CN110260904A - 大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法及系统，其中方法包括以下步骤：读取在线生产过程中的光栅阵列传感光纤的每个光栅的空间信息；将读取的空间信息线性转换为时域信息，并绘制所有光栅的反射光谱；根据反射光谱计算所有光栅光谱的指标，包括反射率、波长一致性、3dB线宽以及边模抑制比；根据计算的指标进行判断，当无法满足任意一个设置指标时，发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备进行参数调整；若连续多个光谱均无法满足设置指标，则发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备。本发明可对大容量光栅阵列传感光纤的生产质量进行在线监控和分析，对生产出的每一个光栅传感器进行指标评估。

Description

大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法及 系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种大容量光栅阵列光纤传感器质量的在线自动化检测方法。

背景技术

大容量光栅阵列技术是近几年出现的新型光纤传感技术，采用了波分复用(WDM)和光时域反射(OTDR)技术，克服了传统光纤光栅解调方法探测距离短、空间分辨率低等缺陷，其单通道可集成上万个传感光栅，空间分辨率可达10cm，是一种集分布式光纤和光纤光栅传感技术优势为一身的最新型的光纤传感技术。

随着该技术的深入发展和产业化，每个光栅传感器反射光谱的反射率、中心波长、线宽、边模抑制比等核心指标可能都不一样，如图1所示。如何在大批量生产过程中对上万个乃至几十万个光栅传感器的核心指标进行控制是一个需要解决的重要课题，也是能够将该技术进行大面积推广应用的必要保障。因此，研究一种光栅阵列光纤的传感器质量在线自动化检测方法已经迫在眉睫。

发明内容

本发明针对大容量光栅阵列光纤传感器在批量生产过程中，缺乏一种有效、便捷、快速的在线检测方法，不能对大量的传感光栅质量进行评估的问题，提出了一种能够实时在线地对传感光栅的反射率、波长一致性、3dB线宽、边模抑制比等核心指标进行有效、快速的检测，为其生产过程中的质量控制提供了保障，大大提高了产品合格率和生产效率的在线自动化检测方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法，包括以下步骤：

读取在线生产过程中的光栅阵列传感光纤的每个光栅的空间信息；

将读取的空间信息线性转换为时域信息，并绘制所有光栅的反射光谱；

根据反射光谱计算所有光栅光谱的指标，包括反射率、波长一致性、3dB线宽以及边模抑制比；

根据计算的指标进行判断，当无法满足任意一个设置指标时，发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备进行参数调整；若连续多个光谱均无法满足设置指标，则发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备。

接上述技术方案，根据计算的指标进行判断的具体过程为：

寻找每个光谱的顶点，顶点对应的纵坐标为该光栅的反射率；顶点对应的横坐标为该光栅的中心波长，通过将中心波长与期望波长进行比较，获得波长误差，当该误差在一定范围内时，认为波长一致性良好；

顶点以下3dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，得到两个与光谱的交点，交点之间的横坐标差值为该光谱的3dB线宽，若差值在一定范围内，则线宽满足要求；

根据设置的边模抑制比，由光谱顶点往下一定dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，计算直线与光谱的交点个数，若大于预设个数则认为无法满足边模抑制比的要求。

接上述技术方案，具体通过寻找最大值算法，找到每个光谱的顶点。

接上述技术方案，若其中任意一个指标不满足要求，则将该光栅传感器判定为不合格，根据具体不合格指标项发送相应指令控制生产设备进行参数调整后继续生产，并将不合格光栅数量+1，若连续n个光栅均不合格则强制停止生产。

本发明还提供了一种大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测系统，包括：

光栅阵列解调仪，与在线生产过程中的光栅阵列传感光纤连接，用于读取光栅阵列传感光纤的每个光栅的空间信息；将读取的空间信息线性转换为时域信息，并绘制所有光栅的反射光谱；

质量分析模块，与所述光栅阵列解调仪连接，用于根据反射光谱计算所有光栅光谱的指标，包括反射率、波长一致性、3dB线宽以及边模抑制比；根据计算的指标进行判断，当无法满足任意一个设置指标时，发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备进行参数调整；若连续多个光谱均无法满足设置指标，则发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备；

光栅阵列光纤生产设备，与所述质量分析模块连接，用于在线生产光栅阵列传感光纤，并接收质量分析模块的控制信号，根据接收的控制信号执行相应动作。

接上述技术方案，所述质量分析模块具体用于寻找每个光谱的顶点，顶点对应的纵坐标为该光栅的反射率；顶点对应的横坐标为该光栅的中心波长，通过将中心波长与期望波长进行比较，获得波长误差，当该误差在一定范围内时，为波长一致性良好；顶点以下3dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，得到两个与光谱的交点，交点之间的横坐标差值为该光谱的3dB线宽，若差值在一定范围内，则线宽满足要求；根据设置的边模抑制比，由光谱顶点往下一定dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，计算直线与光谱的交点个数，若大于预设个数则认为无法满足边模抑制比的要求。

接上述技术方案，所述光栅阵列解调仪具体用于在光栅阵列传感光纤调整好各项参数开始正常生产后，进行一次扫描，获取所有光栅传感器的光谱，统计光谱数量，若大于上一次扫描光谱数量，则存在新增传感器，对新增传感器的光谱数据进行解调。

接上述技术方案，所述光栅阵列解调仪具体通过寻找最大值算法，找到每个光谱的顶点。

接上述技术方案，所述质量分析模块还用于若其中任意一个指标不满足要求，则将该光栅传感器判定为不合格，根据具体不合格指标项发送相应指令控制生产设备进行参数调整后继续生产，并将不合格光栅数量+1，若连续n个光栅均不合格则强制停止生产。

接上述技术方案，所述光栅阵列光纤生产设备设有针对不同指标互相独立的调整方法，当某指标不合格时，实时调整相应的参数。

接上述技术方案，所述光栅阵列光纤生产设备在光纤拉锥时同时进行光栅刻写，然后再进行冷却、涂敷。

本发明产生的有益效果是：本发明通过实时在线地对传感光栅的反射率、波长一致性、3dB线宽、边模抑制比等核心指标进行有效、快速的检测，对生产出的每一个光栅传感器进行指标评估，为光栅阵列传感光纤的大批量生产提供有效的质量保障。

进一步地，本发明可灵活适应不同密度、不同长度的光栅阵列，无需修改任何参数。

本发明的所有关键指标在生产设备上均有互相独立的调整方法，当某些指标不合格时，可及时反馈给生产设备有针对性的进行实时修正调整，保证了光栅传感器的合格率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是光栅传感器的反射光谱示意图；

图2是本发明实施例大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测系统框图；

图3是本发明实施例质量分析原理框图；

图4是本发明实施例大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测系统的工作流程图；

图5是本发明实施例大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明能够实时在线地对传感光栅的反射率、波长一致性、3dB线宽、边模抑制比等核心指标进行有效、快速的检测，为其生产过程中的质量控制提供保障，大大提高产品合格率和生产效率。

本发明实施例的大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测系统如图2所示。系统主要包括光栅阵列解调仪2、质量分析模块3和光栅阵列传感光纤生产设备4。其中：将生产中的光栅阵列传感光纤1接入光栅阵列解调仪2，光栅阵列解调仪2利用OTDR(Optical Time Domain Reflection，光时域反射)原理，可将光栅阵列传感光纤中每个光栅的空间信息线性转换为时域信息，再通过线性扫频光源可将所有光栅的反射光谱绘制出来，然后进入质量分析模块3，对所有光栅光谱的反射率、波长一致性、3dB线宽、边模抑制比等核心指标进行计算和判断，最后通过判断结果，发送指令给光栅阵列传感光纤生产设备4，控制其进行实时调整和修正。

光栅阵列传感光纤1为在线生产的待测光栅传感器样品，光栅阵列传感光纤采用国际领先的拉丝及光栅刻写一体化在线生产技术，一致性好，传感器间距灵活可调，单根光线上可集成上万个传感光栅，是光纤传感行业划时代的产品。

光栅阵列解调仪2利用OTDR原理，将光栅阵列传感光纤中的每个光栅定义成一个时间代码，通过计算不同光栅反射光的达到时间，实现光栅的精准定位，再通过扫频光源，可得到不同波长下光栅的反射强度，从而将每个光栅的反射光谱绘制出来。

质量分析模块3通过寻找最大值的算法，找到每个光谱的顶点，顶点对应的纵坐标即为该光栅的反射率；顶点对应的横坐标即为该光栅的中心波长，通过将中心波长与期望波长进行比较，获得波长误差，当该误差在一定范围内时，认为波长一致性良好；顶点以下3dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，得到两个与光谱的交点，交点之间的横坐标差值即为该光谱的3dB线宽；根据设置的边模抑制比，例如10dB，由光谱顶点往下10dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，计算直线与光谱的交点个数，若大于2个则认为无法满足边模抑制比的要求，如图3所示。当光栅光谱质量无法满足任意一个设置指标时，质量分析模块3会发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备4进行参数调整，若连续多个光谱(可设置)均无法满足设置指标，则质量分析模块3发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备4。

光栅阵列传感光纤生产设备4是一种经过改造后的光纤拉丝设备，在拉丝过程中加入了光栅刻写模组，能够在光纤拉锥时同时进行光栅刻写，然后再进行冷却、涂敷。拉制出的光纤光栅呈一体化结构，外观与普通光纤无异，具有高密度、大容量、长距离的特点，所有生产工艺均采用工业级自动化控制系统进行把控，传感器一致性好，机械强度高。栅阵列传感光纤生产设备4接收质量分析模块3的控制信号，根据接收的指令执行相应动作，实现光栅阵列传感光纤生产过程中的实时在线修正。

该系统工作流程如图4所示：

系统开始工作，光栅阵列传感光纤调整好各项参数后，开始正常生产，光栅阵列解调仪进行一次扫描，获取所有光栅传感器的光谱，统计光谱数量，若大于上一次扫描光谱数量，则存在新增传感器，对新增传感器的光谱数据进行分析处理，获取以下参数：①最大值；②最大值对应的波长；③最大值往下3dB处x轴方向2个交点对应的波长坐标；④最大值往下ndB处x轴方向对应的波长坐标个数。通过以上参数对光谱进行质量分析：①反射率，即为最大值(反射率越大，反射所得光谱最大值越大)，判断最大值是否在规定范围之内。②波长一致性，判断中心波长即光谱最大值对应的波长是否在规定的误差范围内。③3dB线宽，判断3dB线宽即最大值往下3dB处x轴方向2个交点的波长坐标之差是否在规定的范围内。④边模抑制比，最大值往下ndB处x轴方向交点个数若为2，则边模抑制比满足ndB要求。当以上所有指标均满足要求时，则可继续生产并控制光栅阵列解调仪进行下一次扫描。若其中任意一个指标不满足要求，则将该光栅传感器判定为不合格，质量分析模块会根据具体不合格指标项发送相应指令控制生产设备进行参数调整后继续生产，并将不合格光栅数量+1，若连续n个光栅均不合格则强制停止生产。

光栅阵列传感光纤1采用武汉烽理光电技术有限公司的光栅阵列专用拉丝塔进行生产，每天可以不间断生产20公里以上光栅阵列光纤。光栅阵列解调仪2采用武汉烽理光电技术有限公司的FBGDS-3000型光纤光栅阵列解调仪，该解调仪具有最小可达10cm的空间分辨率以及单通道10公里以上的8通道并行解调能力，并且该产品的各项性能已经通过了国家消防3C强制认证。质量分析模块3主要对传感光栅的光谱进行分析，分析内容有反射率、波长一致性、3dB线宽、边模抑制比四项指标，光栅阵列解调仪将光谱数据发送给质量分析模块3，光谱数据按照[x,y]的形式保存，横坐标x表示波长，纵坐标y表示强度。解调仪光源扫描范围是2nm，每10pm一个扫描步进，共200个步进，因此光谱数据由[x₁,y₁]…….[x₂₀₀,y₂₀₀]组成。

1、反射率。该指标和光栅返回的光强直接相关，反射率越高，反射光越强，因此反射率R可以由下式来确定：

R＝max{y₁,y₂…..y₂₀₀}＝y_max

生产过程中要求-43dB≤R≤-37dB。

2、波长一致性。该指标和光栅的中心波长λ相关，即光谱最大值y_max处对应的x坐标，实际生产中期望刻写的光栅波长为1550nm，因此波长一致性Δ可以由下式来确定：

Δ＝λ-1550＝x_ymax-1550

生产过程中要求-0.01nm≤Δ≤0.01nm。

3、3dB线宽。该指标为光谱最大值y_max向下3dB处即y_3dB＝0.708y_max处对应的光谱宽度，首先找出{y₁,y₂…..y₂₀₀}中处于y_3dB两侧的点，即满足下式:

y_n≤y_3dB

y_n+1≥y_3dB

由于光谱对称性，会有两组满足以上条件的点[x_n1,y_n1]、[x_n1+1,y_n1+1]和[x_n2,y_n2]、[x_n2+1,y_n2+1]，其中令x_n2＞x_n1，因此直线y＝y_3dB和光谱会存在两个交点[x_3dB,y_3dB]和[x’_3dB,y_3dB]，其中令x‘_3dB＞x_3dB，分别对两个x求解可得：

生产过程中要求3dB线宽即x′_3dB-x_3dB≤0.1nm。

4、边模抑制比。该指标为光谱主峰最大值y_max和旁瓣最大值y‘_max之间的比值，由于旁瓣峰值较矮，难以对其进行有效寻峰，而本系统要求边模抑制比大于10dB，因此可以采用类似于3dB线宽判定方式，光谱最大值y_max向下10dB处即y_10dB＝0.1y_max处，找出{y₁,y₂…..y₂₀₀}中处于y_10dB两侧的点，即满足下式:

y_n≤y_10dB

y_n+1≥y_10dB

由于光谱对称性，会有2n组满足以上条件的点。若光谱正常，n＝1；若在10dB处存在旁瓣，则n＝2，如图3所示。

生产过程中，要求n＝1，即有且仅有2组满足以上条件的点。

本发明的大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、读取在线生产过程中的光栅阵列传感光纤的每个光栅的空间信息；

S2、将读取的空间信息线性转换为时域信息，并绘制所有光栅的反射光谱；

S3、根据反射光谱计算所有光栅光谱的指标，包括反射率、波长一致性、3dB线宽以及边模抑制比；

S4、根据计算的指标进行判断；当无法满足任意一个设置指标时，发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备进行参数调整；

S6、判断是否连续N个光栅不合格；

S7、若连续多个光谱均无法满足设置指标，则发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备。

步骤S4中，根据计算的指标进行判断的具体过程为：

寻找每个光谱的顶点，具体可通过寻找最大值算法，找到每个光谱的顶点。顶点对应的纵坐标为该光栅的反射率；顶点对应的横坐标为该光栅的中心波长，通过将中心波长与期望波长进行比较，获得波长误差，当该误差在一定范围内时，认为波长一致性良好；

顶点以下3dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，得到两个与光谱的交点，交点之间的横坐标差值为该光谱的3dB线宽，若差值在一定范围内，则线宽满足要求；

根据设置的边模抑制比，由光谱顶点往下一定dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，计算直线与光谱的交点个数，若大于预设个数则认为无法满足边模抑制比的要求。

进一步地，还包括步骤S5、若其中任意一个指标不满足要求，则将该光栅传感器判定为不合格，根据具体不合格指标项发送相应指令控制生产设备进行参数调整后继续生产，并将不合格光栅数量+1。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

读取在线生产过程中的光栅阵列传感光纤的每个光栅的空间信息；

将读取的空间信息线性转换为时域信息，并绘制所有光栅的反射光谱；

根据反射光谱计算所有光栅光谱的指标，包括反射率、波长一致性、3dB线宽以及边模抑制比；

根据计算的指标进行判断，当无法满足任意一个设置指标时，发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备进行参数调整；若连续多个光谱均无法满足设置指标，则发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备。

2.根据权利要求1所述的大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法，其特征在于，根据计算的指标进行判断的具体过程为：

寻找每个光谱的顶点，顶点对应的纵坐标为该光栅的反射率；顶点对应的横坐标为该光栅的中心波长，通过将中心波长与期望波长进行比较，获得波长误差，当该误差在一定范围内时，认为波长一致性良好；

顶点以下3dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，得到两个与光谱的交点，交点之间的横坐标差值为该光谱的3dB线宽，若差值在一定范围内，则线宽满足要求；

根据设置的边模抑制比，由光谱顶点往下一定dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，计算直线与光谱的交点个数，若大于预设个数则认为无法满足边模抑制比的要求。

3.根据权利要求2所述的大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法，其特征在于，具体通过寻找最大值算法，找到每个光谱的顶点。

4.根据权利要求1所述的大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测方法，其特征在于，若其中任意一个指标不满足要求，则将该光栅传感器判定为不合格，根据具体不合格指标项发送相应指令控制生产设备进行参数调整后继续生产，并将不合格光栅数量+1，若连续n个光栅均不合格则强制停止生产。

5.一种大容量光栅阵列光纤传感器的质量在线自动化检测系统，其特征在于，包括：

光栅阵列解调仪，与在线生产过程中的光栅阵列传感光纤连接，用于读取光栅阵列传感光纤的每个光栅的空间信息；将读取的空间信息线性转换为时域信息，并绘制所有光栅的反射光谱；

质量分析模块，与所述光栅阵列解调仪连接，用于根据反射光谱计算所有光栅光谱的指标，包括反射率、波长一致性、3dB线宽以及边模抑制比；根据计算的指标进行判断，当无法满足任意一个设置指标时，发出控制信号，通知光栅阵列光纤生产设备进行参数调整；若连续多个光谱均无法满足设置指标，则发出报警信号并强行关闭光栅阵列光纤生产设备；

光栅阵列光纤生产设备，与所述质量分析模块连接，用于在线生产光栅阵列传感光纤，并接收质量分析模块的控制信号，根据接收的控制信号执行相应动作。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述质量分析模块具体用于寻找每个光谱的顶点，顶点对应的纵坐标为该光栅的反射率；顶点对应的横坐标为该光栅的中心波长，通过将中心波长与期望波长进行比较，获得波长误差，当该误差在一定范围内时，为波长一致性良好；顶点以下3dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，得到两个与光谱的交点，交点之间的横坐标差值为该光谱的3dB线宽，若差值在一定范围内，则线宽满足要求；根据设置的边模抑制比，由光谱顶点往下一定dB处用一条平行于x轴的直线穿过光谱，计算直线与光谱的交点个数，若大于预设个数则认为无法满足边模抑制比的要求。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光栅阵列解调仪具体用于在光栅阵列传感光纤调整好各项参数开始正常生产后，进行一次扫描，获取所有光栅传感器的光谱，统计光谱数量，若大于上一次扫描光谱数量，则存在新增传感器，对新增传感器的光谱数据进行解调。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光栅阵列解调仪具体通过寻找最大值算法，找到每个光谱的顶点。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光栅阵列光纤生产设备设有针对不同指标互相独立的调整方法，当某指标不合格时，实时调整相应的参数。

10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光栅阵列光纤生产设备在光纤拉锥时同时进行光栅刻写，然后再进行冷却、涂敷。