的8个端口上获得相应的功率输出值；光电探测与显示系统采用pw级的高精度功率计，光源采用功率为100mw的ASE宽带光源，压力从0到6MPa时所对应的光纤光栅反射光谱中心波长从1552.1nm移动到1551.1nm。

所述解调中所选用的波分复用器采用8通道、信道间隔为50GHz(0.4nm)的密集波分复用器(DWDM)，其端口波长分别为：1552.6nm、1552.2nm、1551.8nm、1551.3nm、1550.96nm、1550.51nm和1549.75nm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，其特征在于：

所述的光纤光栅压力传感器是采用基于悬臂梁调谐技术与波登管相结合的压力传感器；

所述悬臂梁调谐技术的原理为：波登管(1)分为固定端和自由端两部分，从波登管(1)的固定端开口导入气体或液体介质(5)，波登管(1)的曲率随导入气体或液体介质(5)的压力改变而改变，同时波登管(1)密封的自由端产生位移，悬臂梁(2)的一端固定在波登管(1)的支撑体(3)上，为固定端，另一端为自由端，光纤光栅(4)粘接在悬臂梁(2)的固定端附近，波登管(1)的自由端压迫悬臂梁(2)的自由端，被安装在悬臂梁(2)上的光纤光栅(4)反射波长产生波长的移动，从而实现悬臂梁调谐；

利用密集波分复用器(DWDM)实现波长解调，其具体过程如下：从宽带光源(BBS)发出的光经耦合器进入传感光纤光栅(FBG)，由FBG反射后形成窄带光谱光进入DWDM，当压力改变时，经过FBG反射的窄带光谱的中心波长会产生移动，当窄带光谱的中心波长移动到DWDM某一个信道端口时，在这个信道端口得到最大的光功率输出，因此DWDM对光纤光栅反射的窄带光谱的中心波长具有波长选择性探测器的作用；

利用谱效应，并通过波长解调算法与DWDM结合的技术来确定出窄带光谱在信道中的准确位置，从而实现波长解调精确测量的目的；

所述波长解调算法是由matlab数学软件编写而成，通过利用已有的实验数据来预测给定功率数组所对应的压力值，整个算法的过程包括以下几个部分：

第一部分是算法的初始化：主要是对算法所需要的数据进行初始化，需要初始化的数据包括：已有的实验数据、实验所用的压力段、所需预测精度及输入的功率数组；

第二部分是确定输入的功率数组所处的压力段和压力区间：首先以第一部分中经过初始化的数据为依据，并用同一信道端口处出现的横向比较最大值来确定不同的压力段，在此基础上在同一压力段内找到功率的最大值，并以该最大值为依据，将同一压力段分为纵向比较的三个区间，其中最大值及其两侧的压力段为一个区间，而这一区间的上下两个部分为另外两个区间，待区间确定后，将输入的功率数组分别带入到以上三个区间中，来确定输入的功率数组最终所对应的压力段，然后依据该压力段来预测给定功率数组所对应的压力值；上述第二部分的判断过程在数学上是一个遍历n×m矩阵的求解过程；

第三部分是预测输入的功率数组所对应的压力值部分：首先，在第二部分中所确定的压力段中做分段三次样条内插，从而求出本压力段内以所需精度为间隔的所有压力所对应的功率数组，然后分别求出这些数组与输入的功率数组之间的距离，数组之间的距离用向量的模来衡量，其中与之距离最小的功率数组所对应的压力，即为所预测的压力值。

2.根据权利要求1所述的基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，其特征在于：

由所述悬臂粱调谐技术的原理可知，光纤光栅(4)粘接在悬臂梁(2)的固定端附近，波登管(1)的自由端在集中载荷作用下产生位移，光纤光栅(4)中心波长的相对改变量为：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}=kp---\left(I\right)$

式中，Δλ为光纤光栅中心波长的移动值，λ为光纤光栅中心波长，p为波登管内部的压力，k为压力敏感系数，k是一个仅与悬臂梁结构及光纤光栅特性有关的常量；

根据公式(I)可知：通过测量光纤光栅中心波长的移动值Δλ，能够测量出导入气体或液体介质的压力变化p；

从密集波分复用器得到的光强I(λ)是光栅反射谱与用作边缘解调的线性滤波器传输谱的卷积：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}P(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})H\left({\mathrm{\λ}}^{\′}\right){\mathrm{d\λ}}^{\′}---\left(II\right)$

式中，I(λ)为光纤光栅压力传感器反射回来的光强，λ为光纤光栅反射光谱的中心波长，λ’为光纤光栅反射光谱内任意波长，P(λ)为布拉格光纤光栅的反射光功率密度函数，H(λ’)为归一化光谱透射率分布函数；

根据公式(II)可知：通过测量光纤光栅压力传感器反射回来的光强I(λ)，能够反推出光纤光栅中心波长的移动值Δλ，从而实现边缘解调。