CN111868491A - 光传感器、传感器装置及用于进行感测的方法 - Google Patents

光传感器、传感器装置及用于进行感测的方法 Download PDF

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Abstract

多种技术提供了一种光传感器，具有：光源；光栅装置，光耦合到光源以从光源接收源光信号，光栅装置包括具有定义的光谱轮廓的啁啾FBG，其中，作为对与啁啾FBG相互作用的至少一个参数的第一改变的响应，定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第一方向上偏移，并且光栅装置被配置为，作为对定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第一方向上偏移的响应，生成与第一改变对应的第一输出光信号，并且其中，作为对与啁啾FBG相互作用的至少一个参数的第二改变的响应，定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第二方向上偏移，并且光栅装置被配置为，作为对定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第二方向上偏移的响应，生成与第二改变对应的第二输出光信号。

Description

光传感器、传感器装置及用于进行感测的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月16日递交的美国专利申请No.15/923,609的权益，其内容由此出于所有目的通过引用整体并入。
技术领域
本文公开的多种技术涉及光传感器、传感器装置及用于进行感测的方法。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)传感器用于多种应用，范围从复合材料的损伤检测到动态结构应变监测，再到建筑产业的长期应变监测。FBG还用作温度传感器、压力传感器等，具有很高的测量精度。尽管FBG传感器具有很高的灵敏度和准确性，但是其应用受到限制。FBG面临的最真正的问题是其解调(interrogation)系统(其为光谱分析仪(OSA))的体积和成本。这些问题限制了FBG的应用领域。
已经提出了排除OSA的若干种FBG解调设计，但是它们只是部分地有前途的。已经证明了将匹配滤波器解调用于应变测量。相同的光栅在该系统中被用作陷波滤波器。这些陷波滤波器被安装在由压电(PZ)堆叠驱动的小型拉伸设备上，这使这种技术复杂化，并且将应变测量范围限制为±200με。需要机械应变放大来扩大测量范围，这使系统更加复杂。也已经开发出使用可调谐的法布里-珀罗波长滤波器的FBG解调系统。同样，将压电换能器用于调整法布里-珀罗波长滤波器中的腔间距。它使系统复杂化，并且依赖于诸如压电换能器的电气组件的性能。此外，已经证明了使用商用红外高通滤波器的无源波长解调系统。这种系统的分辨率非常差(大约400με)。另一种已知的系统采用非对称光栅作为线性感测结构的波长-幅度转换器。很难制造这种技术中使用的非对称光栅。在另一种低成本的FBG解调系统中，已经将长周期光栅(LPG)用作将应变引起的波长变化转换为光强度测量结果的边缘滤波器。LPG对外部扰动(例如，温度、应变等)极为敏感，这使得这种解调系统不适用于外部应用。而且，LPG以其对周围介质的折射率的非常高的灵敏度而闻名。
还存在一种使用紫外线引起的光纤双折射的FBG解调方法。为了解调FBG中的波长偏移，解调器使用依赖于波长的来自啁啾光纤光栅的反射光的波长行程长度。这种方法需要其他的一些昂贵的光学组件，并且这种解调器的范围非常有限(最高只有3000με)。使用啁啾FBG作为解调器的经复用的布拉格光栅传感器配置也是已知的。这种设计因为采用掺铒的光纤放大器、RF发生器、鉴相器等而复杂且昂贵。在另一种复杂的FBG解调技术中，提供了一种基于萨尼亚克环的啁啾光纤光栅。尽管所声称的分辨率很好(大约±5με)，但应变测量范围却非常有限(大约±250με)。也已经提出了一种使用相同的啁啾FBG的解调技术，对于应变感测具有5με的分辨率。在这种技术中，应变测量范围可以高达10000με，但只能测量一个方向(拉伸或压缩)的应变，这限制了这种设计的应用。
发明内容
在独立权利要求中对本发明进行限定。在从属权利要求中对本发明的另外的实施例进行限定。
根据一个实施例，提供了一种用于感测至少一个参数的光传感器。所述光传感器可以包括：光源，被配置为提供源光信号和参考光谱轮廓(profile)；以及，光栅装置，光耦合到光源以接收源光信号，所述光栅装置包括具有定义的光谱轮廓的啁啾光纤布拉格光栅(FBG)，其中，所述定义的光谱轮廓与参考光谱轮廓的一部分重叠，其中，所述啁啾FBG被配置为，作为对与所述啁啾FBG相互作用的至少一个参数的第一改变的响应，从原始状态改变到将所述定义的光谱轮廓相对于所述参考光谱轮廓在第一方向上偏移的第一状态，并且还被配置为，作为对所述定义的光谱轮廓在第一方向上偏移的响应，将所述源光信号的第一部分作为与所述第一改变相对应的第一输出光信号进行发送，并且其中，所述啁啾FBG被配置为，作为对与所述啁啾FBG相互作用的所述至少一个参数的第二改变的响应，从所述原始状态改变到将所述定义的光谱轮廓相对于所述参考光谱轮廓在第二方向上偏移的第二状态，并且还被配置为，作为对所述定义的光谱轮廓在第二方向上偏移的响应，将所述源光信号的第二部分作为与所述第二改变相对应的第二输出光信号进行发送。
根据一个实施例，提供了一种传感器装置。所述传感器装置可以包括多个光传感器，其中，所述多个光传感器中的至少一个光传感器是如本文所描述的光传感器。
根据一个实施例，提供了一种传感器装置。所述传感器装置可以包括多个光传感器，其中，所述多个光传感器中的至少一个光传感器是如本文所描述的光传感器，其具有无线模块、以及被配置为与所述无线模块通信的无线通信单元。
根据一个实施例，提供了一种用于使用如本文所描述的光传感器来感测至少一个参数的方法。所述方法可以包括：作为对至少一个参数的第一改变的响应，基于第一输出光信号确定第一改变；以及，作为对所述至少一个参数的第二改变的响应，基于第二输出光信号确定第二改变。
附图说明
在附图中，相似的参考字符在不同的视图中通常指代相似的部分。附图不一定按比例绘制，相反重点通常被放在示出本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述了本发明的各实施例，其中：
图1A示出了根据多种技术的光传感器的示意图。
图1B示出了根据多种技术的传感器装置的示意图。
图1C示出了说明根据多种技术的用于进行感测的方法的流程图。
图2A示出了根据多种技术的传感器的示意图。
图2B示出了图2A的传感器的光栅CFBG1和CFBG1’的传输光谱图。
图2C示出了图2A的传感器的光栅CFBG2和CFBG2’的传输光谱图。
图2D示出了图2A的传感器的光源的光谱图。
图3A示出了根据多种技术的传感器的示意图。
图3B示出了图3A的传感器的光源的光谱图。
图4A示出了用于应变测量的悬臂设置的示意图。
图4B示出了与不同的应变值相对应的图2A的传感器的CFBG1的光谱图。
图4C示出了应变相对于由图2A的传感器的光电二极管1测量的电压的改变的曲线图。
图4D示出了在各种输入功率下的应变相对于由图2A的传感器的光电二极管1测量的电压的曲线图。
图5A示出了与不同温度值相对应的图2A的传感器的CFBG2的光谱图。
图5B示出了温度相对于由图2A的传感器的光电二极管2测量的电压的变化的曲线图。
图6示出了温度相对于由图2A的传感器的光电二极管1和光电二极管2测量的电压的改变的曲线图。
图7A至图7C示出了说明根据多种技术的LED到单模(SM)光纤芯的光耦合的示意图。
图8A示出了LED光源的光谱和图3A的传感器的在不同应变值下的CFBG1的传输光谱的曲线图。
图8B示出了应变相对于由图3A的传感器的光电二极管1测量的电压的变化的曲线图。
图8C示出了温度的变化相对于由图3A的传感器的光电二极管2测量的电压的变化的曲线图。
图9示出了说明根据多种技术的与无线模块集成的感测系统的示意图。
图10示出了说明根据多种技术的用于在远程位置进行信号传输的无线方案的示意图。
具体实施方式
下面的详细描述参考附图，所述附图以说明的方式示出了可以实践本发明的具体细节和技术。充分详细地描述了这些技术，以使得本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他技术，并且可以做出结构、逻辑和电气的改变。多种技术不一定相互排斥，因为一些技术可以与一种或多种其他技术组合以形成新技术。
本文在方法或设备中的一种的上下文中描述的技术对于其他方法或设备类似地有效。类似地，在方法的上下文中描述的技术对于设备类似地有效，反之亦然。
在一种技术的上下文中描述的特征可以对应地适用于其他技术中的相同或类似的特征。即使没有在这些其他的技术中明确描述，在一种技术的上下文中描述的特征也可以对应地适用于其他技术。此外，在一种技术的上下文中针对一个特征所描述的添加和/或组合和/或替代可以对应地适用于其他技术中的相同或类似的特征。
在多种技术的上下文中，针对特征或元件使用的冠词“一”、“一个”和“所述”包括对所述特征或元件中的一个或多个的引用。
在多种技术的上下文中，短语“至少实质上”可以包括“精确地”和合理的变化。
在多种技术的上下文中，适用于数值的术语“大约”涵盖准确值和合理的方差。
如本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项中的一项或多项中的任意项和所有组合。
如本文中使用的，“A或B中的至少一项”的形式的短语可以包括：A；或B；或A和B两者。对应地，“A、B或C中的至少一项”或者包括另外的列出项的形式的短语可以包括相关列出项中的一项或多项中的任意项和所有组合。
本文所公开的多种技术可以使用光纤布拉格光栅(FBG)(例如，啁啾FBG(CFBG))来提供一个或多个(光)传感器或(光)传感器模块/设计。传感器可以是基于光强度的FBG解调系统。例如，在多种技术中，可以根据输出信号的强度的变化来解调信息。这可能意味着可以基于检测到的输出光信号的强度或其改变来获得与要测量的参数和/或其改变有关的信息(例如，幅度、电平、方向)。
不同的技术可以提供以下中的一项或多项：(i)用于同时的真实的正/负应变和温度的测量的波长偏移的啁啾光纤布拉格光栅(FBG)；(ii)用于温度补偿的应变测量的波长偏移的啁啾FBG；(iii)基于啁啾光纤布拉格光栅的无线应变和温度感测系统。
一些已知的FBG解调技术可以测量正应变和负应变两者，但是它们具有以下问题中的至少一项：分辨率差、测量范围窄或系统性能取决于诸如压电传感器/换能器的电气组件。而且，这些设计中的大多数都涉及复杂的实验设置。诸如用于解调的相同的FBG的设计很简单而且似乎很强健，但是它们使用了太多的光学组件并且只能测量正应变。在几乎所有的应用中，通常都需要在两个方向(正和负)上测量应变。多种技术的传感器设计都包括这种特征，此外，所述设计可以采用最少数量的光学组件(例如，图3A中呈现的传感器设计采用(唯一)一个CFBG对一个参数进行监测)。此外，多种技术的感测系统都可以具有补偿温度上升或下降的能力。多种技术可以满足实际应用所需的一个或多个要求，包括宽的测量范围、良好的分辨率以及正向和负向两者的应变测量。
多种技术可以提供波长偏移的啁啾FBG(CFBG)解调系统。它是一个基于光强度的FBG解调系统，它可以实现同时测量正/负应变和温度改变。这个系统简单、成本有效且紧凑，具有大约为1με的应变分辨率。大约5nm的啁啾带宽可以提供大约±4000με的应变测量范围。多种技术的传感器设计可能会消除对OSA的需求，并且使FBG更适合现场应用。
本文公开的多种技术的传感器设计中的一种可以采用两对波长偏移的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)。CFGB可以与超发光二极管(SLED)耦合。一对CFBG可以测量应变并且另一对可以测量温度。两对CFBG的光谱彼此分开(不重叠)以避免串扰。该设计可以实现测量正向和负向两者的应变以及温度。温度可以与应变同时测量。这种传感器设计也可以实现在正向和负向两者上测量真实的应变(与温度无关)。这种系统的应变响应率大约为750pW/με(例如，在2.5mW的输入功率下)，其高于任何已知的传感器设计。利用如此高的灵敏度可以实现1微应变分辨率(1με)。具有大约为0.3-0.4nW的灵敏度的光电二极管将能够提供小于1με的应变分辨率。通过增大CFBG的反射率和/或光源的功率，可以进一步提高分辨率。
本文公开的多种技术的第二种传感器设计可以采用可以与发光二极管(LED)耦合的两个宽带CFBG。CFBG中的一个可以测量应变并且另一个可以测量温度。这种设计可以实现测量正向和负向两者的应变以及温度。这种系统的应变响应率大约为1.5pW/με，导致大约为5-10με的应变测量分辨率。在这种设计中可以采用最少数量的光学组件。它仅使用(唯一)一个CFBG，用于对一个参数监测。
与已知的FBG解调设计相比，多种技术的CFBG解调设计可以提供以下中的一项或多项：
(1)多种技术的感测系统可能需要所有已知感测系统中最少数量的光/电组件。它使传感器模块简单、紧凑且强健。
(2)对于几乎所有已知的FBG解调设计，高成本已经成为最大的问题。如之前所述，在多种技术的感测系统中可以需要最少的光/电组件。而且，其中之一采用简单的LED作为光源。所有这些特征都可以将其成本降低到非常有竞争力的水平。
(3)多种技术的传感器都可以实现测量两个方向两者(正负)的应变/温度。应变和温度两者可以同时进行测量。还提供了一种用于温度补偿的装置，用于在多种技术的传感器设计中获得真实的应变。应变测量的范围可以高达±5000με。
(4)具有两对CFBG的多种技术的感测系统中的一种的应变测量分辨率可能小于大约1με，并且可以进行复用。另一种感测系统可以具有大约5-10με的应变测量分辨率，可以通过增加从LED输入的光或通过使用更高灵敏度的功率计/光电二极管将其进一步提高到大约1με。
图1A示出了根据多种技术的光传感器100的示意图。光传感器100可以用于感测至少一个参数。光传感器100包括：光源106，被配置为提供源光信号(由空心箭头114表示)和参考光谱轮廓；以及光栅装置101，光耦合到光源106以接收源光信号114，光栅装置101包括具有定义的光谱轮廓的啁啾光纤布拉格光栅(FBG)102，其中，定义的光谱轮廓与参考光谱轮廓的一部分重叠，其中，作为对与啁啾FBG 102相互作用的至少一个参数的第一改变的响应，从原始状态改变到将定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第一方向上偏移的第一状态，并且还被配置为，作为对定义的光谱轮廓在第一方向上偏移的响应，将源光信号114的第一部分作为与第一改变相对应的第一输出光信号(通过实心箭头115进行表示)进行发送，并且其中，啁啾FBG102被配置为，作为对与啁啾FBG 102相互作用的至少一个参数的第二改变的响应，从原始状态改变到将定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第二方向上偏移的第二状态，并且还被配置为，作为对定义的光谱轮廓在第二方向上偏移的响应，将源光信号114的第二部分作为与第二改变相对应的第二输出光信号(通过虚线箭头116进行表示)进行发送。
换言之，可以提供能够对一个或多个参数进行光学感测的光传感器100。光传感器100可以包括：光源(或光线源)106；以及光栅装置101，被布置成接收由光源106生成的源光信号(或源光线)114。光栅装置101可以包括具有定义的光谱轮廓的啁啾FBG(或CFBG)102。光源106可以提供或定义相关联的参考光谱轮廓。换言之，光源106的光谱轮廓可以充当参考光谱轮廓。以这种方式，光源106可以充当啁啾FBG 102的参考。定义的(在啁啾FBG 102的原始状态下的)光谱轮廓可以与参考光谱轮廓的(很小的)一部分重叠。
啁啾FBG可以是或可以包括用于感测至少一个参数的传感器光栅。啁啾FBG 102可以基于定义的光谱轮廓来反射和/或透射光。啁啾FBG 102可以接收源光信号114或其一部分。
作为对与啁啾FBG 102相互作用(或对其起作用)的至少一个参数的第一改变(例如，正的改变、或第一方向上的改变、或正(+)方向上的改变)的响应，啁啾FBG 102可以从原始状态(例如，初始状态)改变到用于将定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第一方向上偏移的第一状态。作为(作为至少一个参数的第一改变或啁啾FBG102改变到第一状态的结果的)对定义的频谱轮廓在第一方向上偏移的响应，啁啾FBG 102可以透射源光信号114的第一部分，所述第一部分是与第一改变相对应的第一输出光(光线)信号115。第一输出光信号115可以具有指示(或关于)第一改变的第一强度。
此外，作为对与啁啾FBG 102相互作用(或对其起作用)的所述至少一个参数的第二改变(例如，负的改变、或第二方向上的改变、或负(-)方向上的改变)的响应，啁啾FBG102可以从原始状态改变到用于将定义的光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第二方向(其可以是与第一方向不同的方向，例如，与第一方向相反的方向)上偏移的第二状态。作为(作为所述至少一个参数的第二改变或啁啾FBG 102改变到第二状态的结果的)对定义的频谱轮廓在第二方向上偏移的响应，啁啾FBG 102可以透射源光信号114的第二部分，所述第二部分是与第二改变相对应的第二输出光(光)信号116。第二输出光信号116可以具有指示(或关于)第二改变的第二强度。如所描述的，啁啾FBG 102可以在透射模式下操作。
在多种技术中，取决于啁啾FBG 102在原始状态下的定义的光谱轮廓与参考光谱轮廓之间的相对位置(即，参考光谱轮廓和啁啾FBG在原始状态下的定义的光谱轮廓可以如何相对彼此定位)、以及至少一个参数的改变的方向，第一输出光信号115和第二输出光信号116中的一个的强度可以比在啁啾FBG 102处于原始状态时的输出光信号的强度更高的强度，而第一输出光信号115和第二输出光信号116中的另一个可以具有比在啁啾FBG 102处于原始状态时的输出光信号的强度更低的强度。
可以提供或采用光电探测器装置(例如，具有一个或多个光电探测器)来接收第一输出光信号115和第二输出光信号116。
如所描述的，至少一个参数可以对啁啾FBG 102起作用，以将啁啾FBG 102从原始状态改变到另一状态，其中，在这种改变之后的FBG102中的结果可以与至少一个参数相关(例如，至少一个参数的值、或至少一个参数的值的改变)。
虽然定义的光谱轮廓可以进行偏移，但是参考光谱轮廓可以保持不变或固定。换言之，参考光谱轮廓自身不偏移。
在多种技术的上下文中，术语“啁啾光纤布拉格光栅”或“啁啾FBG”或“CFBG”可以指具有沿着光栅改变的光栅周期的光纤布拉格光栅，其中，光栅周期的变化可以被称为作为啁啾。该周期可以沿着光栅线性改变。
在将输入光提供给光纤布拉格光栅(FBG)的情况下，FBG对光或与光栅周期有关的特定波长(布拉格波长)的光部分进行反射，同时对其余波长的光进行透射。通过在光栅中设置啁啾，从而形成啁啾FBG，反射波长会随着光栅周期的改变而改变。因此，多个波长的光可以被啁啾FBG反射，从而相对于可以提供窄的或尖锐的反射光谱的非FBG加宽了反射光谱。
在多种技术的上下文中，术语“光谱轮廓”可以指光学轮廓、或光学响应、或光谱响应、或反射率或透射率相对于波长的变化。光谱轮廓可以包括透射光谱(transmissionspectrum)或反射光谱中的至少一种。
在多种技术的上下文中，关于啁啾FBG的“原始状态”可以表示该啁啾FBG在形式和尺寸上不受可以采用该啁啾FBG来感测的参数的改变影响时的状态。例如，由于与啁啾FBG相互作用的至少一个参数的改变，啁啾FBG可以处于未拉伸、扩展、收缩、压缩等状态。换言之，在原始状态下，啁啾FBG可以被制造或被安装在用于感测至少一个参数的目标位置处。在一些技术中，可以在安装到目标位置之前有意地修改所制造的啁啾FBG，例如，将其拉伸，并且可以将经修改的和经安装的啁啾FBG确定为原始状态。
在多种技术中，第一状态和第二状态中的一个可以是扩展或伸长状态，而第一状态和第二状态中的另一个可以是缩小或收缩或压缩状态。
在多种技术中，至少一个参数的第一改变和第二改变中的每一个可以相对于所述至少一个参数在啁啾FBG 102处于原始状态时的公共参考状态或公共参考点。第一改变和第二改变中的一个可以是相对于公共参考状态的正改变(或在正方向上的改变)，而第一改变和第二改变中的另一个可以是相对于公共参考状态负改变(或在负方向上的改变)。至少一个参数的第一改变和第二改变中的每一个可以包括与所述至少一个参数相关联的值或方向中的至少一个的改变。
在多种技术的上下文中，所述至少一个参数可以包括应变或温度中的至少一个。通过实现对应变进行测量，光传感器100也可以用于监测裂纹。
第一改变和第二改变中的一个可以是应变的正的改变(例如，拉伸应变可以对啁啾FBG 102起作用)，而第一改变和第二改变中的另一个可以是应变的负的改变(例如，压缩应变可以对啁啾FBG 102起作用)。在啁啾FBG 102上施加拉伸应变可以导致啁啾FBG 102的扩展或伸长，而在啁啾FBG 102上施加压缩应变可以导致啁啾FBG 102的收缩或缩小。
第一改变和第二改变中的一个可以是温度的升高，而第一改变和第二改变中的另一个可以是温度的降低。温度的升高可以导致啁啾FBG 102的扩展或伸长，而温度的降低可以导致啁啾FBG 102的收缩或缩小。
应当理解，第一改变或第二改变中的至少一个可以包括应变和温度两者的改变。
在多种技术中，在至少一个参数的第一改变之后，第一输出光信号115(或其相关联的强度)可以提供所述至少一个参数的(绝对)值的指示。在至少一个参数的第二改变之后，第二输出光信号116(或其相关联的强度)可以提供所述至少一个参数的(绝对)值的指示。
定义的光谱轮廓可以跨越参考光谱轮廓之中的或与其一部分相对应的波长范围。整个定义的光谱轮廓的波长范围可以小于整个参考光谱轮廓的波长范围。
在多种技术中，参考光谱轮廓的一部分可以在参考光谱轮廓的波峰和波谷之间。波峰可以与参考光谱曲线的最大点/值相对应。波谷可以与参考光谱轮廓的最小点/值相对应。
在多种技术中，参考光谱轮廓的一部分可以是参考光谱轮廓的大约一半。
光传感器100还可包括：光电探测器(例如，光电二极管)，被配置为接收第一输出光信号115和第二输出光信号116。光电探测器可以光耦合到光栅装置101，例如，光耦合到啁啾FBG 102。光电探测器可以将第一输出光信号115和第二输出光信号116分别转换为第一输出电信号和第二输出电信号。
光栅装置101还可以包括具有定义的第二光谱轮廓的第二啁啾FBG。(在第二啁啾FBG的原始状态下的)定义的第二光谱轮廓可以与参考光谱轮廓的(很小的)一部分重叠。光源106可以充当第二啁啾FBG的参考。
作为对与第二啁啾FBG相互作用(或对其起作用)的参数的第三改变(例如，正的改变、或第三方向上的改变、或正(+)方向上的改变)的响应，第二啁啾FBG 102可以从原始状态(例如，初始状态)改变到用于将定义的第二光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第三方向上偏移的第三状态。作为对所述定义的第二光谱轮廓在第三方向上偏移的响应，第二啁啾FBG可以将源光信号114的第三部分作为与第三改变相对应的第三输出光(光线)信号进行发送。第三输出光信号可以具有指示第三改变(或与第三改变有关)的第三强度。
作为对与第二啁啾FBG相互作用(或对其起作用)的所述参数的第四改变(例如，负的改变、或第四方向上的改变、或负(-)方向上的改变)的响应，第二啁啾FBG 102可以从原始状态改变到用于将定义的第二光谱轮廓相对于参考光谱轮廓在第四方向(其可以是与第三方向不同的方向，例如，与第三方向相反的方向)上偏移的第四状态。作为对所述定义的第二光谱轮廓在第四方向上偏移的响应，第二啁啾FBG可以将源光信号114的第四部分作为与第四改变相对应的第四输出光(光)信号进行发送。第四输出光信号可以具有指示第四改变(或与第四改变有关)的第四强度。如所描述的，第二啁啾FBG可以在透射模式下操作。
虽然定义的光谱轮廓和定义的第二光谱轮廓可以进行偏移，但是参考光谱轮廓可以保持不变或固定。换言之，参考光谱轮廓自身不偏移。
定义的光谱轮廓和定义的第二光谱轮廓可以彼此相同。这可能意味着啁啾FBG102和第二啁啾FBG可以彼此相同。
定义的光谱轮廓和定义的第二光谱轮廓可以与参考光谱轮廓重叠或占据参考光谱轮廓的相同部分。备选地，定义的光谱轮廓和定义的第二光谱轮廓可以与参考光谱轮廓在参考光谱轮廓的波峰(或波谷)的相对侧上的相应部分重叠。
定义的第二光谱轮廓可以与参考光谱轮廓的可以小于参考光谱轮廓与定义的光谱轮廓重叠的部分和/或其之内的部分重叠，反之亦然。
应当理解，在参考光谱轮廓与定义的光谱轮廓重叠的部分的上下文中的描述可以对应地适用于参考光谱轮廓与定义的第二光谱轮廓重叠的部分。
在多种技术中，啁啾FBG 102可以被配置为，被耦合或结合到目标点、目标对象、目标位置或目标地点，而第二啁啾FBG可以适于被定位为邻近或接近在目标位置处的啁啾FBG102(例如，无约束或未接合)。啁啾FBG 102可以用来测量应变，而第二啁啾FBG可以用来测量温度。啁啾FBG 102还可以测量温度。
光传感器100还可以包括：第二光电探测器(例如，光电二极管)，被配置为接收第三输出光信号和第四输出光信号。第二光电探测器可以光耦合到第二啁啾FBG。第二光电探测器可以将第三输出光信号和第四输出光信号分别转换为第三输出电信号和第四输出电信号。
在多种技术的上下文中，光源106可以是或可以包括发光二极管(LED)。
光传感器100还可以包括：至少一个光纤耦合器，被布置为将光源106光耦合到光栅装置101。光纤耦合器可以被布置为将光源106光耦合到啁啾FBG 102和第二啁啾FBG。
光传感器100还可以包括无线模块。无线模块可以实现与光传感器100的无线通信，例如，经由无线模式或信道来发送光传感器100的一个或多个信号(包括基于所描述的输出光信号中的任意一个的任意信号)。因此，光传感器100可以是无线光传感器。
光传感器100还可以包括处理器。
在多种技术中，可以在光传感器100的内部或外部提供一个或多个电组件，例如，处理器或信号转换器，以处理光传感器100的一个或多个信号。
在多种技术的上下文中，啁啾FBG中的任意一个或每个啁啾FBG都可以是宽带啁啾FBG。
在多种技术的上下文中，啁啾FBG中的任意一个或每个啁啾FBG都可以被布置为，使其光栅周期在从(光可以进入啁啾FBG或者被啁啾FBG反射的光可以出射的)啁啾FBG的输入侧到(通过啁啾FBG进行发送的光可以出射的)啁啾FBG的输出侧的方向上增大。然而，光栅周期的改变可以相反，即，光栅周期可以在从啁啾FBG的输入侧到输出侧的方向上减小。
光传感器100可以用于(真实的)应变和温度测量。两个参数的测量可以同时进行。
如上所述，光传感器100可以实现在两个方向(例如，正方向和负方向)上测量应变。在大多数机械和土木结构监测应用中可能需要这样的特征。
图1B示出了根据多种技术的传感器装置120的示意图。传感器装置120包括多个光传感器100a、100b、100c，其中至少一个光传感器100a、100b、100c可以是如本文(包括例如在光传感器100(图1A)的上下文中)所述的光传感器。
在多种技术中，至少一个光传感器100a、100b、100c可以是如本文所述的具有无线模块的光传感器，并且传感器装置120还可以包括被配置为与无线模块通信的无线通信单元122。无线通信单元122还可以经由互联网与一个或多个设备通信。无线通信单元122可以是或可以包括无线接收单元。
在多种技术中，每个光传感器100a、100b、100c可以是如本文(包括例如在光传感器100(图1A)的上下文中)所述的光传感器。
尽管在图1B中示出并对应地描述了三个光传感器100a、100b、100c，但是应当理解，可以提供两个或更多个任意数量的光传感器。换言之，在多种技术中，传感器装置可以包括至少两个光传感器。
图1C示出了说明根据多种技术的用于使用光传感器对至少一个参数进行感测的方法的流程图130。光传感器可以与本文(包括例如在光传感器100(图1A)的上下文中)所述的一样。
在132处，作为对至少一个参数的第一改变的响应，基于第一输出光信号确定第一改变。
在134处，作为对至少一个参数的第二改变的响应，基于第二输出光信号确定第二改变。
应当理解，在光传感器100的上下文中的描述关于在流程图130的上下文中描述的用于进行感测的方法可以对应地可适用。
图2A示出了根据多种技术的说明传感器设计1的(光)传感器200的示意图。传感器200包括两对啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，例如，波长偏移的CFBG。第一对包括第一光栅(CFBG1)202a和第二光栅(CFBG1’)202b，而第二对包括第一光栅(CFBG2)204a和第二光栅(CFBG2’)204b。CFBG 202a、202b、204a、204b各自的反射率可以在大约80％和大约85％之间。CFBG1 202a和CFBG2 204a可以在反射模式下操作，并且可以用作传感器200的感测臂或可以被设置其中。CFBG1’202b和CFBG2’204b可以在透射模式下操作，并且可以用作传感器200的解调臂或可以被设置在其中。CFBG1’202b和CFBG2’204b可以分别充当CFBG1 202a和CFBG2 204a的波长滤波器。
CFBG1 202a和CFBG1’202b的传输光谱在图2B中示出，其中曲线图250示出与CFBG1202a相对应的光谱252和与CFBG1’202b相对应的光谱254。此外，CFBG2 204a和CFBG2’204b的传输光谱在图2C中示出，其中曲线图260示出与CFBG2 204a相对应的光谱262和与CFBG2’204b相对应的光谱264。如可以观察到的，CFBG 202a、202b、204a、204b的带宽大约为10nm。然而，应当理解，CFBG 202a、202b、204a、204b中的任意一个的带宽可以在大约5nm和大约10nm之间，以适应与各种应用有关的应变测量范围。
从图2B可以观察到，CFBG1 202a和CFBG1’202b不同，并且它们的光谱252、254相对于彼此偏移了大约1.7nm。类似地，从图2C可以观察到CFBG2 204a和CFBG2’204b不同，并且它们的光谱262、264相对于彼此偏移了大约0.4nm。优选地，每对CFBG之间的光谱偏移可以是CFBG的带宽的一半(例如，基于观察到的带宽为大约5nm)。尽管可以获得大约5nm的这种光谱偏移，但是由于不能获得适当的相位掩模，制造过程可能会遇到挑战。此外，可以观察到两对CFBG位于光谱的完全不同(即，不重叠)的部分，其中第一对CFBG1 202a和CFBG1′202b在大约835nm-845nm的范围内，而第二对CFBG2 204a和CFBG2′204b在大约855nm-865nm的范围内。
回去参考图2A，可以在传感器200中使用SLED(超发光二极管)光源206来提供源光信号。SLED光源206的功率可以是可变的。SLED光源206的光谱在图2D中示出。可以在传感器200中使用两个光纤耦合器，例如，2×2(例如，50∶50)耦合器210(“耦合器1”)和1×2(例如，50∶50)耦合器212(“耦合器2”)。可以分别由第一光电探测器(例如，“光电二极管1”208)和第二光电探测器(例如，“光电二极管2”209)来测量或检测从CFBG1′202b和CFBG2′204b输出或发送的光信号或光强度。
可以通过将CFBG1 202a接合到目标点，将第一对(即，CFBG1202a和CFBG1’202b)用于两个方向(拉伸和压缩)的应变测量。可以通过保持CFBG2 204a无约束但接近CFBG1 202a来测量在(相同)目标点处的温度或其任意改变，将第二对(即，CFBG2 204a和CFBG2′204b)用于测量温度或其改变，并且可以不受作用于目标点的应变的任何影响。
来自SLED 206的光可以经由耦合器210发送给CFBG1 202a和CFBG2 204a。来自SLED 206的光最初可以被耦合到光纤中，该光纤可以通向耦合器210。由CFBG1 202a反射的光可以经由耦合器210提供给耦合器212，在耦合器212中可以将反射光分成两部分，这两部分分别通过两个解调臂来传播到CFBG1’202b和CFBG2’204b中并且通过它们。由CFBG2 204a反射的光可以以类似的方式到达CFBG1’202b和CFBG2’204b。
由于CFBG1 202a的光谱(252，图2B)不接近或远离CFBG2’204b的光谱(264，图2C)，因此由CFBG1 202a反射的光不被阻挡地穿过CFBG2’204b。以这种方式，如果将诸如应变之类的力施加到CFBG1 202a，则在光电二极管2 209处接收到的光强度根本不改变。另一方面，当由CFBG1 202a反射的光穿过CFBG1’202b时，在很大程度上被阻挡。只有CFBG1 202a的光谱252的不重叠区域256穿过CFBG1′202b并且到达光电二极管1 208。在CFBG1 202a上施加拉伸(正)应变时，CFBG1 202a的光谱252向右偏移，因此，不重叠区域256增大。这导致由光电二极管1 208测量的电压增大。相反，当在CFBG1 202a上施加压缩(负)应变时，CFBG1202a的光谱252向左偏移，导致不重叠区域256的减小。因此，这必然导致由光电二极管1208测量的电压减小。
尽管可以通过两对CFBG(202a和202b、204a和204b)来感测温度的变化，但是在多种技术中，可以只将第二对CFBG2 204a和CFBG2′204b用于目标点处的温度测量。CFBG2’204b用作由CFBG2204a反射的光的波长滤波器。只有CFBG2 204a的光谱262的不重叠区域266穿过CFBG2′204b并到达光电二极管2 209。温度的上升或下降分别使CFBG2 204a的光谱262左右移动，从而导致不重叠区域266的增大或减小。因此，由光电二极管2 209测量的电压分别增大或减小。因为CFBG1’202b的光谱254远离CFBG2 204a的光谱262，所以由光电二极管1 208测量的电压保持不变。
由于温度或其改变也会使CFBG1 202a的光谱252偏移，因此可以在光电二极管1208处获得应变和温度的组合结果。可以对由于温度变化而引起的光电二极管1 208和光电二极管2 209两者的电压的改变进行相关，然后可以相应地从在光电二极管1 208处测量的组合值减去或加上温度值，以获得真实的应变值。因此，传感器设计200可以同时提供真实的应变(拉伸或压缩)和温度。可以通过增大CFBG1202a和CFBG1’202b的光谱252、254之间的默认失配(或中心波长之间的间隔)来增大应变测量的范围。可以通过增大CFBG2 204a和CFBG2’204b的光谱262、264之间的默认失配来增大温度测量的范围。
图3A示出了根据多种技术的说明传感器设计2的(光)传感器300的示意图。传感器300包括两个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，例如，第一光栅(CFBG1)302和第二光栅(CFBG2)304。CFBG1 302和CFBG2 304可以是两个类似的宽带CFBG。CFBG1 302和CFBG2 304各自的反射率可以在大约80％和大约85％之间。CFBG1 302和CFBG2 304可以在透射模式下操作。
可以在传感器300中使用LED(发光二极管)光源306。LED光源306的光谱350在图3B中示出。可以采用光纤耦合器，例如1×2(例如，50∶50)光纤耦合器310，将来自LED 306的光(或源光信号)分到CFBG1 302和CFBG2 304。CFBG1 302和CFBG2 304可以充当来自LED 306的光的波长滤波器。
在多种技术中，CFBG 302、304的带宽可以保持在LED光谱350的大约一半，例如，从起点到峰值(例如，大约820-857nm)(由双向箭头352指示的区域)、或从波峰到LED光谱350的终点(例如，大约857-890nm)(由双向箭头354指示的区域)。换言之，CFBG 302、304可以阻挡LED光谱350的前半部分(例如，820-857nm)352或后半部分(例如，857-890nm)354。作为非限制性示例，CFBG 302、304的光谱可以阻挡LED光谱350的后半部分(857-890nm)354。换言之，大约857-890nm的区域354中的光信号或光线可能不会通过CFBG1 302和CFBG2 304中的每一个进行发送。应当理解，CFBG 302、304的带宽可以被维持在LED光谱350的小于LED光谱350的一半的部分处。
从CFBG1 302和CFBG2 304发出的输出光信号或光强度可以分别由第一光电探测器(例如，“光电二极管1”308)和第二光电探测器(例如，“光电二极管2”309)测量。
对于传感器300，可以通过将CFBG1 302接合到目标点，将CFBG1 302用于两个方向(拉伸和压缩)上的应变测量。可以通过使CFBG2 304无约束但接近CFBG1 302，将CFBG2 304用于测量(相同)目标点的温度或其变化。
耦合器310可以将LED光分到CFBG1 302和CFBG2 304，并且可以分别通过CFBG1302和CFBG2 304到达光电二极管1 308和光电二极管2 309。使用上述示例，CFBG1 302和CFBG2 304可以阻挡LED光谱350的后半部分(857-890nm)354，而前半部分(820-857nm)352可以到达光电二极管308、309。如果向CFBG1 302施加拉伸(正)应变，则CFBG1 302的光谱向右偏移，向光电二极管1 308释放更多的光。如果向CFBG1 302施加压缩(负)应变，则CFBG1302的光谱向左偏移，阻挡更多的光到达光电二极管1 308。因此，由光电二极管1 308测量的光的强度对于拉伸(正)应变增大，而对于压缩(负)应变减小。
尽管可以通过两个CFBG 302、304来感测温度的改变，但是在多种技术中，可以只将CFBG2 304用于目标点处的温度测量。温度的升高或降低使CFBG2 304的光谱向右或向左移动，分别导致由光电二极管2 309测量的光强度的增大或减小。
对于两个传感器200、300两者，由于温度或其改变使CFBG 202、202a、204a、204b、302、304的光谱偏移，因此可以在光电二极管1 208、308上获得应变和温度的组合结果，而光电二极管2 209、309测量的电压纯粹由于温度变化而改变。可以为从光电二极管1 208、308获得的电压补偿由于温度变化而引起的(从光电二极管2 209、309测量的)电压改变，以获得真实的应变值。因此，传感器设计200、300可以能够同时测量真实的应变(拉伸/压缩)和温度变化。
现在将通过以下非限制性示例并且参考图4A至图8C来描述两个传感器200、300的结果。
图4A示出了用于应变测量的悬臂设置470的示意图。使用传感器200(图2A)作为说明性示例，并且因为可以如上所述地使用第一对CFBG(CFBG1 202a和CFBG1′202b，图2A)来测量应变，所以CFBG1 202a可以如图4A所示地被紧密固定或粘合到悬臂(例如，铝悬臂)472的固定端474a。悬臂472的长度、宽度和厚度分别是大约280mm、19mm和3.3mm。来自SLED光源206的功率可以保持在大约2.5mW。
如图4A所示，悬臂472可以在其无约束端474b处加载(例如，使用质量或负载476)。当CFBG1 202a被定位在悬臂472的顶侧时，它经历拉伸(正)应变(或伸长应变)。此外，悬臂472可以上下翻转并以相同的方式再次加载，此时，位于悬臂472的底侧的CFBG1 202a经受压缩(负)应变。
与施加拉伸(正)或压缩(负)应变相对应，由CFBG1 202a反射的光的光谱向左或向右移动或偏移，从而导致不重叠区域的增大或减小(如上文针对光谱252、254所述，图2B)。在图4B中示出与不同的应变值相对应的通过CFBG1’202b之后的CFBG1 202a的光谱。在这个过程中始终可以连续地监测由光电二极管1 208测量的电压。绘制CFBG1 202a经历的正应变和负应变相对于由光电二极管1 208测量的电压的变化的曲线，结果如图4C所示。从图4C可以观察到，电压的变化与所施加的应变(或其改变)可以是线性相关的。因此，通过查看光电二极管1 208的响应的变化(由电压表示)，可以确定应变值。
可以通过增加所采用的CFBG的反射率和/或输入功率(例如，来自SLED光源206的功率)来提高多种技术的传感器的应变分辨率。在图4D中示出了在来自SLED 206的不同输入功率下的应变与(由光电二极管1 208测量的)电压之间的关系的结果。当输入功率从大约1mW增加到大约3mW时，应变分辨率提高大约2.7倍。随后，如果输入功率增加到大约5mW，则分辨率将提高大约4.3倍。因此，可以通过改变输入功率将包括传感器200在内的多种技术的传感器的应变分辨率调整到期望的水平。如在图4D中可以观察到的，在应变轴上的交点相对于零的轻微偏离可能是由于多次加载和卸载导致悬臂472中的小的残余应变而引起的。
对于传感器200(图2A)，两对CFBG(202a和202b、204a和204b)在温度的上升或下降时可以表现得类似或完全相同，因为CFBG1 202a和CFBG2 204a可以彼此接近地放置。然而，可以只将第二对CFBG2 204a和CFBG2’204b用于温度测量。这是因为通过使CFBG2 204a无约束，而可以使CFBG2 204a和CFBG2’204b不受应变效应影响。以这种方式，通过CFBG2’204b透射的光的强度可以提供真实温度值的指示。
作为说明性示例，CFBG1 202a和CFBG2 204a可以彼此接近地放置在烤箱中，以模拟真实情况。当烤箱开启并且温度从室温(大约25℃)开始升高时，CFBG1 202a和CFBG2204a两者的光谱都向右偏移。在这种情况下，由光电二极管1 208和光电二极管2 209测量的电压都增大。此外，可以通过将CFBG1 202a和CFBG2 204a放入容纳热水和冷水的混合物的水浴中，将温度降低至室温以下至大约10℃。在降低温度时，CFBG1 202a和CFBG2 204a两者的光谱都向左偏移。在这种情况下，由光电二极管1 208和光电二极管2 209两者测量的电压减小。
在通过CFBG2’204b并到达光电二极管2 209之后的与不同温度值相对应的CFBG2204a的光谱如图5A所示。在图5B中针对温度值和由光电二极管2 209测量的电压的变化做图。可以观察到，电压的变化可以与温度(或其改变)线性相关。因此，通过查看光电二极管2209的响应(由电压表示)的改变，可以确定温度值。此外，在图6中示出了温度值和由光电二极管1 208和光电二极管2 209两者测量的电压的改变。从图6的曲线650可以观察到，针对温度改变的CFBG1202a的响应(结果652)和CFBG2 204a的响应(结果654)至少实质上是线性的。
在应变和温度两者都可以变化的情况下，光电二极管1 208提供组合响应，而光电二极管2 209仅提供温度值。在图6中，光电二极管2 209中的(由于温度而引起的)电压改变可以与光电二极管1 208中的(由于应变和温度而引起的)电压改变相关。可以将由光电二极管2 209测量的电压相应地减去或加上由光电二极管1 208测量的电压，以抵消温度改变的影响，从而获得真实的应变值。因此，第二对CFBG2 204a和CFBG2’204b可以测量温度，并且可以用作成对的CFBG1 202a和CFBG1’202b的温度补偿器。
对于啁啾FBG感测模块200的应用，解调臂(请参见图2A)上的温度变化可能存在具有挑战性的问题，例如，解调臂处的温度变化可能干扰CFBG感测模块200的正常运行。为了解决这个问题，优选地，解调臂可以远离监测的实际位置(放置感测臂的位置)。附加地或备选地，为了解决上述问题，可以以使得解调臂与其周围环境热隔离的方式来封装解调臂。
现在参考传感器300(图3A)，该设计可以使FBG感测/解调系统能够被制作得更小、紧凑、强健、成本有效并且对消费者友好，这可以提高FBG传感器在市场上的可接受性。FBG可能需要使用SLED光源，它比容易获得的低功率LED成本更高、更重且更耗电。然而，将来自LED的光耦合到单模光纤的纤芯(例如，具有大约4.4μm的纤芯直径)可能是具有挑战性的。从LED发出的光具有很高的发散度；因此，耦合效率很差。
在多种技术中，可以如图7A至7C示意性地示出地准备LED到光纤芯的耦合设置。图7A示出了LED-光纤对准布置。可以将单模光纤(例如，780HP)772夹在两个丙烯酸酯块(例如，块1 774a和块2774b)之间。可以沿着块1 774a的长度刻出半毫米的凹槽(未示出)，以容纳被粘合到该凹槽的光纤772。块2 774b可被粘合到块1 774a的底侧，因此，光纤772可被夹在两个块774a、774b之间。将光纤772容纳在凹槽中的经堆叠的丙烯酸酯块774a、774b可以被放置在千分尺定位台上，其可以沿着X轴和Y轴移动。光纤772可以例如通向耦合器310(图3A)。
可以将LED 706粘合到不同的丙烯酸酯板776，然后可以将整个板776放置在仅可以沿Z轴移动的不同的千分尺定位台上。通过使光纤770和LED 706在X、Y和Z方向或轴中的任意一个或多个上移动，可以使光纤772和LED 706对准以将最多的LED光发射到光纤芯中。
当光纤772和LED 706至少实质上最佳地或完美地对准时，两个锁定桥(例如，丙烯酸酯块)778a、778b可以被粘合，使得它们将LED板776和光纤块774a、774b固定在一起，如图7B所示，示出了在将LED 706和光纤772对准以从LED 706接收最大功率之后锁定方法的透视侧视图。因此，整个耦合系统可以被牢固地锁定，并且可以没有可能的相对运动。然后可以从定位台上取下这个被锁定的耦合系统。图7C示出了在完全对准的位置上将LED 706和光纤772锁定在一起之后的鸟瞰图。
在图8A中示出了CFBG1 302(图3A)的传输光谱856以及LED光谱852。CFBG2 304的传输光谱类似于CFBG1 302。优选地，CFBG302、304的带宽覆盖LED光谱856的后半部分(例如，大约857-890nm)，以用于最大灵敏度。然而，由于不可能获得这样的CFBG，作为非限制性示例，可以使用更低带宽(例如，855-865nm)的CFBG。除了感测系统的灵敏度可能比采用具有857-890nm的带宽的CFBG的系统低一些之外，这些CFBG以类似的方式工作。
可以将拉伸应变和压缩应变施加到CFBG1 302上，其与不同的应变相对应的传输光谱如图8A所示，其中的光谱854与400με的拉伸(正)应变相对应，而光谱858与400με的压缩(负)应变相对应。因为CFBG1302的带宽有限，在传输光谱854、856、858的大约870nm处出现了不希望有的小波峰。
如图8A所示，正应变将CFBG1 302的光谱856向右偏移至光谱854，这导致进入光电二极管1 308的光的数量增加，而负应变将CFBG1 302的光谱856向左偏移至光谱858，这导致进入光电二极管1 308的光的数量减少。因此，由光电二极管1 308测量的电压在施加正应变或负应变时增大或减小。在图8B中示出了应变值和由光电二极管1 308测量的电压的改变。可以观察到，光电二极管1 308对不同应变值(或其改变)的响应至少实质上是线性的。因此，通过检查光电二极管1(由电压表示)的响应的变化，可以确定应变值。然而，在大约870nm处存在小波峰可能不利地影响该感测系统的灵敏度。因此，优选地，可以使用具有足够带宽(例如，857-890nm)的CFBG来获得传感器300的最大灵敏度。
在感测系统300中，CFBG2 304可以用于温度测量。CFBG2 304的传输光谱可以类似于CFBG1 302的传输光谱。温度的升高或降低可能会使CFBG2 302的传输光谱向右或向左偏移，从而导致进入光电二极管2 309的光的数量增加或减小。在图8C中示出了由温度的改变和光电二极管2 309测量的电压的改变。可以观察到，光电二极管2 309对温度的改变的响应至少实质上是线性的。
在多种技术中，对于传感器200、300，当应变和温度二者都可以变化时，光电二极管1 208、308提供了组合响应；而由光电二极管2209、309测量的电压纯粹是由于温度变化而改变。根据图5B和8C，可以将来自光电二极管2 209、309的由于温度的改变而引起的电压改变补偿到分别从传感器200、300的光电二极管1 208、308获得的电压，以获得真实的应变测量。因此，传感器设计200、300可以同时提供真实的应变(拉伸/压缩)和温度变化。
由于高功率SLED光源206可以用在传感器200中，因此其应变响应率可以大于传感器300的应变响应率。从高功率SLED 206耦合到光纤的纤芯中的光线可以足够高，以向并行连接的多个传感器提供输入信号，可以完成复用。然而，在传感器200中使用低功率LED作为光源可能具有挑战性，因为这可能导致很差的应变灵敏度，因为在传感器200中可以使用两个光纤耦合器210、212。在传感器设计200中，来自CFBG1 202a和CFBG2 204a的一部分反射光分别进入光电二极管1 208和光电二极管2 209，而其余的光被CFBG1’202b和CFBG2’204b反射。因此，在这种情况下，在SLED源206发生随机变化的情况下，由光电二极管208、209生成的信号可能会更稳定。
另一方面，传感器300中可以使用一个耦合器310，因此，低功率LED 306的使用可以允许传感器300的合理的应变响应率(导致约5-10με的应变分辨率)。对传感器300执行复用可能具有挑战性。然而，可以通过使用高度灵敏的功率计/光电二极管和/或通过提高从LED 206到光纤芯的耦合效率来提高传感器300的响应率(例如，参考图7A至图7C以及对应的描述)。与传感器设计200相比，使用LED而不是SLED光源使得传感器设计300更便宜、功耗更小并且更紧凑。传感器300可以作为独立单元工作并且可以依靠电池运行。
多种技术可以提供FBG传感器或感测系统与无线模块的集成。图9示出了说明根据多种技术的与无线模块集成的感测系统990的示意图。传感器或感测系统900a和/或900b的响应可以通过光电二极管(例如，208、209，图2A；308、309，图3A)从光信号转换为电信号。传感器设计1 900a可以与在传感器200(图2A)的上下文中所描述的一样。传感器设计2 900b可以与在传感器300(图3A)的上下文中所描述的一样。应当理解，可以在系统990中提供传感器设计1 900a或传感器设计2 900b或两者。
来自光电二极管的输出可以例如经由如图9所示的无线系统被馈送到无线模块。可以通过模数转换器(ADC)991(例如，16位高精度ADC)将来自光电二极管的模拟信号转换为数字信号。ADC 991可以与微处理器992接口连接，并且数字信号值可以通过ADC 991馈入微处理器992。微处理器992可以处理信号值并将其转换为数据分组。数据分组可以包括前导和数据载荷或由其组成。前导可以包括发送者信息、接收者信息和要发送的字节数或由其组成，并且数据载荷可以包括数字形式的传感器值或由其组成。在创建数据分组之后，可以经由无线发送器993将其无线发送给接收器节点，例如，无线接收器994。接收器节点994可以连接到可以运行图形用户界面(GUI)软件的计算机或数据采集系统(DAQ)995。GUI软件可以提供传感器数据的实时可视化和分析。
在过去的20-30年中，FBG已引起了广泛的研究关注。它们已被实现为应变、温度和压力传感器，用于不同的土木、机械和航空航天结构的健康监测。尽管如此，传感器市场对FBG的实施仍持怀疑态度。这种态度的原因仅仅是FBG解调系统(即光谱分析仪(OSA))的成本和体积。虽然已减小了系统的尺寸，但是成本仍然很高，并且尺寸不够紧凑且不足以用于现场应用。
多种技术的传感器或感测系统消除了对OSA的需求。多种技术可以使用简单的LED作为光源。总之，这种设计可大大降低成本和尺寸，因为它们不需要OSA或任何昂贵的光源。多种技术都不需要庞大的组件，从而使传感器紧凑和轻便。与许多其他已知的传感器设计不同，多种技术的设计可以实现同时测量两个方向的应变和温度。
多种技术的感测系统可以与无线通信设置(例如，wifi方案)集成。光电二极管响应可以无线发送。因此，这可以允许为系统布置Wi-Fi以用于远程感测目的。如图10所示，可以在不同位置提供或安装若干个传感器或感测单元1000a、1000b、1000c，并且可以将每个传感器模块1000a、1000b、1000c的响应发送给中央接收单元1091，其随后可以经由互联网1092将信号传递到一个或多个接收节点或最终接收方(例如，用户)1093。因此，可以在世界上的任何地方接收来自不同传感器模块1000a、1000b、1000c的信号。应当理解，可以提供任意数量的传感器模块，包括少于三个传感器模块或多于三个传感器模块。此外，应当理解，各个模块(例如，1000a、1000b、1000c)可以是如在传感器200(图2A)或传感器300(图3A)的上下文中所描述的传感器。
可以完成如本文所描述的传感器(或传感器模块)，并且整个制造和组装过程可以是自动化的。这可以使制造商扩大生产规模，从而进一步降低单位成本。多种技术的传感器或感测系统可能适用于以下应用，包括但不限于：
(1)能源产业：能源产业中的不同单元的应变/温度监测需要远程感测能力。多种技术可能适用于此目的，因为传感器可以与无线设置集成在一起。目标应用领域可能包括浮动风力涡轮机的叶片、发电机、变压器等。
(2)运输产业：重型车辆的不同部分的应变监测是很重要的。铁路高架接触线、铁路受电弓、铁路轨道、起重机的某些部件等可能需要用于进行监测的电磁绝缘的感测系统。多种技术的感测系统可以独立于任何电磁干扰，并且可以能够以高精度来执行这些部件的结构健康监测。
(3)航空航天产业：通过监测飞机的各个部件的应变来监测每架飞机。机翼、机身等是一些重要的部件。在这种情况下，传感器必须具有嵌入件的质量。可以在飞机部件自身的制造期间嵌入多种技术的光纤传感器，而不影响其结构完整性。
(4)土木结构：为了避免诸如高层建筑、桥梁、高架公路等土木结构的灾难性故障，使用不同结构的健康监测技术。通常，对结构的关键点处的应变进行监测。多种技术的传感器可以提供对已知传感器的更好的替代。此外，无线通信可以使整个监测过程变得用户友好。
(5)油气产业：油气产业在如何监测其管道和海上平台方面正面临着挑战。由于多种技术的感测系统可以与无线能力集成在一起，因此可以为上述问题提供简单的解决方案。
如上所述，多种技术可以提供波长偏移的CFBG解调系统。传感器或感测模块的应变分辨率可以高达1με。应变测量范围可以高达±7000με甚至更大。总之，它可以提供一种成本有效、紧凑和高分辨率的感测模块。此外，该传感器可以实现同时测量正/负应变和温度。多种技术的基于光强度的CFBG解调系统消除了对光谱分析仪的需求。来自光电二极管的响应可以无线传送。因为其简单且紧凑的设计，可以将传感器模块安装在若干个位置以形成传感器网络，并且每个传感器模块的响应都可以发送给中央接收单元进行分析。
尽管已经参考特定的技术具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求书指示，并且因此意在包含落入权利要求书的等同含义和范围内的所有改变。

Claims (11)

1.一种用于感测至少一个参数的光传感器，包括：
光源，被配置为提供源光信号和参考光谱轮廓；以及
光栅装置，光耦合到所述光源以接收所述源光信号，所述光栅装置包括具有定义的光谱轮廓的啁啾光纤布拉格光栅FBG，其中，所述定义的光谱轮廓与所述参考光谱轮廓的部分重叠，
其中，所述啁啾FBG被配置为，作为对与所述啁啾FBG相互作用的至少一个参数的第一改变的响应，从原始状态改变到第一状态以将所述定义的光谱轮廓相对于所述参考光谱轮廓在第一方向上偏移，并且还被配置为，作为对所述定义的光谱轮廓在所述第一方向上偏移的响应，将所述源光信号的第一部分作为与所述第一改变相对应的第一输出光信号进行发送，并且
其中，所述啁啾FBG被配置为，作为对与所述啁啾FBG相互作用的所述至少一个参数的第二改变的响应，从所述原始状态改变到第二状态以将所述定义的光谱轮廓相对于所述参考光谱轮廓在第二方向上偏移，并且还被配置为，作为对所述定义的光谱轮廓在所述第二方向上偏移的响应，将所述源光信号的第二部分作为与所述第二改变相对应的第二输出光信号进行发送。
2.根据权利要求1所述的光传感器，还包括：光电探测器，被配置为接收所述第一输出光信号和所述第二输出光信号。
3.根据权利要求1或2所述的光传感器，其中，所述光栅装置还包括：具有定义的第二光谱轮廓的第二啁啾FBG，其中，所述定义的第二光谱轮廓与所述参考光谱轮廓的部分重叠，
其中，所述第二啁啾FBG被配置为，作为对与所述第二啁啾FBG相互作用的参数的第三改变的响应，从原始状态改变到第三状态以将所述定义的第二光谱轮廓相对于所述参考光谱轮廓在第三方向上偏移，并且还被配置为，作为对所述定义的第二光谱轮廓在所述第三方向上偏移的响应，将所述源光信号的第三部分作为与所述第三改变相对应的第三输出光信号进行发送，并且
其中，所述第二啁啾FBG被配置为，作为对与所述第二啁啾FBG相互作用的所述参数的第四改变的响应，从原始状态改变到第四状态以将所述定义的第二光谱轮廓相对于所述参考光谱轮廓在第四方向上偏移，并且还被配置为，作为对所述定义的第二光谱轮廓在所述第四方向上偏移的响应，将所述源光信号的第四部分作为与所述第四改变相对应的第四输出光信号进行发送。
4.根据权利要求3所述的光传感器，还包括：第二光电探测器，被配置为接收所述第三输出光信号和所述第四输出光信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光传感器，其中，所述光源包括发光二极管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光传感器，还包括：至少一个光纤耦合器，被布置成将所述光源光耦合到所述光栅装置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光传感器，还包括无线模块。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光传感器，还包括处理器。
9.一种包括多个光传感器的传感器装置，其中，所述多个光传感器中的至少一个光传感器是根据权利要求1至8中任一项所要求保护的光传感器。
10.一种传感器装置，包括：
多个光传感器，其中，所述多个光传感器中的至少一个光传感器是根据权利要求7所要求保护的光传感器；以及
无线通信单元，被配置为与所述无线模块通信。
11.一种用于使用根据权利要求1至8中任一项所要求保护的光传感器来感测至少一个参数的方法，所述方法包括：
作为对所述至少一个参数的所述第一改变的响应，基于所述第一输出光信号来确定所述第一改变；以及
作为对所述至少一个参数的所述第二改变的响应，基于所述第二输出光信号来确定所述第二改变。
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