CN108106533A - 实现分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，包括长啁啾光纤光栅、解调仪、50:50耦合器和ASE宽带光源，其中，对所述长啁啾光纤光栅分别间隔一定距离进行标定并在标定处进行加载，载荷作用在长啁啾光纤光栅的不同距离的位置信息被调制到宽带反射谱中，由50:50耦合器进入解调仪中进行解调。在位置测量方面，相比于传统光纤分布式测量技术，本发明使用的长啁啾光纤光栅具有空间分辨率高，解调系统成本低优势。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及长啁啾光纤光栅分布式位置识别的传感器系统。
背景技术
位置传感器是用来检测物体位置的传感器，广泛的应用在控制、运动监测领域。传统的位置传感器可以根据检测的方式可以简单分为非接触式和接触式传感器。例如行程开关就是典型的接触式位置传感器，物体接触到行程开关，触头动作，从而完成控制。常见的位置传感器均为电学传感器，重量大、难复用、易受电磁干扰，复合材料兼容性差，难以适用于航空位置测量、光传飞控等特殊场合。
自1978年加拿大K.O.Hill等发明了光纤光栅以来，光纤光栅的种类、制作、封装、应用都得到了飞速发展。其中以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器为代表。因其具有灵敏度高、不受电磁干扰、防水性能好、体积小、重量轻、可靠性高、可埋入复合材料等优点，迅速成为优良传感器元件。已经被广泛应用于多个领域。但因其本身结构所限，具有难以实现分布式连续测量，测量范围小问题。限制了其进一步发展。与周期均匀栅距的FBG不同，啁啾光纤光栅(Chirped Fiber Bragg Gratings，CFBG)具有周期不均匀的栅区间隔，在继承了FBG优点的同时，还具有反射带宽大，能够实现分布式测量等FBG不具有的特点。近年来成为新的研究热点。2014年，南秋明等通过引入参考光栅在利用啁啾光纤光栅测量中，实现了高线性度的应变和温度传感器；2016年，刘智超等基于啁啾光栅完成了粮仓测温网络的研究，实现了大容量温度测量组网；同年，Eamonn等实现了应变分辨率9.1με的全分布式啁啾光纤光栅应变测量；
Tomasz等使用定制锥形啁啾光纤光栅获得了宽范围的单调应变响应。
发明内容
本发明提供一种具有空间分辨率高，解调系统成本低的能够实现分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统。
本发明的技术方案：一种实现分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，包括长啁啾光纤光栅、解调仪、50:50耦合器和ASE宽带光源，其特征在于，对所述长啁啾光纤光栅分别间隔一定距离进行标定并在标定处进行加载，载荷作用在长啁啾光纤光栅的不同距离的位置信息被调制到宽带反射谱中，由50:50耦合器进入解调仪中进行解调。
优选的，所述ASE宽带光源为C+L波段宽带光源，用于发射不同波长的光线，不同波长的光进入啁啾光纤光栅后在不同的位置满足布拉格条件而被反射，形成宽带反射谱。
优选的，所述解调仪采用线阵InGaAs图像传感器，用于测量光谱变化，所述图像传感器在1520～1595nm波长范围内有512像素，波长间隔在为0.146nm～0.150nm范围内。
优选的，所述长啁啾光纤光栅的长度在30cm～50cm范围内，其中所述的长啁啾光纤光栅的长度在30cm上具有9nm的啁啾量。
优选的，所述长啁啾光纤光栅波长与位置的关系如公式所示：
L＝36λ-56654.97
其中，λ表示波长，L表示位置长度。
本发明的有益效果：本发明分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，通过对长啁啾光纤光栅不同位置进行加载，通过测定波长与位置之间的关系，实现分布式位置的测量，在位置测量方面，相比于传统光纤分布式测量技术，本发明使用的长啁啾光纤光栅具有空间分辨率高，解调系统成本低优势。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明长啁啾光纤光栅分布式位置识别传感系统原理图；
图2a～图2b示意性示出本发明长啁啾光纤光栅加载前后光谱对比图；
图3示意性示出本发明第一实施例的长啁啾光纤光栅特征光谱波长移动趋势图；
图4示意性示出本发明第一实施例的长啁啾光纤光栅特征光谱波长与位置的关系示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明实现分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，由于啁啾光纤光栅空间位置与光谱位置一一对应，因此在空间位置上对啁啾光纤光栅加载也会在光谱对应位置发生光谱变化。根据这一特性，本发明将啁啾光纤光栅制作成位置传感器。使用solidworks三维软件对光纤受载荷进行有限元分析，当啁啾光栅某段受到载荷时，加载部分应变量最大，两边逐渐减小。
假设啁啾光纤光栅长度为L，分成M个均匀周期的光栅，经过第i个光栅的前向传输光的模场振幅为Ri，后向传输光的模场振幅是Si，则矩阵可表示为：
则总的矩阵可表示为：
对于其中的每个子布拉格光栅其传输矩阵Fi表示为：
其中k，分别表示此处光栅的耦合系数，Δz为第i个光栅的长度。
受到载荷点及周边区域光栅间距会被拉伸，由Δz变为Δz’，此时反射谱会发生变化，图2a～图2b所示为本发明长啁啾光纤光栅加载前后光谱对比图，图2a为长啁啾光纤光栅加载前光谱图，图2b为长啁啾光纤光栅加载后光谱图。由以上原理可知光谱最低点即载荷位置。
图1所示为本发明长啁啾光纤光栅分布式位置识别传感系统的结构示意图，如图1所示，分布式位置识别传感系统包括线性啁啾光纤光栅104、光纤光栅解调仪103、50:50耦合器102和ASE宽带光源101。
其中，ASE宽带光源101为C+L波段宽带光源，宽带光源101的光通过50:50耦合器102入射到长啁啾光纤光栅104中。宽带光源101不同波长的光进入啁啾光纤光栅104后在不同的位置满足布拉格条件而被反射，最终形成宽带反射谱。此时载荷作用在长啁啾光纤光栅的不同位置的位置信息就被调制到宽带反射谱中，由耦合器102进入解调仪103中进行解调。
本实验中的解调仪103采用线阵InGaAs图像传感器，测量光谱变化，所述图像传感器在1520～1595nm波长范围内有512像素(pixel)，波长间隔约为0.146nm。线性啁啾光纤光栅104在30cm的长度上具有9nm的啁啾量。
实施例1
本实施例使用高精度光谱仪与游标卡尺对长啁啾光纤光栅位置传感器进行标定。
在实验测试过程中，保证ASE光源光功率稳定。采用游标卡尺和加载装置对长啁啾光纤光栅从一端起进行间隔为5mm的加载。其中需要注意加载装置与啁啾光纤光栅接触面应尽可能小，使光纤受压位置为近似点接触，以保证特征光谱形状不会发生改变。直至光谱特征漂移超过有效反射谱宽度，此时为285mm。
图3所示为标定过程中在50mm、100mm、150mm、200mm和250mm处光谱特征变化趋势，从图3中可以看出，在长啁啾光纤光栅加载的位置，50mm、100mm、150mm、200mm和250mm处光谱最低。
图4所示为本发明实施例长啁啾光纤光栅特征光谱波长与位置的关系示意图。从图4可以看出，当光源输出稳定时，特征光谱波长与位置变化为线性关系，验证了啁啾光纤光栅传感原理及分析的结果。
实验结果使用线性拟合，其中拟合系数为大于99.98％，线性方程为如公式(4)所示：
L＝36λ-56654.97(4)
其中，λ表示波长，L表示位置长度。
该实验表明当光源输出稳定时，特征光谱波长与位置变化为线性关系，验证了啁啾光纤光栅传感原理及分析的结果。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (5)
1.一种实现分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，包括长啁啾光纤光栅、解调仪、50:50耦合器和ASE宽带光源，其特征在于，对所述长啁啾光纤光栅分别间隔一定距离进行标定并在标定处进行加载，载荷作用在长啁啾光纤光栅的不同距离的位置信息被调制到宽带反射谱中，由50:50耦合器进入解调仪中进行解调。
2.根据权利要求1所述的分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，其特征在于，所述ASE宽带光源为C+L波段宽带光源，用于发射不同波长的光线，不同波长的光进入啁啾光纤光栅后在不同的位置满足布拉格条件而被反射，形成宽带反射谱。
3.根据权利要求1所述的分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，其特征在于，所述解调仪采用线阵InGaAs图像传感器，用于测量光谱变化，所述图像传感器在1520～1595nm波长范围内有512像素，波长间隔在为0.146nm～0.150nm范围内。
4.根据权利要求1所述的分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，其特征在于，所述长啁啾光纤光栅的长度在30cm～50cm范围内，其中所述的长啁啾光纤光栅的长度在30cm上具有9nm的啁啾量。
5.根据权利要求1所述的分布式位置识别的长啁啾光纤光栅传感系统，其特征在于，所述长啁啾光纤光栅波长与位置的关系如公式所示：
L＝36λ-56654.97
其中，λ表示波长，L表示位置长度。
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|---|---|
| CN (1) | CN108106533A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108917804A (zh) * | 2018-09-03 | 2018-11-30 | 哈尔滨工业大学 | 基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置 |
| CN109932111A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-06-25 | 天津大学 | 光纤分布式空间三维力触觉感知方法 |
| CN109932113A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-06-25 | 天津大学 | 力触觉超高空间分辨率的啁啾光纤测量系统 |
| CN109932112A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-06-25 | 天津大学 | 基于光纤分布式传感的二维面阵列力触觉感知方法 |
| CN112729122A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-04-30 | 北京信息科技大学 | 一种基于飞秒激光直写倾斜啁啾光纤光栅传感器测试方法 |
| CN112964181A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-06-15 | 中南大学 | 一种光纤布拉格光栅位置检测装置及其测量方法 |
| CN117109646A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-24 | 杭州奕力科技有限公司 | 一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1737676A (zh) * | 2005-08-26 | 2006-02-22 | 天津大学 | 光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法 |
| JP2007114072A (ja) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Miyazaki Tlo:Kk | Ｆｂｇを用いた歪み計測システム |
| CN101532850A (zh) * | 2009-04-20 | 2009-09-16 | 浙江大学 | 一种布拉格光纤光栅传感解调的方法和装置 |
| CN101769762A (zh) * | 2010-01-29 | 2010-07-07 | 武汉理工大学 | 一种光纤啁啾光栅传感解调系统 |
| CN102589617A (zh) * | 2012-02-13 | 2012-07-18 | 东华大学 | 一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统 |
-
2017
- 2017-12-21 CN CN201711389524.4A patent/CN108106533A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1737676A (zh) * | 2005-08-26 | 2006-02-22 | 天津大学 | 光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法 |
| CN100388115C (zh) * | 2005-08-26 | 2008-05-14 | 天津大学 | 光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法 |
| JP2007114072A (ja) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Miyazaki Tlo:Kk | Ｆｂｇを用いた歪み計測システム |
| CN101532850A (zh) * | 2009-04-20 | 2009-09-16 | 浙江大学 | 一种布拉格光纤光栅传感解调的方法和装置 |
| CN101769762A (zh) * | 2010-01-29 | 2010-07-07 | 武汉理工大学 | 一种光纤啁啾光栅传感解调系统 |
| CN102589617A (zh) * | 2012-02-13 | 2012-07-18 | 东华大学 | 一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈恺等: "长啁啾光纤光栅传感特性分析及分布式位置识别研究", 《工具技术》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108917804A (zh) * | 2018-09-03 | 2018-11-30 | 哈尔滨工业大学 | 基于啁啾链的快速长距离分布式布里渊光纤传感装置 |
| CN109932111A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-06-25 | 天津大学 | 光纤分布式空间三维力触觉感知方法 |
| CN109932113A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-06-25 | 天津大学 | 力触觉超高空间分辨率的啁啾光纤测量系统 |
| CN109932112A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-06-25 | 天津大学 | 基于光纤分布式传感的二维面阵列力触觉感知方法 |
| CN109932113B (zh) * | 2019-02-20 | 2021-07-06 | 天津大学 | 力触觉超高空间分辨率的啁啾光纤光栅测量系统 |
| CN112729122A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-04-30 | 北京信息科技大学 | 一种基于飞秒激光直写倾斜啁啾光纤光栅传感器测试方法 |
| CN112964181A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-06-15 | 中南大学 | 一种光纤布拉格光栅位置检测装置及其测量方法 |
| CN117109646A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-24 | 杭州奕力科技有限公司 | 一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法 |
| CN117109646B (zh) * | 2023-10-25 | 2024-02-23 | 杭州奕力科技有限公司 | 一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法 |
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