CN106772739A - 一种弱光栅阵列制备方法与控制系统 - Google Patents

一种弱光栅阵列制备方法与控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弱光栅阵列制备控制系统，它包括：光电编码器，设置在拉丝塔中主动轮上用于测量光纤拉丝速度，光电编码器的线数N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径；计数器，光电编码器每发射一个脉冲则计数器示数加1，且当计数器的示数m满足NL/2πR‑1＜m≤NL/2πR时，计数器清零；L为光栅的间距；控制器，用于每当计数器清零时发出一个信号；准分子激光器，用于在接收到控制器的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。采用本发明控制系统及方法，得到的相邻弱光栅的间距不受拉丝速度影响，避免拉丝系统对光栅间距的累计误差限制，得到光栅间距高精度的弱光栅阵列，大大降低了传感阵列的解调难度。

Description

一种弱光栅阵列制备方法与控制系统
技术领域
本发明属于光纤振动传感器技术领域，具体涉及一种弱光栅阵列制备方法与控制系统。
背景技术
基于弱光栅阵列的光纤振动传感器有广泛的应用，如基于弱光栅的光纤周界安防系统、可用于海洋油气勘探与开发存储及军事安全上的水听器等都有非常重要的作用。光纤水听器相对于传统的压电水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单和易于复用等特点。随着光纤水听器技术的不断完善，其阵列正朝着大规模、多单元的方向发展。而传统干涉型结构的光纤水听器系统通常比较复杂，元器件数目较多，阵列规模的增加会影响系统的整体性能和可靠性，且不利于实际操作。武汉理工大学设计的基于弱光栅阵列的光纤传感系统通过相邻光栅之间的干涉，可实现了水听器阵列的全光纤化、细线径、远距离和高灵敏度的水声探测，大大简化了结构，减少了耦合器和熔接点数目。虽然利用相邻光栅的反射形成干涉，通过干涉条纹来实现环境的变化探测，可以实现水听器系统的全光纤化。但仍存在关键技术问题需要解决。其中振动或者水听器系统解调最重要的问题是相邻弱光栅之间的间隔精度，相邻光栅之间距离精度将大大影响光纤振动或水听器阵列的解调速度与探测能力。
发明专利CN200920187260.9和20151011446.0发明了一种在线制备光纤光栅系统，在线制备FBG阵列是指在光纤拉制的过程中，利用准分子激光器的输出单脉冲激光能量直接刻写低反射率的光纤光栅阵列技术，然后在进行二次涂覆，形成大容量低反射率的弱光栅传感阵列，这种制备技术生产效率高，因而成本大大降低，工艺灵活，涂层均匀，并且光栅阵列无焊点，光纤传输损耗低，抗机械拉力强度与光纤一样，工程施工方便，通常使用时分复用与波分复用技术进行对FBG波长解调，相对于普通的高反射率的波分复用系统，这种方法的复用容量大大增加了传感器的数量，形成大容量的光纤传感系统。武汉理工大学在动态连续制备光纤光栅阵列技术已经成熟，并发表在Chinese Optics Letters.2013,11(3):030602。该弱光栅阵列对于温度与应变传感有良好的性能，但是对于振动传感存在两个问题：其一是光栅的带宽不够，3dB带宽仅仅0.15nm，当全同弱光栅的中心波长存在一定的偏移时，相邻之间光栅的中心波长不同，从而不能产生干涉现象；第二个问题是光栅之间的距离间隔不是严格的等距离，其相邻光栅之间的间隔在1cm～10cm之间随机波动，这主要是因为刻写光栅时受拉丝工艺限制，拉丝速度不匀速，拉丝控制系统的响应时间限制，导致在刻写光栅时，准分子激光器的外触发脉冲的时间控制不精确造成；相邻光栅之间距离不精确导致使用匹配滤波器很难精确与每个光栅之间的光程匹配，从而造成系统解调速度慢，甚至解调失败。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种弱光栅阵列制备方法与控制系统，得到光栅间距高精度的弱光栅阵列。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种弱光栅阵列制备控制系统，其特征在于：它包括：
光电编码器，设置在拉丝塔中主动轮上用于测量光纤拉丝速度，光电编码器的线数N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径；
计数器，光电编码器每发射一个脉冲则计数器示数加1，且当计数器的示数m满足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR时，计数器清零；L为光栅的间距；
控制器，用于每当计数器清零时发出一个信号；
准分子激光器，用于在接收到控制器的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。
按上述系统，所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过光阑和均匀的相位掩膜版后刻写光栅，所述的光阑的窄缝的宽带与相位掩膜版的倾斜角度保证光栅的3dB带宽大于2nm。
按上述系统，所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过啁啾相位掩膜版后刻写光栅，所述的啁啾相位掩膜版的倾斜角度保证光栅的3dB带宽大于2nm。
利用所述的弱光栅阵列制备控制系统实现的弱光栅阵列制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、在拉丝塔中主动轮上设置线数为N的光电编码器测量光纤拉丝速度，N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径；
S2、光电编码器每发射一个脉冲则计数器示数加1，且当计数器的示数m满足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR时，计数器清零；L为光栅的间距；
S3、每当计数器清零时发出一个信号；
S4、准分子激光器在接收到控制器的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。
按上述方法，所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过光阑和均匀的相位掩膜版后刻写光栅，通过控制光阑的窄缝的宽带与均匀的相位掩膜版的倾斜角度来控制光栅的3dB带宽大于2nm。
按上述方法，所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过啁啾相位掩膜版后刻写光栅，或通过控制啁啾相位掩膜版的倾斜角度来控制光栅的3dB带宽。
按上述方法，通过准分子激光器的恒能量模式使整个拉丝过程中的能量保持固定，同时整个拉丝过程中光栅的拉丝速度、拉丝炉的温度和拉丝张力均保持稳定，光栅的反射率控制在-50dB～-40dB，光栅反射率的一致性<5dB。
本发明的有益效果为：采用本发明控制系统及方法，得到的相邻弱光栅的间距不受拉丝速度影响，避免拉丝系统对光栅间距的累计误差限制，实现全同弱光栅阵列的间距误差小于1mm，从而得到光栅间距高精度的弱光栅阵列，大大降低了传感阵列的解调难度，尤其适用于分布式振动传感领域。
附图说明
图1为本发明一实施例的系统原理图。
图2为本发明一实施例的光栅间距效果图。
图3为本发明一实施例的光栅反射率一致性效果图。
图中：1-光电编码器；2-计数器；3-控制器；4-准分子激光器。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种弱光栅阵列制备控制系统，如图1所示它包括：光电编码器1，设置在拉丝塔中主动轮上用于测量光纤拉丝速度，光电编码器1的线数N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径；计数器2，光电编码器1每发射一个脉冲则计数器2示数加1，且当计数器2的示数m满足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR时，计数器2清零；L为光栅的间距；控制器3，用于每当计数器2清零时发出一个信号；准分子激光器4，用于在接收到控制器3的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。本方案光栅间距的精度不受间距L的影响，也不受光纤总长度的影响，没有任何累计误差，光栅间距误差仅受限于光电编码器1的距离最小分辨率和准分子激光器4收到外部触发后，发出激光脉冲的时间。其脉冲间隔距离使用高速的示波器观察如图2所示，从而使得相邻光栅之间间距误差最小，以满足振动光栅阵列对相邻光栅之间间距误差的要求。本实施例中，整个控制系统全部使用DSP来控制，响应快速，准确。
拉丝塔通过石墨炉和光纤光敏预制棒在高温下拉丝出125μm的单模光敏光纤，准分子激光器4被外部触发，发出高能量的激光脉冲，激光脉冲通过聚焦镜后，在透射到一窄缝光阑，其光阑紧靠均匀的相位掩膜版，从而刻写单脉冲弱光栅，通过控制光阑的窄缝的宽带与均匀的相位掩膜版的倾斜角度来控制光栅的3dB带宽大于2nm，通过控制光纤的光敏性与准分子激光器4的激光脉冲能量来控制光栅的反射率。光阑和均匀的相位掩膜版也可以用啁啾相位掩膜版来替代。
利用所述的弱光栅阵列制备控制系统实现的弱光栅阵列制备方法，它包括以下步骤：
S1、在拉丝塔中主动轮上设置线数为N的光电编码器1测量光纤拉丝速度，N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径。
S2、光电编码器1每发射一个脉冲则计数器2示数加1，且当计数器2的示数m满足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR时，计数器2清零；L为光栅的间距。
S3、每当计数器2清零时发出一个信号。
S4、准分子激光器在接收到控制器的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。刻写宽带弱光栅方法具体为：在拉丝过程中，调整好光路，先通过均匀相位掩膜版动态刻写出窄带的弱光栅阵列，然后在相位掩膜版前加一窄缝光阑，并调整好相位掩膜版的角度，使相位掩膜版与光纤有一定的倾斜角度，从而可写出反射率为-48dB的宽带弱光栅阵列。也可以使用啁啾的相位掩膜版代替均匀相位掩膜版和窄缝光阑，是啁啾掩膜版与光纤平行，并且仅靠光纤，可以动态刻写3dB带宽大于2nm的弱光栅阵列。
通过控制准分子激光器4输出的能量稳定性和拉丝的稳定性来实现弱光栅反射率的一致性,精确控制宽带光栅的反射率一致性的具体方法：通过准分子激光器的恒能量模式使整个拉丝过程中的能量一直保持在一个固定的能量，能量波动小于1％，同时控制光栅的拉丝速度，拉丝炉的温度、拉丝张力等参数为一稳定的值。根据需要可控制光栅的反射率在-50dB～-40dB,反射率的一致性<5dB。其光栅反射强度的一致性通过高速示波器看到如图3所示。
本发明实施的在线制备大容量宽带弱光栅阵列，在光纤拉丝的过程中，使用单脉冲的准分子激光器4作为光源对光纤进行刻写，通过控制光阑的窄缝大小与均匀相位掩膜版或者使用啁啾相位掩膜版控制光栅的3dB宽带大于2nm，通过光电编码器1发射的脉冲数量来精确控制准分子激光器4刻写光栅的时间来控制光栅之间的间距，控制准分子激光器4的脉冲能量、光纤的拉丝速度和石墨炉温度等工艺参数来控制光栅反射率及反射率的一致性，得到整个光纤无焊点的振动传感用的传感阵列。
本发明的控制系统和方法制备的光栅的3dB带宽宽，从而避免环境影响导致相邻光栅中心波长波动，而不能产生干涉现象；光栅之间的间距精确，从而使得整个振动系统能够实现快速有效解调；光栅的反射率一致性良好，有利于解调系统功率的控制；整个传感阵列无任何焊点，避免常规方法中的光纤焊接导致端面反射对传感系统的影响；光纤的损耗低，可保证传感系统的大容量；制备过程全自动化，大大提高了制备的效率；光栅的抗机械强度与光纤一样，有利于工程施工。本发明也可以用于其它对光栅间距精度有要求的传感领域。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弱光栅阵列制备控制系统，其特征在于：它包括：
光电编码器，设置在拉丝塔中主动轮上用于测量光纤拉丝速度，光电编码器的线数N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径；
计数器，光电编码器每发射一个脉冲则计数器示数加1，且当计数器的示数m满足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR时，计数器清零；L为光栅的间距；
控制器，用于每当计数器清零时发出一个信号；
准分子激光器，用于在接收到控制器的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。
2.根据权利要求1所述的弱光栅阵列制备控制系统，其特征在于：所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过光阑和均匀的相位掩膜版后刻写光栅，所述的光阑的窄缝的宽带与相位掩膜版的倾斜角度保证光栅的3dB带宽大于2nm。
3.根据权利要求1所述的弱光栅阵列制备控制系统，其特征在于：所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过啁啾相位掩膜版后刻写光栅，所述的啁啾相位掩膜版的倾斜角度保证光栅的3dB带宽大于2nm。
4.利用权利要求1所述的弱光栅阵列制备控制系统实现的弱光栅阵列制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、在拉丝塔中主动轮上设置线数为N的光电编码器测量光纤拉丝速度， N满足2πR/N≤1mm，R为主动轮的半径；
S2、光电编码器每发射一个脉冲则计数器示数加1，且当计数器的示数m满足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR时，计数器清零；L为光栅的间距；
S3、每当计数器清零时发出一个信号；
S4、准分子激光器在接收到控制器的信号时，发射一个激光脉冲刻写一个光栅。
5.根据权利要求4所述的弱光栅阵列制备方法，其特征在于：所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过光阑和均匀的相位掩膜版后刻写光栅，通过控制光阑的窄缝的宽带与均匀的相位掩膜版的倾斜角度来控制光栅的3dB带宽大于2nm。
6.根据权利要求4所述的弱光栅阵列制备方法，其特征在于：所述的准分子激光器发射的激光脉冲经过啁啾相位掩膜版后刻写光栅，通过控制啁啾相位掩膜版的倾斜角度来控制光栅的3dB带宽大于2nm。
7.根据权利要求4所述的弱光栅阵列制备方法，其特征在于：通过准分子激光器的恒能量模式使整个拉丝过程中的能量保持固定，同时整个拉丝过程中光栅的拉丝速度、拉丝炉的温度和拉丝张力均保持稳定，光栅的反射率控制在-50dB到-40dB，光栅反射率的一致性<5dB。
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