CN108387251B - 一种光纤光栅解调仪器及方法 - Google Patents
一种光纤光栅解调仪器及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108387251B CN108387251B CN201810057110.XA CN201810057110A CN108387251B CN 108387251 B CN108387251 B CN 108387251B CN 201810057110 A CN201810057110 A CN 201810057110A CN 108387251 B CN108387251 B CN 108387251B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber grating
- glass sheet
- thin glass
- fiber
- demodulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35322—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using interferometer with one loop with several directions of circulation of the light, e.g. Sagnac interferometer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
本发明提供了一种光纤光栅解调仪器及方法，属于光纤传感技术领域。该仪器包括宽谱光源、环形器、光纤、光纤光栅传感器、薄玻璃片、图像传感器、控制与信号处理电路和触摸屏。薄玻璃片将光纤光栅的中心波长变化转换为双光束干涉条纹的空间相位变化，通过高精度相位解调法计算出干涉条纹的空间相位，再根据光纤光栅中心波长的倒数与空间相位的线性关系，解调出光纤光栅的中心波长。本发明采用低成本的薄玻璃片和图像传感器代替传统波长解调法中普遍采用的光栅光谱仪，极大地降低了光纤光栅解调仪器的成本，为低成本光纤温度/应变传感提供了一种极具竞争力的技术方案。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤光栅解调仪器及方法，具体涉及一种基于低细度光学干涉仪的光纤光栅解调仪器及方法。
背景技术
光纤光栅传感器可对温度或者应变进行测量，具有体积小、灵敏度高、本质安全、抗电磁干扰、准分布测量、可批量生产和便于组网等优势，已在火灾监测、结构健康监测和石化安全监测等领域得到了广泛应用。
光纤光栅的折射率空间分布周期随外部因素(如温度、应变等)发生变化，引起反射光的中心波长发生移动，因此对光纤光栅的解调主要采用波长解调法。目前主要的光纤光栅传感器解调方法有：非平衡马赫曾德干涉解调法、光谱分析仪解调法、可调谐滤波器解调法和扫描激光解调法。非平衡马赫曾德干涉解调法是利用臂长不同的马赫曾德干涉仪将光纤光栅传感器反射光的波长变化转化为参考臂输出光和测量臂输出光之间的相位差变化，通过测量相位差即可确定光纤光栅的波长漂移量。这种解调方法具有较高的灵敏度和分辨率，但干涉仪本身容易受到外界温度和震动等因素干扰，产生较大误差。光谱分析仪解调法、可调谐滤波器解调法和扫描激光解调法的实质都是通过色散分光或者波长扫描的方式获得光栅反射光的光谱，通过寻峰算法计算出峰值对应波长，再根据标定的线性方程解调出温度或者应变量。这些基于光谱测量的波长解调法具有解调精度高、不受光源功率和光路损耗变化影响、可实现准分布复用测量等优势，是目前光纤光栅传感器在工程应用中的主流解调技术。但这些基于光谱测量的波长解调法需要采用昂贵的波长扫描器件或者光纤光谱仪，无法在一些对成本敏感的温度/应变检测领域中得到应用。因而，设计一种结构简单、成本较低的光纤光栅解调仪器对于拓宽光纤光栅的应用范围具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光纤光栅解调仪器及方法，旨在简化光纤光栅解调仪器的结构，进一步降低解调仪器的成本，为光纤光栅拓展更大的应用空间。
本发明的原理如下：宽谱光被光纤光栅反射，经光纤斜入射到基于薄玻璃片的低细度光学干涉仪后，产生近似双光束干涉条纹，在图像传感器表面形成线性变化的光程差分布，通过高精度相位解调法计算出干涉条纹的空间相位，再根据光纤光栅中心波长的倒数与空间相位的线性关系，解调出光纤光栅的中心波长。
本发明的技术方案：
一种光纤光栅解调仪器，包括宽谱光源1、环形器2、光纤3、光纤光栅传感器4、薄玻璃片5、图像传感器6、控制与信号处理电路7和触摸屏8；宽谱光源1发射的宽谱光经环形器2入射到光纤3中的光纤光栅传感器4；光纤光栅传感器4的反射光经环形器2后入射到薄玻璃片5，从薄玻璃片5表面反射的空间发散光被图像传感器6接收；触摸屏8将解调参数发送给控制与信号处理电路7；控制与信号处理电路7采集图像传感器6的图像，处理后在触摸屏8上显示。
一种光纤光栅解调方法，光纤光栅反射光经基于薄玻璃片的低细度光学干涉仪后，产生近似双光束干涉图像，通过空间相位解调法解调出光纤光栅的中心波长；具体步骤如下：
首先宽谱光源1发射的宽谱光经环形器2入射到光纤3中的光纤光栅传感器4；光纤光栅传感器4的反射光经过环形器2后入射到薄玻璃片5，入射到薄玻璃片5上的空间发散光在薄玻璃片5的上表面和下表面分别发生反射；薄玻璃片5上表面和下表面的反射光在图像传感器6表面具有不同的光程差，产生近似双光束干涉条纹；触摸屏8将解调参数发送给控制与信号处理电路7；控制与信号处理电路7采集图像传感器6的图像，经过滤波、去包络数字信号预处理后，最后通过相位解调法解调出光纤光栅传感器的中心波长并在触摸屏8上显示测量结果。
所述的光纤光栅传感器4的谱宽小于1nm。
所述的宽谱光源1的谱宽大于光纤光栅传感器4的谱宽的10倍。
所述的薄玻璃片5的厚度小于200μm。
所述的薄玻璃片5的上表面和下表面的反射率小于10％。
所述的相位解调法是基于快速傅里叶变换或者互相关原理的计算方法，是一种高精度空间相位计算方法。
本发明的有益效果：薄玻璃片将光纤光栅的中心波长变化转换为双光束干涉条纹的空间相位变化。采用低成本的薄玻璃片和图像传感器代替传统波长解调法中普遍采用的光栅光谱仪，极大地降低了光纤光栅解调仪器的成本。本发明为低成本光纤温度/应变传感提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明的仪器结构示意图。
图2是模拟的干涉图像。
图3是干涉图像空间频率与光纤光栅中心波长的关系示意图。
图中：1宽谱光源；2环形器；3光纤；4光纤光栅传感器；
5薄玻璃片；6图像传感器；7控制与信号处理电路；8触摸屏；
9中心波长为850nm光纤光栅的干涉图像；
10中心波长为852nm光纤光栅的干涉图像。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明的仪器结构示意图如图1所示，包括宽谱光源1、环形器2、光纤3、光纤光栅传感器4、薄玻璃片5、图像传感器6、控制与信号处理电路7和触摸屏8。
宽谱光源1发射的宽谱光经环形器2入射到光纤3中的光纤光栅传感器4；光纤光栅传感器4的反射光经过环形器2后入射到薄玻璃片5，入射到薄玻璃片5上的空间发散光在薄玻璃片5的上表面和下表面分别发生反射；薄玻璃片5上表面和下表面的反射光在图像传感器6表面具有不同的光程差，产生近似双光束干涉条纹；触摸屏8将解调参数发送给控制与信号处理电路7；控制与信号处理电路7采集图像传感器6的图像，经过信号处理解调出光纤光栅传感器的中心波长并在触摸屏8上显示测量结果。
其中，宽谱光源1是中心波长为850nm的LED。光纤光栅传感器4是中心波长约为850nm的高反射率光纤光栅。
薄玻璃片5是厚度为50μm的玻璃片。图像传感器6是线阵CCD，与薄玻璃片5的夹角为45度，且与薄玻璃片5的中心的间距为100mm。
图2是模拟的干涉图像。线阵CCD表面的干涉条纹表示为：
其中，λ0是光纤光栅传感器4的中心波长，λ为光纤光栅反射光谱的波长，B0为光纤光栅反射光谱的谱宽，OPD(j)为图像传感器6上第j个像素位置处两束干涉光的光程差，w0为光纤的模场半径。z0为光纤出射端到图像传感器6中心的光程，zj为光纤出射端到到图像传感器6上第j点的光程。
图2中，中心波长为850nm光纤光栅的干涉图像9和中心波长为852nm光纤光栅的干涉图像10的空间相位存在明显的差异。
图3是干涉图像空间频率与光纤光栅中心波长的关系。根据式(1)模拟出的不同中心波长光纤光栅的干涉图像，根据高精度相位解调法可计算出不同光纤光栅中心波长下的干涉图像空间频率。干涉图像空间频率与光纤光栅中心波长的倒数具有线性关系。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光纤光栅解调仪器，其特征在于，所述的光纤光栅解调仪器包括宽谱光源(1)、环形器(2)、光纤(3)、光纤光栅传感器(4)、薄玻璃片(5)、图像传感器(6)、控制与信号处理电路(7)和触摸屏(8)；宽谱光源(1)发射的宽谱光经环形器(2)入射到光纤(3)中的光纤光栅传感器(4)；光纤光栅传感器(4)的反射光经环形器(2)后入射到薄玻璃片(5)，从薄玻璃片(5)上表面和下表面反射的空间发散光被图像传感器(6)接收；触摸屏(8)将解调参数发送给控制与信号处理电路(7)；控制与信号处理电路(7)采集图像传感器(6)的图像，处理后在触摸屏(8)上显示。
2.一种光纤光栅解调方法，其特征在于，光纤光栅反射光经基于薄玻璃片的低细度光学干涉仪后，产生近似双光束干涉图像，通过空间相位解调法解调出光纤光栅的中心波长；具体步骤如下：
首先宽谱光源(1)发射的宽谱光经环形器(2)入射到光纤(3)中的光纤光栅传感器(4)；光纤光栅传感器(4)的反射光经过环形器(2)后入射到薄玻璃片(5)，入射到薄玻璃片(5)上的空间发散光在薄玻璃片(5)的上表面和下表面分别发生反射；薄玻璃片(5)上表面和下表面的反射光在图像传感器(6)表面具有不同的光程差，产生近似双光束干涉条纹；触摸屏(8)将解调参数发送给控制与信号处理电路(7)；控制与信号处理电路(7)采集图像传感器(6)的图像，经过滤波、去包络数字信号预处理后，最后通过相位解调法解调出光纤光栅传感器的中心波长并在触摸屏(8)上显示测量结果。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的光纤光栅传感器(4)的谱宽小于1nm。
4.根据权利要求2或3所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的宽谱光源(1)的谱宽大于光纤光栅传感器(4)的谱宽的10倍。
5.根据权利要求2或3所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的薄玻璃片(5)的厚度小于200μm。
6.根据权利要求4所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的薄玻璃片(5)的厚度小于200μm。
7.根据权利要求2、3或6所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的薄玻璃片(5)的上表面和下表面的反射率小于10％。
8.根据权利要求4所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的薄玻璃片(5)的上表面和下表面的反射率小于10％。
9.根据权利要求5所述的一种光纤光栅解调方法，其特征在于，所述的薄玻璃片(5)的上表面和下表面的反射率小于10％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810057110.XA CN108387251B (zh) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 一种光纤光栅解调仪器及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810057110.XA CN108387251B (zh) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 一种光纤光栅解调仪器及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108387251A CN108387251A (zh) | 2018-08-10 |
| CN108387251B true CN108387251B (zh) | 2020-07-14 |
Family
ID=63077098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810057110.XA Expired - Fee Related CN108387251B (zh) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 一种光纤光栅解调仪器及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108387251B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110502159B (zh) * | 2019-08-19 | 2024-04-30 | 汕头大学 | 基于图像处理技术的多光纤触摸式传感装置及控制方法 |
| CN110780171A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-11 | 合肥工业大学 | 一种基于光纤光栅的gis盆式绝缘子的在线状态检测系统 |
| CN110823809A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-02-21 | 大连理工大学 | 一种抗电磁干扰的油中溶解气体原位测量系统及方法 |
| CN114062275B (zh) * | 2021-11-18 | 2024-04-30 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器及方法 |
| CN117686008B (zh) * | 2024-02-01 | 2024-04-26 | 广东海洋大学 | 一种基于图像处理的光纤布拉格光栅信号解调系统与方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0793079B1 (en) * | 1996-02-29 | 2003-06-11 | The Boeing Company | Fiber coupled interferometric displacement sensor |
| US7005630B2 (en) * | 2004-02-09 | 2006-02-28 | National Taiwan University | Energy-modulating fiber grating sensor |
| CN105910633B (zh) * | 2009-05-27 | 2019-10-29 | 希里克萨有限公司 | 光学传感器及使用方法 |
| CN201589623U (zh) * | 2009-12-31 | 2010-09-22 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 光纤光栅传感器解调装置 |
| CN201680848U (zh) * | 2010-04-20 | 2010-12-22 | 北京交通大学 | 基于fpga的ccd光纤光栅传感解调系统 |
| CN202915943U (zh) * | 2012-12-05 | 2013-05-01 | 北京理工大学 | 基于面阵ccd的光纤光栅解调装置 |
| CN103604446B (zh) * | 2013-11-04 | 2016-01-13 | 清华大学 | 一种基于单探测器的多通道光纤光栅绝对波长解调系统的解调方法 |
| CN105157625A (zh) * | 2015-05-29 | 2015-12-16 | 北京航空航天大学 | 一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量系统 |
| US9869587B2 (en) * | 2015-10-14 | 2018-01-16 | Bejing Information Science & Technology University | Fiber grating demodulation system for enhancing spectral resolution by finely shifting linear array detector |
| US9784618B2 (en) * | 2015-10-14 | 2017-10-10 | Beijing Information Science & Technology University | Fiber grating demodulation system for enhancing spectral resolution by finely rotating light splitting grating |
| CN105571517B (zh) * | 2016-01-19 | 2017-07-11 | 北京航空航天大学 | 一种适用于光纤端面检测的改进型相干峰解调方法 |
-
2018
- 2018-01-22 CN CN201810057110.XA patent/CN108387251B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 激光加工硅片的膜片式法-珀干涉型光纤压力传感器;刘宇等;《传感器与微系统》;20130131;第32卷(第1期);第112-114、117页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108387251A (zh) | 2018-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108387251B (zh) | 一种光纤光栅解调仪器及方法 | |
| CN107024236B (zh) | F-p/fbg光纤传感器解调系统 | |
| US20170199093A1 (en) | Multi-parameter Sensing based on Few-mode Fiber Bragg Gratings using Femtosecond IR Laser | |
| Bao et al. | Temperature-insensitive 2-D pendulum clinometer using two fiber Bragg gratings | |
| Cheng et al. | Ultra-short FBG based distributed sensing using shifted optical Gaussian filters and microwave-network analysis | |
| CN113108710B (zh) | 基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法 | |
| CN109253986B (zh) | 一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器 | |
| CN114111909A (zh) | 一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统 | |
| CN102809387B (zh) | 一种botdr信号解调方法 | |
| CN111323059B (zh) | 基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置 | |
| CN102419312B (zh) | 基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器 | |
| CN210036956U (zh) | 一种光纤光栅双边沿校正解调振动测量装置 | |
| CN1304900C (zh) | 一种光纤光栅波长解调方法 | |
| CN111537010A (zh) | 基于otdr的f-p干涉型传感头多点测量方法及装置 | |
| CN104048617A (zh) | 对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法 | |
| JP2022515598A (ja) | オフセットコア光ファイバを用いた高分解能分布センサ | |
| Chen et al. | Analysis of the tunable asymmetric fiber FP cavity for fiber strain sensor edge-filter demodulation | |
| Zhu et al. | Non-uniform strain measurement along a fiber Bragg grating using optical frequency domain reflectometry | |
| CN207439428U (zh) | 实现光纤f-p和fbg传感器的解调装置 | |
| Kadhim et al. | Temperature sensor based on fiber bragg grating (FBG), implementation, evaluation and spectral characterization study | |
| CN103090801B (zh) | 基于双折射色散的皮米量级位移测量装置及测量方法 | |
| Theodosiou et al. | Improvements on the cross-correlation algorithm used for tracking fractional Bragg grating wavelength shifts in multimode fibres | |
| Kaczmarek | Optical wavelength discriminator based on a Sagnac loop with a birefringent fiber | |
| She et al. | Novel interrogation method for fully distributed LCFBG sensor based on microwave photonic filtering | |
| JPH0432336B2 (zh) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200714 Termination date: 20220122 |