CN108592962B - 一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统 - Google Patents
一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，该系统由ASE光源的宽带光源以及光隔离器、可调谐F‑P滤波器、耦合器、环形器、FBG传感器阵列、标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集装置、计算机和可调谐电源组成。本发明通过控制F‑P滤波器的驱动电压对PZT迟滞和蠕变补偿，使标准具的透射谱峰值波长间隔随时间线性变化，实现对作为“波长标尺上刻度线”的标准具透射谱峰值波长校准，为解调传感光栅的波长提供精确的波长基准，可对传感光栅的波长进行高精度测量，从而根据传感光栅的波长信息达到对温度、应变等物理量进行精确测量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术领域，特别涉及利用标准具透射谱峰值波长作为参考波长，结合F-P滤波器解调法对FBG波长解调的一种光纤传感系统；具体地说是一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统。
背景技术
光纤布拉格光栅传感器也称为FBG传感器，光纤布拉格光栅的英文名称为FiberBraggGrating,简称FBG。FBG传感器由于其体积小、精度高、响应快、耐腐蚀、电磁绝缘等优良特性，过去几十年在各类结构的温度与应变传感领域得到了蓬勃的发展。FBG对温度与应变的测量，可通过探测其反射或透射中心波长的改变量来实现。对FBG反射或透射中心波长的解调方案中，F-P滤波器解调法是应用较多的方法。基于标准具的F-P滤波器解调法，是通过控制可调谐F-P滤波器使宽带光源输出的波长随时间线性改变，可调谐F-P滤波器输出的光随后进入作为波长参考的标准具，标准具的透射光谱各峰值波长按相等的时间间隔依次输出，其波长值也等间隔变化，可作为波长标尺上的刻度线，通过确定FBG传感器反射波长在波长标尺上的位置，来解调出FBG反射峰波长，从而实现温度、应变等物理量的传感。
获得可调谐F-P滤波器的透过波长，一般是利用F-P滤波器驱动电压与透过波长之间的近似线性关系，由来驱动电压值来确定波长值。但在实际应用中，因F-P滤波器中的PZT具有迟滞和蠕变等不良特性，导致不同时刻同一驱动电压对应的F-P滤波器输出波长不同，解调误差较大，因此需要针对PZT的迟滞和蠕变进行补偿控制。在先技术1[刘琨,井文才,刘铁根,等.F-P可调谐光滤波器的非线性校正在动态应变传感中的应用[J].传感技术学报,2008,21(7):1264-1268]采用二次曲线拟合法对F-P可调谐光滤波器的驱动电压进行非线性校正，但是在先技术1没有考察F-P滤波器中PZT的迟滞和蠕变影响，若单次测量获得的驱动电压与对应的F-P滤波器输出波长中存在随机误差，会导致迟滞和蠕变的电压补偿不充分，从而带来波长校准误差。在使用标准具透射谱峰值波长作为参考波长的F-P滤波器解调系统中，因标准具的透射波长与可调谐F-P滤波器的波长相同，会因F-P滤波器中PZT的迟滞和蠕变，出现标准具透射谱峰值波长间隔与时间变化不成线性的情况，导致作为“波长标尺上刻度线”的标准具透射谱峰值波长间隔不按照时间线性变化，即波长标尺上刻度线非等间隔，会给后继对传感光栅波长的解调带来误差。因此，非常有必要对F-P滤波器中PZT的迟滞和蠕变进行补偿控制，使F-P滤波器的透射波长及对应的标准具透射谱峰值波长随时间线性变化，从而校准波长标尺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供能利用标准具结合F-P滤波器解调法对FBG波长调解达到对温度、应变、加速度等物理量进行精确测量的一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，该系统包括依次相连的宽带光源、光隔离器和可调谐F-P滤波器，以及由多个FBG传感器组成的FBG传感器阵列，可调谐F-P滤波器与FBG传感器阵列间设置有将可调谐F-P滤波器输出的光信号按比例分成两路输出的耦合器，耦合器分出的两路光信号中的第一路连接标准具，该标准具的输出端连接第一光电探测器；耦合器分出的两路光信号中的第二路连接具有A、B、C三个端口的环形器的A端口，环形器的B端口与FBG传感器阵列相连接；该环形器的C端口连接第二光电探测器；第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出端均与数据采集装置相连接，数据采集装置连接有计算机，该计算机连接有电压输出可调谐电源，计算机通过可调谐电源控制加在可调谐F-P滤波器中PZT上的电压，实现对FBG波长的高精度测量，达到对温度、应变及加速度物理量进行精确测量的目的。
本发明可以说是一种基于标准具与F-P滤波器中的PZT迟滞和蠕变补偿控制的FBG传感系统，其主要原理是：宽带光源输出的连续光经光隔离器进入可调谐F-P滤波器，在电压输出可调谐电源输出的电压的驱动下，可调谐F-P滤波器在不同时刻输出不同波长的光信号。光信号经耦合器分光成两路，其中，耦合器分出的第二路光信号作为探测信号经环行器和FBG传感器阵列，当光信号的波长与FBG传感器阵列的某个FBG传感器的中心波长相等时，光信号被反射，经环行器的C端口被第二光电探测器探测，该时刻探测到电脉冲的峰值位置对应FBG的中心波长。耦合器分出的第一路光信号进入标准具，标准具输出的信号被第一光电探测器探测，其在不同时刻输出的光谱各峰值波长作为波长标尺上的刻度线。由于FBG通道和标准具通道的光信号在时间上可视为同步，可比较光栅反射峰与标准具峰值的采样点相对关系来解调FBG波长。第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号，经过数据采集装置进行A/D转换，传输到计算机，在计算机中进行数字滤波、寻峰和计算，可获得温度和应变的测量结果。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的宽带光源为ASE光源。
上述的标准具为具有热稳定特性且在较大的温度范围内透射谱峰值波长漂移极小的光梳状滤波器，该标准具在某个特定波长处有缺峰，能作为已知波长基准。
上述的数据采集装置为能同步采集的双通道数据采集卡。
上述的系统的运行包含波长标尺校准和FBG波长解调两个步骤；
在波长标尺校准步骤中，先控制可调谐电源输出随时间线性变化的驱动电压，利用标准具和第一光电探测器，得到标准具输出的光谱各峰值波长，确定PZT蠕变和迟滞对应的波长改变量，并确定补偿蠕变和迟滞需要的驱动电压值；在波长标尺校准步骤中不对第二光电探测器获得的信号进行处理；
在FBG波长解调步骤中，使用包含补偿蠕变和迟滞的驱动电压，驱动可调谐F-P滤波器使宽带光源输出的波长随时间线性改变；将标准具输出的光谱各峰值波长作为波长标尺上的刻度线，通过确定FBG传感器反射波长在波长标尺上的位置，来解调出FBG反射峰波长实现温度与应变的传感。
与现有的技术相比，本发明为基于标准具与F-P滤波器中的PZT迟滞和蠕变补偿控制的一种FBG传感系统，本发明通过有效补偿PZT迟滞和蠕变，使可调谐F-P滤波器的透射波长随时间线性变化，从而有效校准波长标尺，为实现对FBG波长的高精度测量提供可靠保障。另外，本发明采用热稳定标准具作为解调FBG传感器波长的波长标准器件，与传统的参考光栅相比，具有参考峰多、波长漂移小等优势。本发明方案均采用常规光电器件组合，技术方案简单，容易实现。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明在F-P滤波器驱动电压13V时蠕变引起的波长改变量的示意图；
图3是本发明实施例中迟滞和蠕变补偿控制前后标准具透射谱峰值拟合波长与实际值的偏差示意图；
图4是本发明实施例中与参考标准值的偏差及相应的温度测量偏差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对发明书的具体实施方法作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，该系统如图1所示，其由ASE光源的宽带光源1以及光隔离器2、可调谐F-P滤波器3、耦合器4、环形器5、FBG传感器阵列6、标准具7、第一光电探测器8、第二光电探测器9、数据采集装置10、计算机11和可调谐电源12组成。其中FBG传感器阵列6由多个FBG传感器组合构成。FBG传感器也称为光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅的英文名称为Fiber Bragg Grating,简称FBG。
本发明的宽带光源1的光功率为30.6mW，波长为1527.6nm-1565.7nm，宽带光源1输出的连续宽带光经光隔离器2进入可调谐F-P滤波器3后，在每个不同时刻输出不同波长的光，此光也就是本发明所说的光信号经由50:50分光比的耦合器4分为两路，两路光信号中的第一路作为参考光经由标准具7被第一光电探测器8探测到。两路光信号中的第二路作为探测光经由环形器5进入FBG传感器阵列6，当光信号的波长与FBG传感器阵列中的某个FBG传感器的中心波长相等时，光信号被反射，经环行器的C端口被第二光电探测器9探测到。第一光电探测器8和第二光电探测器9探测到的光强数据经由双通道数据采集卡的数据采集装置10采集后送入计算机11。该计算机11连接有电压输出可调谐电源12，计算机11通过可调谐电源12控制加在可调谐F-P滤波器3中PZT上的电压，实现对FBG波长的高精度测量，达到对温度、应变及加速度物理量进行精确测量的目的。
本发明是一种基于标准具与F-P滤波器中的PZT迟滞和蠕变补偿控制的FBG传感系统，本发明系统的运行包含波长标尺校准和FBG波长解调两个步骤；
在波长标尺校准步骤中，先控制可调谐电源12输出随时间线性变化的驱动电压，利用标准具7和第一光电探测器8，得到标准具7输出的光谱各峰值波长，确定PZT蠕变和迟滞对应的波长改变量，并确定补偿蠕变和迟滞需要的驱动电压值；在波长标尺校准步骤中不对第二光电探测器9获得的信号进行处理；
在FBG波长解调步骤中，使用包含补偿蠕变和迟滞的驱动电压，驱动可调谐F-P滤波器3使宽带光源1输出的波长随时间线性改变；将标准具7输出的光谱各峰值波长作为波长标尺上的刻度线，通过确定FBG传感器反射波长在波长标尺上的位置，来解调出FBG反射峰波长实现温度与应变的传感。
在本发明的系统中，F-P滤波器中的PZT蠕变特性的测量和补偿方法如下：在驱动电压范围内均匀选取M个电压值u0，u1，u2,……,uM-1，测量它们在该电压保持时间内由PZT蠕变导致的F-P滤波器波长改变量。拟合蠕变时的波长和时间(采样点)关系，拟合函数为
λ＝c0+c1·log10(t+c2) (1)
其中λ为标准具输出波长，t为采样点，c0、c1、c2为拟合系数。以最小电压值u0在该电压保持时间内的蠕变量v0为基准，将其他电压值uj(j＝0,1,……,M-1)对应的蠕变量vj和v0相减得到Δvj，根据该差值对电压进行补偿。假定uj到uj+1共q个步进电压值，每个步进电压PZT的蠕变时间都相等，则uj到uj+1由于蠕变改变量导致的波长误差为Δvj·q。补偿这个波长误差需要的电压值Δuj为
Δuj＝-K2·Δvj·q (2)
其中K2为F-P滤波器的驱动电压与波长线性拟合得到电压-波长系数。将这个电压值Δuj均分到uj至uj+1之间的步进电压上，则uj至uj+1电压范围内的所有电压值都需要加上UC来补偿蠕变，UC的大小为
F-P滤波器迟滞特性的测量和补偿方法如下：对标准具的若干个峰波长和驱动电压值进行四阶多项式拟合
其中u(t)为驱动电压值，b0、b1、b2、b3、b4为拟合系数，取标准具的前两个峰之间的波长与采样点数的比值K3作为基准，控制其他峰值波长与采样点之间的比值等于K3。若假定t＝0时第一个峰值波长为e，则波长随时间线性变化的目标函数为：
λ(t)＝K3·t+e(5)
迟滞补偿之后电压与时间的关系：
每个电压保持时间为τu，则可以得到补偿迟滞的驱动电压值为：
将迟滞和蠕变补偿的电压值相加，即可得到电压控制方案的所有输出电压值U。具体方法为将迟滞补偿电压值，按蠕变测量时的M个电压值u0，u1，u2,……,uM-1分段，在每段加上相应的蠕变补偿电压值UC。
U＝UC+UH＝-K2·Δvj+UH (uj＜UH≤uj+1) (8)
在波长标尺校准步骤中，使用类锯齿波电压(电压范围9V-21V，电压步进0.01V，保持时间0.11s)驱动可调谐F-P滤波器3，考察13V、14V、15V、16V、17V共5个电压值处的蠕变值，按照公式(1)进行对数拟合。本发明的图2即为13V时PZT蠕变引起的波长改变量。这五个电压处的波长改变量分别为-1.70×10-2nm、-1.72×10-2nm、-1.56×10-2nm、-1.54×10-2nm和-1.53×10-2nm。14V、15V、16V、17V需要补偿的波长改变量为-2.0×10-4nm、1.4×10-3nm、1.6×10-3nm、1.7×10-3nm，对应的电压值UC分别为3.31×10-5V、-2.63×10-4V、-3.02×10-4V和-3.37×10-4V。
可调谐F-P滤波器3驱动电压与输出波长按照公式(4)进行四阶多项式拟合的RMSE(标准差)分别为1.35×10-2V。四阶多项式拟合得到的参数b4、b3、b2、b1、b0分别为-5.46×10-7、3.37×10-3、-7.82、8053和-3.11×106。将其代入公式(5)，得到用于补偿迟滞控制的驱动电压随时间变化的公式为
UH(t)＝-2.25×10-20·t4+3.87×10-15·t3-2.50×10-10·t2+9.46×10-5·t-12.37
其中t＝iΔtout，单位为ms，i为非负整数，Δtout为不同电压输出的时间间隔，在本实施例的实验中为110ms。所以将迟滞和蠕变组合之后得到驱动电压方案为：
在补偿控制前后分别用线性拟合标准具输出波长与采样点(时间)，并用实际波长与直线拟合得到的波长相减，得到47个标准具透射峰值波长的未控制与控制后的波长偏差，如图3所示。
在FBG波长解调步骤中，使用上步骤中补偿迟滞和蠕变之后的电压驱动可调谐F-P滤波器3，使其输出波长随时间线性变化，同时考察标准具7通道和FBG传感器阵列6通道，将这两个通道采集的峰相对位置作对比。使用该系统对温度敏感光栅在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃时的波长进行测量，并将结果和光栅出厂测试报告进行了比较。如图4所示。补偿控制解调出的温度敏感光栅波长与测试报告值非常吻合，波长最大差值为4.00×10-3nm，对应的温度差为0.46℃。而驱动电压未进行控制时，解调出的光栅波长与标准参考值之差最大为8.00×10-2nm，相应的温度差为8.89℃。
综上所述，本发明通过引入标准具，为系统提供波长参考，对可调谐F-P滤波器的PZT迟滞和蠕变进行补偿，控制PZT的驱动电压随时间非线性改变，使宽带光源经过可调谐F-P滤波器输出的波长能随时间等间隔变化，获得了随时间线性变化的标准具透射谱峰值波长，作为波长标尺的“刻度线”，为解调传感光栅的波长提供了精确的波长基准。温度光栅测量精度相较未进行迟滞和蠕变补偿控制的方法测量精度提高约20倍，温度测量误差小于0.5℃。
以上所述，仅为本发明优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖于本发明保护范围内。
Claims (4)
1.一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，所述的系统包括依次相连的宽带光源(1)、光隔离器(2)和可调谐F-P滤波器(3)，以及由多个FBG传感器组成的FBG传感器阵列(6)，其特征是：
所述的可调谐F-P滤波器(3)与FBG传感器阵列(6)间设置有将可调谐F-P滤波器(3)输出的光信号按比例分成两路输出的耦合器(4)，所述的耦合器(4)分出的两路光信号中的第一路连接标准具(7)，该标准具(7)的输出端连接第一光电探测器(8)；所述的耦合器(4)分出的两路光信号中的第二路连接具有A、B、C三个端口的环形器(5)的A端口，所述的环形器(5)的B端口与FBG传感器阵列(6)相连接；该环形器(5)的C端口连接第二光电探测器(9)；所述的第一光电探测器(8)的输出端和第二光电探测器(9)的输出端均与数据采集装置(10)相连接，所述的数据采集装置(10)连接有计算机(11)，该计算机(11)连接有电压输出可调谐电源(12)；
所述的计算机(11)通过可调谐电源(12)控制加在可调谐F-P滤波器(3)中PZT上的电压，实现对FBG波长的测量，其控制过程包括对FBG波长解调的步骤；
在FBG波长解调步骤中，使用包含补偿蠕变和迟滞的驱动电压，驱动可调谐F-P滤波器(3)使宽带光源（1）输出的波长随时间线性改变，将标准具（7）输出的光谱各峰值波长作为波长标尺上的刻度线，通过确定FBG传感器反射波长在波长标尺上的位置，来解调出FBG反射峰波长，实现温度与应变的传感；
上述过程中：
1）对可调谐F-P滤波器(3)中PZT蠕变特性的测量和补偿方法为：
在驱动电压范围内均匀选取M个电压值u 0，u 1，u 2, …… , u M-1 ，测量它们在该电压值保持时间内由PZT蠕变导致的可调谐F-P滤波器(3)波长改变量，拟合蠕变时的波长和采样点的时间关系，拟合函数为
其中λ为标准具输出波长，t为采样点，c 0、c 1、c 2为拟合系数；
以最小电压值u 0在该电压值保持时间内的蠕变量v 0为基准，将电压值u j (j=0,1, ……,M-1)对应的蠕变量v j 和v 0相减得到Δv j ，根据该差值Δv j 对电压进行补偿；假定u j 到u j+1共q个步进电压值，对每个步进电压值PZT的蠕变时间都相等，则u j 到u j+1由于蠕变改变量导致的波长误差为Δv j ·q，补偿这个波长误差需要的电压值Δu j 为
其中K 2 为可调谐F-P滤波器(3)的驱动电压与波长线性拟合得到电压-波长系数；
将电压值Δu j 均分到u j 至u j+1之间的步进电压上，则u j 至u j+1范围内的所有电压值都需要加上U C 来补偿蠕变，所述U C 的大小为
2）对可调谐F-P滤波器(3)迟滞特性的测量和补偿方法为：
对标准具的若干个峰波长和驱动电压值进行四阶多项式拟合
其中u(t)为驱动电压值，b 0、b 1、b 2、b 3、b 4为拟合系数，取标准具的前两个峰之间的波长与采样点数的比值K 3作为基准，控制其他峰值波长与采样点之间的比值等于K 3；
若假定t=0时第一个峰值波长为e，则波长随时间线性变化的目标函数为：
迟滞补偿之后电压值与时间的关系：
每个电压值保持时间为τ u ，则可以得到补偿迟滞的驱动电压值为：
3）将迟滞和蠕变补偿的电压值相加，即可得到电压控制方案的所有输出电压值U，具体方法为将迟滞补偿电压值，按蠕变测量时的M个电压值u 0，u 1，u 2, …… , u M-1分段，在每段加上相应的蠕变补偿电压值U C ，即
2.根据权利要求1所述的一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，其特征是：所述的宽带光源(1)为ASE光源。
3.根据权利要求2所述的一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，其特征是：所述的数据采集装置(10)为同步采集的双通道数据采集卡。
4.根据权利要求3所述的一种具有波长标尺校准功能的光纤布拉格光栅传感系统，其特征是：所述控制过程还包含波长标尺校准的步骤；
在波长标尺校准步骤中，先控制可调谐电源(12)输出随时间线性变化的驱动电压，利用标准具(7)和第一光电探测器(8)，得到标准具(7)输出的光谱各峰值波长，确定PZT蠕变和迟滞对应的波长改变量，并确定补偿蠕变和迟滞需要的驱动电压值；在波长标尺校准步骤中不对第二光电探测器(9)获得的信号进行处理。
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