CN107063317A - 一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源将光纤Bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，利用推导出的光纤Bragg光栅反射功率与中心波长的关系表达式，通过测量光纤Bragg光栅的反射功率计算出对应的中心波长，实现对光纤Bragg光栅中心波长的解调。多芯光纤Bragg光栅曲率传感器包含两个光纤Bragg光栅，分别位于两个相对于多芯光纤横截面中心对称的纤芯中，利用所提出的FBG中心波长解调方法获得两个光纤Bragg光栅中心波长的变化量，进而得到对应的曲率值。该曲率传感器解调技术具有灵敏度高、实现方式简单和成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于曲率传感器解调技术领域，具体涉及一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法。
背景技术
曲率是描述物体形状的一个重要参数，通过对曲率的测量可以了解物体形状的变化趋势。曲率传感器在结构体健康监测、表面形状测量等方面具有广泛的应用前景。
基于光纤光栅的曲率传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强和准分布式测量等优点，特别适合大型结构体、恶劣环境下的曲率测量(M.J.Gander,“Bendmeasurement using Bragg gratings in multi-core fiber,”Electronics Letters 36(2),120～121,2000.)。近年来，为进一步改善光纤光栅型曲率传感器的性能，基于多芯光纤光栅的曲率传感器引起了科研人员的广泛关注。如图1所示，现有多芯光纤光栅曲率传感器的结构包括宽带光源、光耦合器1、第一环形器2、第二环行器5、多芯光纤4及光谱仪，多芯光纤4的两个中心对称的纤芯中对应刻有第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅；宽带光源与光耦合器1输入端相连；第一环形器2的a端与光耦合器1的第一输出端相连，b端通过多芯光纤4连接器与刻有第一Bragg光栅的纤芯相连，c端与光谱仪相连；第二环形器的a端与光耦合器1的第二输出端相连，b端通过多芯光纤4连接器与刻有第二Bragg光栅的纤芯相连，c端与光谱仪相连。该多芯光纤光栅曲率传感器在工作时，宽带光源首先由3dB光耦合器1分为两路信号，两路信号光分别经第一环形器2和第二环形器的a端进入第一环形器2和第二环形器，然后分别经第一环形器2和第二环形器的b端进入多芯光纤4连接器，分别被多芯光纤4中的两个Bragg光栅反射，反射信号再次通过多芯光纤4连接器后由第一环形器2和第二环形器的c端分别输出，通过光谱分析仪测量光纤光栅的反射波长变化量，进而得到光纤光栅处的曲率值，即传感器的性能很大程度上是由光谱分析仪的性能(即频谱分辨率)所决定的，而光谱分析仪昂贵的价格直接导致解调成本增高，并且采用光谱分析仪的解调方式复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解调方式简单、解调成本低的解调方法。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源将光纤Bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，通过测量光纤Bragg光栅的反射功率值实现对其中心波长的解调，具体包括以下步骤：
S1、所述余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，利用测得的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的反射功率，由于光纤Bragg光栅的反射功率值随其中心波长的不同呈现余弦变化，可以分别得到弯曲时第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的中心波长。
S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；
S3、根据所述第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第一纤芯轴向应力，根据所述第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第二纤芯轴向应力；
S4、根据所述第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两纤芯间距计算得到曲率值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用余弦型宽带光源，将光纤Bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，利用推导出的光纤Bragg光栅反射功率与中心波长的关系表达式，通过测量光纤Bragg光栅的反射功率计算出对应的中心波长，通过中心波长漂移量计算获得曲率值，实现对曲率传感器的解调，无需使用昂贵的光谱分析仪，使得解调方式大大简化，有效降低解调成本；
(2)本解调方式扩展性强，通过对多对光纤Bragg光栅解调，可以实现基于多芯光纤Bragg光栅的二维曲率传感和形状传感。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明传感器的结构示意图；
图2为本发明解调方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源替换图1中的宽带光源，采用光功率计、光电探测器等能检测到反射功率的仪器替换光谱仪，实现对光纤Bragg光栅中心波长的解调，如图2所示，包括以下步骤：
S1、余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，根据余弦型宽带光源输出光谱S(λ)、第一光纤Bragg光栅的反射谱F1(λ)及光功率计测得的第一反射功率值P1计算得出弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长λ1，根据余弦型宽带光源输出光谱S(λ)、第二光纤Bragg光栅的反射谱F2(λ)及光功率计测得的第二反射功率值P2计算得出弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长λ2；
计算第一光纤Bragg光栅中心波长λ1和第二光纤Bragg光栅中心波长λ2的公式为：
其中，P为光功率计测得的反射功率值，S0为已知的频谱峰值功率，λI为已知的宽带光源的中心波长，ΔλI为已知的宽带光源的频谱周期；R为已知的峰值反射率，Δλ为已知的光纤Bragg光栅的反射谱的半极大全宽度，λ0为光纤Bragg光栅的反射谱中心波长，即为待计算值。
化简上述公式得到根据上述已知值，可以计算出弯曲时光纤Bragg光栅的反射谱中心波长。
S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长λ1和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长λB相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB1；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长λ2和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长λB相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB2；
S3、根据第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB1计算得到第一纤芯轴向应力εFBG1，根据第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB2计算得到第二纤芯轴向应力εFBG2；
第一纤芯轴向应力εFBG1和第二纤芯轴向应力εFBG2的计算公式为：
其中，ε为弯曲所引入的纤芯轴向应力，ΔλB为光纤Bragg光栅中心波长漂移量，λB为无弯曲时光纤Bragg光栅的中心波长，Pε为弹光系数。
S4、根据第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两个刻有Bragg光栅的纤芯的距离计算得到曲率值；
曲率值C的计算公式为：
其中，d为两个刻有Bragg光栅的纤芯距离。
该余弦型宽带光源的消光比大于10dB，大消光比可以提高传感器的灵敏度。
以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。
Claims (5)
1.一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，采用余弦型宽带光源进行解调，包括以下步骤：
S1、所述余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，利用测得的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的反射功率，分别得到弯曲时第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的中心波长。
S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；
S3、根据所述第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第一纤芯轴向应力，根据所述第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第二纤芯轴向应力；
S4、根据所述第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两纤芯间距计算得到曲率值。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，所述步骤S1中计算光纤Bragg光栅中心波长的公式为：
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<mi>P</mi>
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&lambda;</mi>
</mrow>
其中，P为光功率计测得的反射功率值，S(λ)为余弦型宽带光源的输出光谱，S0为频谱峰值功率，λI为宽带光源的中心波长，ΔλI为宽带光源的频谱周期；F(λ)为光纤Bragg光栅的反射谱，R为峰值反射率，Δλ为反射谱的半极大全宽度,λ0为光纤Bragg光栅的反射谱中心波长，即为待计算值。
3.根据权利要求1所述的多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，所述步骤S3中计算第一纤芯轴向应力和第二纤芯轴向应力的公式为：
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
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</mrow>
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<mi>P</mi>
<mi>&epsiv;</mi>
</msub>
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</mrow>
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<mo>;</mo>
</mrow>
其中，ε为弯曲所引入的纤芯轴向应力，ΔλB为光纤Bragg光栅中心波长漂移量，λB为无弯曲时光纤Bragg光栅的中心波长，Pε为弹光系数。
4.根据权利要求1所述的多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，所述步骤S4中计算曲率值的公式为：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mrow>
<mi>F</mi>
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</mrow>
</msub>
</mrow>
<mi>d</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，C为曲率值，εFBG1为第一纤芯轴向应力，εFBG2为第二纤芯轴向应力，d为两个刻有Bragg光栅的纤芯距离。
5.根据权利要求1所述的多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，所述余弦型宽带光源的消光比大于10dB。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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