CN105783956B - 大容量弱光栅阵列加工设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大容量弱光栅阵列加工设备，其特征在于，它包括中心控制系统、预加工原料装料装置、裸纤直径监测装置、光纤加工温度控制装置、FBG刻写平台、双重涂覆和固化单元和FBG缠绕装置，中心控制系统的装料控制信号输出端连接预加工原料装料装置的控制信号输入端，裸纤直径监测装置的信号输出端连接中心控制系统的裸纤直径监测结果输入端，中心控制系统的温度控制信号输出端连接光纤加工温度控制装置的控制信号输入端，中心控制系统的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置的控制信号输入端，中心控制系统的FBG缠绕控制信号输出端连接FBG缠绕装置的控制信号输入端。本发明能大大提高分布式传感系统的复用容量。

Description

大容量弱光栅阵列加工设备及方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感检测技术领域，具体地指一种大容量弱光栅阵列加工设备及方法。
背景技术
光纤传感器目前由单点检测逐步发展为多点准分布式和全分布式检测。由于其能实现大范围测量中分布信息的提取，可解决目前测量领域的众多难题。在各种分布式光纤传感技术中，基于FBG复用的准分布式复用技术对温度、应变、振动等外界物理量有高传感灵敏度，以及体积小、动态区间宽、可靠性高、防电磁干扰等优点，成为光纤传感的突出研究热点。
光纤光栅传感的分布式检测，通过对FBG反射光谱中心波长漂移的检测来测量外界物理参量的变化，由于其探测能力不受光源功率波动、探测器老化等因素影响，适合进行长期安全监测。近年来在航空航天领域、土木工程领域、机械在线监测领域这些应用场合，对分布式的容量以及空间分辨率要求逐步提高。分布式检测多采用的是光分复用技术进行解调，最常见的波分复用技术，受光器件带宽的限制，单路复用容量一般不超过几十个。为进一步提高光纤光栅传感器的复用数目，后相继提出了基于光时域反射(OTDR)以及光频域反射(OFDR)的解调技术，来提高复用容量。
目前用来提高复用容量的解调方法主要有以下几种。
(1)董小鹏(董小鹏,郑俊达.基于波分复用的光纤多防区周界传感系统[J].中国激光,2012(9):107-110.)，提出了一种新的光纤多防区周界传感系统，采用波分复用技术实现了监控防区和通道的扩展。利用波分复用器件与技术，多根传感光纤共用一套干涉系统，实现了多个干涉子系统同时、独立的监测。实验结果表明，该系统可以实现多个分散防区同时、独立的入侵检测和定位，信号响应时间小于1ms，不同防区间信号的串扰小于-20dB。利用带宽划分为多个传感信道来提高带宽资源的利用率，单是复用个数受光源谱宽、光栅带宽及相邻光栅间距的影响，数量很有限。
(2)张彩霞(张彩霞,张震伟,郑万福,等.超弱反射光栅准分布式光纤传感系统研究[J].中国激光,2014(4):145-149.)采用波长可调谐光源与光时域反射技术(OTDR)结合的方案，通过对光脉冲调制技术和光电转换电路的优化，实现了一种对超弱全同反射光纤光栅的准分布式解调系统。实验中，20个中心波长相近的超弱反射光栅间隔2m放置于约5.8km长的光纤尾端，该解调系统成功实现了对这些反射率仅为0.01％的超弱反射光栅高信噪比的解调与定位，并且测得的光纤布拉格光栅(FBG)中心波长随温度变化的线性度达到99.7％以上。OTDR解调技术具有高复用、长距离的优势，然易受脉冲宽度和信噪比的相互制约而难以实现高空间分辨率的要求，一般仅能达到数米的数量级。
(3)Yüksel,K(Yüksel,K,Moeyaert,V,Mégret,P,et al.Complete Analysis ofMultireflection and Spectral-Shadowing Crosstalks in a Quasi-DistributedFiber Sensor Interrogated by OFDR[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(5):988-995.)基于光源扫频和光外差探测的测量技术，不仅理论上具有很高的复用容量，而且具有极高的空间分辨率和精度，但是其复用容量主要受限于FBG的光谱阴影和串扰拍频。阴影效应和光栅之间的多重反射会对光栅阵列的反射信号造成干扰，而使光栅复用的数量受到限制。
目前，准分布式光纤光栅传感系统主要的发展瓶颈存在于分布式的复用数量以及空间分辨率上。采用光分复用法来提高分布式光纤光栅传感系统的复用容量，消除阴影效应以及光栅之间的串扰拍频则为其重点以及难点。
发明内容
本发明就是针对上述技术问题，提供一种大容量弱光栅阵列加工设备及方法，该设备和方法能大大提高分布式传感系统的复用容量，使其在温度、应力、振动等参量的长距离传感中得到广泛应用。
为实现上述目的，本发明所设计的一种大容量弱光栅阵列加工设备，其特征在于，它包括中心控制系统、预加工原料装料装置、裸纤直径监测装置、光纤加工温度控制装置、FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)刻写平台、双重涂覆和固化单元和FBG缠绕装置，所述预加工原料装料装置的裸纤输出端对应裸纤直径监测装置的裸纤输入端，裸纤直径监测装置的裸纤输出端对应光纤加工温度控制装置的裸纤输入端，光纤加工温度控制装置的裸纤输出端连接双重涂覆和固化单元的裸纤输入端，双重涂覆和固化单元的光纤输出端连接FBG缠绕装置的光纤输入端，所述光纤加工温度控制装置具有光纤光栅刻写缝隙，所述FBG刻写平台的激光器刻写装置用于通过光纤加工温度控制装置的光纤光栅刻写缝隙进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作(弱布拉格反射光纤光栅为现有常规光纤光栅，其与一般的布拉格反射光纤光栅存在一定的差异，主要体现在其折射率的调制强度很小，光栅长度短，一般在1cm以内，并且它的3db反射带宽基本在200pm以内，峰值反射率很低，一般低于1％)；
所述中心控制系统的装料控制信号输出端连接预加工原料装料装置的控制信号输入端，裸纤直径监测装置的信号输出端连接中心控制系统的裸纤直径监测结果输入端，中心控制系统的温度控制信号输出端连接光纤加工温度控制装置的控制信号输入端，中心控制系统的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置的控制信号输入端，中心控制系统的FBG缠绕控制信号输出端连接FBG缠绕装置的控制信号输入端。
一种利用上述大容量弱光栅阵列加工设备进行光栅阵列加工的方法，它包括如下步骤：
步骤1：中心控制系统控制预加工原料装料装置用预制棒拉制裸纤，并结合裸纤直径监测装置的闭环控制使其裸纤拉制速度和裸纤丝径达到稳定状态；
步骤2：中心控制系统控制光纤加工温度控制装置对处于光纤加工温度控制装置内的裸纤的温度进行调控；同时，中心控制系统对激光器刻写装置的脉冲周期进行预设，使激光器刻写装置通过光纤加工温度控制装置的光纤光栅刻写缝隙在光纤光栅刻写目标间隔的90～110％范围对裸纤内进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作；
步骤3：所述双重涂覆和固化单元对步骤2刻写光栅后的裸纤进行涂覆、固化形成光栅光纤，并将光栅光纤进行装盘。
本发明的原理为：在光纤光栅在制作时，温度应力的变化会使光纤光栅的中心波长发生改变，脉冲强度得变化能使光纤光栅反射率发生改变，而光纤的拉制速度以及激光器脉冲频率的变化能使光栅的间距发生改变，通过控制这些关键参数来满足光纤光栅阵列在一定范围内间隔随机、中心波长随机，并且满足阵列中各个光栅的反射光功率相等。能将消除阴影效应以及光栅之间的串扰拍频，提高传感系统的复用容量。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明采用弱布拉格反射光纤光栅作为反射单元，可满足长距离的分布式检测，传感距离和复用容量将得到提高；
其二，理论分析方面，光纤光栅的多次反射是限制系统复用容量的主要因素之一，本发明采用的一定范围内间隔随机的弱布拉格反射光纤光栅阵列结构，通过间隔随机的复用方法，避免了多次反射带来的串扰，有效地提高传感系统中的复用容量。
其三，本发明采用中心波长在一定范围内随机变化的弱反射率光纤光栅构建传感阵列，通过反射光谱的随机分布，减小了光谱阴影效应带来的影响，有效地提高传感系统的复用容量。
其四，本发明采用等反射光功率的弱反射率光纤光栅构建传感阵列，通过控制反射率实现阵列中所有光栅反射光光功率得优化，以补偿光谱阴影效应带来的影响，提高后端光栅反射光谱的质量，有效地提高传感系统的复用容量。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为本发明中光纤加工温度控制装置的结构示意图；
图3为本发明中光纤光栅阵列的示意图，相邻FBG之间的间隔L1≠L2≠L3≠…≠Ln；反射光谱的中心波长λ1≠λ2≠λ3≠…≠λn；
图4为等间隔和一定范围内10种随机间隔弱布拉格反射光纤光栅的传感复用系统的系统复用数量对比图，其中横坐标为光纤光栅的反射率，纵坐标为复用度；
图5为光栅波长一致性对透射光谱影响，横坐标为波长值，纵坐标为中心波长光功率与入射光功率的比值；
图6为光栅阵列中光栅反射光光功率优化和光栅阵列中所有光栅反射光光功率不相等的弱布拉格反射光纤光栅的传感复用系统的中第1000个光谱反射谱图，其中横坐标为光纤光栅的中心波长，纵坐标为光功率；
图中：1—中心控制系统、2—预加工原料装料装置、3—裸纤直径监测装置、4—光纤加工温度控制装置、5—FBG刻写平台、6—激光器刻写装置、7—双重涂覆和固化单元、8—FBG缠绕装置、9—FBG在线刻写监视装置、10—光纤光栅刻写缝隙、11—散热装置、12—裸纤、13—光栅光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1和2所示的大容量弱光栅阵列加工设备，它包括中心控制系统1、预加工原料装料装置2、裸纤直径监测装置3、光纤加工温度控制装置4、FBG刻写平台5、双重涂覆和固化单元7和FBG缠绕装置8，所述预加工原料装料装置2的裸纤输出端对应裸纤直径监测装置3的裸纤输入端，裸纤直径监测装置3的裸纤输出端对应光纤加工温度控制装置4的裸纤输入端，光纤加工温度控制装置4的裸纤输出端连接双重涂覆和固化单元7的裸纤输入端，双重涂覆和固化单元7的光纤输出端连接FBG缠绕装置8的光纤输入端，所述光纤加工温度控制装置4具有光纤光栅刻写缝隙10，所述FBG刻写平台5的激光器刻写装置6用于通过光纤加工温度控制装置4的光纤光栅刻写缝隙10进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作；
所述中心控制系统1的装料控制信号输出端连接预加工原料装料装置2的控制信号输入端，裸纤直径监测装置3的信号输出端连接中心控制系统1的裸纤直径监测结果输入端，中心控制系统1的温度控制信号输出端连接光纤加工温度控制装置4的控制信号输入端，中心控制系统1的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置6的控制信号输入端，中心控制系统1的FBG缠绕控制信号输出端连接FBG缠绕装置8的控制信号输入端。
上述技术方案中，它还包括用于随时监视光纤光栅刻写过程的FBG在线刻写监视装置9。
上述技术方案中，所述光纤加工温度控制装置4为半导体材温度控制装置，该半导体材温度控制装置正向通电后，半导体材温度控制装置的外表面为冷面，半导体材温度控制装置的内表面为与裸纤12接触的热面，半导体材温度控制装置反向通电时，冷热面交换，实现温控。
上述技术方案中，所述光纤加工温度控制装置4的外表面加装散热装置11。进一步提高光纤加工温度控制装置4的控温性能。
一种利用上述大容量弱光栅阵列加工设备进行光栅阵列加工的方法，它包括如下步骤：
步骤1：中心控制系统1控制预加工原料装料装置2用预制棒拉制裸纤12(不含涂覆层)，并结合裸纤直径监测装置3的闭环控制使其裸纤拉制速度和裸纤丝径达到稳定状态；
步骤2：中心控制系统1控制光纤加工温度控制装置4对处于光纤加工温度控制装置4内的裸纤12的温度进行调控；同时，中心控制系统1对激光器刻写装置6的脉冲周期进行预设，使激光器刻写装置6通过光纤加工温度控制装置4的光纤光栅刻写缝隙10在光纤光栅刻写目标间隔的90～110％范围对裸纤12内进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作(如图3所述)；
步骤3：所述双重涂覆和固化单元7对步骤2刻写光栅后的裸纤12进行涂覆、固化形成光栅光纤13(涂覆和固化处理能对裸纤12进行保护)，并将光栅光纤13进行装盘。
步骤4：FBG在线刻写监视装置9随时监视光纤光栅刻写过程中的突发状况。
上述技术方案中，所述光纤加工温度控制装置4对光纤加工温度控制装置4内的裸纤12的温度在20～100℃范围内调整(温度在20到120℃的范围内波动使得光栅的反射谱中心波长可在1nm的变化范围内可控)。光栅写入位置时温度的变化能使光栅的反射谱中心波长在一定范围内随机排列。
上述技术方案的步骤2中，进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作时，中心控制系统1通过对激光器刻写装置6的控制(通过脉冲强度的控制，调整光栅反射率实现阵列中所有光栅反射光光功率的优化)，使刻写的弱布拉格反射光纤光栅阵列的反射光功率和光谱质量均到达光纤光栅刻写目标的要求。
上述技术方案的步骤2中，中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作的中心波长随机间隔范围在1nm以内。
上述技术方案中，所述中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列由等反射光功率的弱反射率光纤光栅构建。
上述技术方案的步骤2中，中心控制系统1通过对激光器刻写装置6的强度进行控制，可实现中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列中单个光栅的反射光功率相等，即等反射光功率，等反射光功率能保证反射光强一致，解决了后端反射强度弱的问题。
本发明提出通过刻意保持阵列中各个光栅的间隔的差异性，通过减少多重反射带来的影响，从而提高复用容量的设计。本实施例对上述方法进行了仿真，设定阵列中光纤光栅的随机间隔有十种随机间隔，各个FBG随机间隔在光纤光栅刻写目标间隔的90～110％范围内，仿真结果如图4所示。在反射率从1％到1‰的范围内，非等间距分布的光栅阵列的复用容量明显高于等间距分布的光栅阵列的复用容量。因此，在可知光纤光栅时，通过改变光纤的拉制速度，刻意控制光栅间的间隔在一定范围内随机，可有效地提高复用容量。
本发明提出通过刻意降低光栅中心波长一致性，通过扩大凹陷光谱宽度改善中心波长处凹陷程度，从而提高复用容量的设计。本实施例对上述方法进行了仿真，设定阵列中光纤光栅数量为2000，反射率为0.1％，FBG中心波长随机分布在2nm内，仿真结果如图5所示。同样是经过2000个反射率均为0.1％的光纤光栅，由于各光栅中心波长较分散，虽然光谱凹陷范围被展宽，但是凹陷程度却得到了改善，光纤末端传感FBG的反射光强得到很大提升。因此，在刻制光纤光栅时，通过改变光纤的温度，刻意降低光栅中心波长一致性，可有效地提高复用容量。
本发明提出通过刻意优化光栅反射功率一致性，降低光栅中心波长一致性，逐级增大光栅的反射率，扩大凹陷光谱宽度改善中心波长处凹陷程度，提高光谱质量的设计。本实施例对上述方法进行了仿真，设定阵列中光纤光栅数量为1000，反射率为0.1％～1.1％，逐渐增大，FBG中心波长随机分布在2nm内，和同样是经过1000个反射率均为0.1％的一致性为2nm的光栅阵列，第1000个光栅处的反射光谱如图6所示。反射率的增大提高了末端光栅的反射谱强度，改善了光谱质量，可有效地提高解调精度。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种大容量弱光栅阵列加工设备，其特征在于，它包括中心控制系统(1)、预加工原料装料装置(2)、裸纤直径监测装置(3)、光纤加工温度控制装置(4)、FBG刻写平台(5)、双重涂覆和固化单元(7)和FBG缠绕装置(8)，所述预加工原料装料装置(2)的裸纤输出端对应裸纤直径监测装置(3)的裸纤输入端，裸纤直径监测装置(3)的裸纤输出端对应光纤加工温度控制装置(4)的裸纤输入端，光纤加工温度控制装置(4)的裸纤输出端连接双重涂覆和固化单元(7)的裸纤输入端，双重涂覆和固化单元(7)的光纤输出端连接FBG缠绕装置(8)的光纤输入端，所述光纤加工温度控制装置(4)具有光纤光栅刻写缝隙(10)，所述FBG刻写平台(5)的激光器刻写装置(6)用于通过光纤加工温度控制装置(4)的光纤光栅刻写缝隙(10)进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作；
所述中心控制系统(1)的装料控制信号输出端连接预加工原料装料装置(2)的控制信号输入端，裸纤直径监测装置(3)的信号输出端连接中心控制系统(1)的裸纤直径监测结果输入端，中心控制系统(1)的温度控制信号输出端连接光纤加工温度控制装置(4)的控制信号输入端，中心控制系统(1)的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置(6)的控制信号输入端，中心控制系统(1)的FBG缠绕控制信号输出端连接FBG缠绕装置(8)的控制信号输入端；
它还包括用于随时监视光纤光栅刻写过程的FBG在线刻写监视装置(9)；
所述光纤加工温度控制装置(4)为半导体材温度控制装置，该半导体材温度控制装置正向通电后，半导体材温度控制装置的外表面为冷面，半导体材温度控制装置的内表面为与裸纤(12)接触的热面，半导体材温度控制装置反向通电时，冷热面交换，实现温控。
2.根据权利要求1所述的大容量弱光栅阵列加工设备，其特征在于：所述光纤加工温度控制装置(4)的外表面加装散热装置(11)。
3.一种利用权利要求1所述大容量弱光栅阵列加工设备进行光栅阵列加工的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：中心控制系统(1)控制预加工原料装料装置(2)用预制棒拉制裸纤(12)，并结合裸纤直径监测装置(3)的闭环控制使其裸纤拉制速度和裸纤丝径达到稳定状态；
步骤2：中心控制系统(1)控制光纤加工温度控制装置(4)对处于光纤加工温度控制装置(4)内的裸纤(12)的温度进行调控；同时，中心控制系统(1)对激光器刻写装置(6)的脉冲周期进行预设，使激光器刻写装置(6)通过光纤加工温度控制装置(4)的光纤光栅刻写缝隙(10)在光纤光栅刻写目标间隔的90～110％范围对裸纤(12)内进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作；
步骤3：所述双重涂覆和固化单元(7)对步骤2刻写光栅后的裸纤(12)进行涂覆、固化形成光栅光纤(13)，并将光栅光纤(13)进行装盘。
4.根据权利要求3所述的光栅阵列加工方法，其特征在于：所述步骤3后还包括步骤4：FBG在线刻写监视装置(9)随时监视光纤光栅刻写过程中的突发状况。
5.根据权利要求3所述的光栅阵列加工方法，其特征在于：所述光纤加工温度控制装置(4)对光纤加工温度控制装置(4)内的裸纤(12)的温度在20～100℃范围内调整。
6.根据权利要求3所述的光栅阵列加工方法，其特征在于：所述步骤2中，进行中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作时，中心控制系统(1)通过对激光器刻写装置(6)的控制，使刻写的弱布拉格反射光纤光栅阵列的反射光功率和光谱质量均到达光纤光栅刻写目标的要求；
所述步骤2中，中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列刻写操作的中心波长随机间隔范围在1nm以内可控。
7.根据权利要求3所述的光栅阵列加工方法，其特征在于：中心控制系统(1)通过对激光器刻写装置(6)的强度进行控制，可实现中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列中单个光栅的反射光功率相等。
8.根据权利要求3所述的光栅阵列加工方法，其特征在于：所述中心波长随机间距分布的弱布拉格反射光纤光栅阵列由等反射光功率的弱反射率光纤光栅构建。
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