CN107063317B - 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 (4)
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;其中,计算光纤Bragg光栅中心波长的公式为:
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;
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:
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。
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S4中计算曲率值的公式为:
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。
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,所述余弦型宽带光源的消光比大于10dB。
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