CN1547659A - 以使用Bragg光栅对为基础的差分测量系统 - Google Patents

Abstract

一种系统，其包括至少一个光学传感器(C₁，C₂，C₃)，传感器包括刻写在两个光学波导中的两个Bragg光栅(B₁₁，B₁₂；B₂₁，B₂₂；B₃₁，B₃₂)，它们有可以调节的灵敏度，使得两个光栅的各自光谱有相对的光谱移动，这些光谱移动依赖于要测量的参数。该系统也包括光源(6)，设置它是为了将光提供给两个光学波导，以便对后者进行访问，还包括使得光可以接续地通过同一传感器的两个Bragg光栅的装置，包括光探测器，这些光探测器为的是一方面测量仅只通过了两个光学波导中的一个的光功率水平(R₁)，在另一方面测量接续地通过了两个光学波导的光功率水平(R’₁)，还包括处理这些光信号并且提供所测参数的数值的装置。本发明特别地可以用于测量温度，应力和压力。

Description

以使用Bragg光栅对为基础的差分测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，此系统使用Bragg光栅。

具体地说，该系统可用于测量温度、应力和压力。

背景技术

可以参考下列文件：

[1]D.A.Jackson，A.B.Lobo Ribeiro，L.Reekie and J.L.Archama bault，“Simple multiplexing scheme for a fibre-opticgrating sensor network”Optics Letters，Vol.19(14)，1993.pp1192-1194

[2]R.W.Fallon，L.Zhang，A.Gloag and I.Bennion，“Identical broadband grating interrogation technique fortemperature and strain sensing”Electronics Letters，Vol.33(8)，1997，pp 705-707

[3]L.A.Ferreira，F.M.Araujo，J.L.Santos and F.Farahi，“Temperature and strain insensitive bend measurements withD-type fibre Bragg gratings”OFS(Optical Fibre Sensors)Conference 14，WE 2-2，Venice，October 2000

文件[1]和[2]公开了测量技术，这些技术使用Bragg光栅，并且这些技术是以分析来自这些光栅的两个光谱的重叠为基础的，这就是说，是以一对Bragg光栅的重叠积分为基础的。

应该注意到，两个光栅中仅只一个是一种变换器，而第二光栅使得可以分析一个光谱信号。

进而，在文件[2]中描述的技术使用线性调频的光栅，制作这样的光栅相当困难，并且因为它们的长度，这样的光栅容易产生应变，因此会对所测量的信号造成噪音。

文件[3]公开了一种测量技术，该技术使用一种传感器，它包括一对Bragg光栅，这对Bragg光栅形成变换器。这种技术使用对于这些变换器所提供的信号的移动进行一种完全的光谱分析，因此，不是以光谱的重叠积分的原理为基础。

这是一种复杂并且昂贵的技术，因为它需要使用光谱分析仪。关于采样频率进一步限制了这种技术。

发明内容

本发明的目的是克服上面提到的已知技术的缺点。

作为本发明的内容的系统的主要的独创性在于使用至少一对Bragg光栅，每个光栅有变换和分析的双重功能。

这两个光栅总体相同，区别只在于它们的光谱灵敏度(相对于要测量的量而言)彼此稍微有些不同。因此两个光栅的联合分析可以实现一种差分测量，这种测量不需要精确的光谱分析。

作为本发明的内容的系统使得可以测量几种类型的物理量，特别是温度，应力和压力，并且，以比上面提到的已知技术便宜的方式实现这种测量。

特别是，这个系统可以使用旁瓣缩减的(apodized)光栅，这些光栅比在文件2中公开的技术中使用的线性调频光栅容易制作，并且，对于光谱畸变比后者不灵敏得多。

更具体地说，本发明的主题是用来测量至少一个参数的系统，这个系统包括至少一个光学传感器，这个系统的特征在于，每个传感器包括两个Bragg光栅，这些Bragg光栅有各自的灵敏度，可以调节这些灵敏度使得两个光栅的各自的光谱有一个相对的光谱移动，这些光谱移动依赖于要测量的一个或多个参数，在两个光学波导中分别刻写出这些Bragg光栅，该系统还包括

一个光源，设置它是为了将光提供给两个光学波导，以便对后者进行访问；

使光可以接续地通过同一个传感器的两个Bragg光栅的装置；

光探测器，这些光探测器为的是一方面测量仅只通过了两个光学波导中的一个波导的光功率水平，在另一方面测量接续地通过了两个光学波导的光功率水平；以及

处理这些光功率水平并且提供所测的一个或多个参数的数值的装置。

最好，光学波导可以是光纤的各自的芯，每个光纤有单一的芯，或者是多芯光纤的芯。

按照作为本发明的内容的系统的一个优选实施例，这个系统还包括一个循环器，它把光源连接到两个光学波导上。

按照作为本发明的内容的系统的另一个优选实施例，这个系统的光学传感器的数目N至少等于2，这个系统的光源能够发射波长范围至少由这些传感器的相应的共振波长中最短波长到最长波长的光，并且该系统包括光谱分离装置，该装置能够在N个第一光探测器上并且在N个第二光探测器上分配已经穿过该N个光传感器的光，第一光探测器能够测量有这些光波长并且仅只通过了两个光学波导中一个波导的N个第一光功率水平，而第二光探测器能够测量有这些光波长并且接续地通过了两个光学波导的N个第二光功率水平。

最好，系统还包括一个循环器，它把光源连接到两个光学波导，第一光学耦合器和第一和第二光谱分离装置上，第一光学耦合器在循环器与两个光学波导中的一个波导之间实现连接，为的是能够由第一和第二光谱分离装置分别分析被两个Bragg光栅中的一个反射的信号和被这两个Bragg光栅反射的信号。

系统还可以包括一个2×2的开关，在一侧把它连接到第一光学耦合器并且连接到循环器上，在另一侧把它连接到两个光学波导上。

系统也可以包括第二光学耦合器和第三光谱分离装置，通过这个第二光学耦合器把第三光谱分离装置连接到光源上，为的是分析光源所发射的光。

Bragg光栅最好是旁瓣缩减的光栅。

按照作为本发明的内容的系统的一个特定实施例，参数是应变，并且两个Bragg光栅的各自的纵向轴线与应变的轴线形成不同的角度。

按照另一个特定实施例，参数是应变，并且系统还包括一个支承件，它包括各自的截面不同的两部分，两个Bragg光栅分别设置在这两个部分中。

按照另一个特定实施例，两个Bragg光栅分别刻写在一个双芯光纤的两个芯中，这两个芯彼此不同，从而对于在这些芯中刻写的Bragg光栅给出不同的测量灵敏度。

在这种情况下，两个芯可以有不同的掺杂或者有不同的直径。

按照另一个特定实施例，两个Bragg光栅有不同的覆盖层，使得可以调节它们的关于要测的每个参数的灵敏度。

每个光谱分离装置可以包括一个色散件，例如一个衍射光栅或者一个棱镜，还包括光探测器，这些光探测器可以形成一个矩阵。

在这种情况下，按照一个特定实施例，对于几个光谱分离装置可以只有共同的一个色散件，并且光探测器是同一光探测器矩阵的不同的排。

作为一个变型，每个光谱分离装置可以包括与干涉滤光器在一起的一个光学分离器和光探测器，这些光探测器与这个光学分离器相关。

附图说明

通过阅读下面以纯粹说明性和非限制的示例的方式参考着附图给出的对示例性实施例的描述将会更好地理解本发明，在附图中：

图1示意性地示出了按照本发明的使用三个Bragg光栅差分对的测量系统；

图2示意性地说明了按照本发明的使用来自旁瓣缩减的Bragg光栅的两个反射光谱的测量原理；

图3为作为本发明的内容的系统的一个特定实施例的示意图；

图4为作为本发明的内容的系统的另一个特定实施例的示意图；

图5示出了对于用来对自相关函数建模的三种类型的光栅，光谱反射系数作为关于中心波长的移动的函数的变化；

图6示意性地示出了在均匀的Bragg光栅、高斯旁瓣缩减光栅以及超高斯旁瓣缩减光栅情况下对自相关函数的建模；

图7示意性地示出了由形成一个传感器的两个Bragg光栅产生的对应力的响应的变化的一个示例；

图8为一种应变传感器的示意图，它包括两个Bragg光栅，它们相对于应变的轴线形成不同的角度；

图9A和9B为应变传感器的示意图，每个传感器包括设置在一个支承件中的两个Bragg光栅，该支承件有截面不同的几部分；

图10示意性地示出了按照本发明的系统的传感器的两个Bragg光栅之间的差分包装(differential packaging)的一个示例；

图11为可以在本发明中使用的多芯光纤的示意图；

图12示意性地说明了在使用三种传感器的情况下在宽度为Dλ的谱带上的光谱分离的原理；

图13示意性地示出了带有一个棱镜的光谱分离装置的一个示例，该装置可以在按照本发明的系统中使用，该系统包括三个传感器；以及

图14示意性地示出了带有一个光学分配器和干涉滤光片的光谱分离装置的一个示例，该装置可以在按照本发明的系统中使用，该系统包括三个传感器。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了作为本发明的内容的系统的一个示例。在这一示例中使用了三个传感器C₁，C₂和C₃。传感器C₁(或者分别是C₂，C₃)包括两个Bragg光栅B₁₁，B₁₂(或者分别是B₂₁，B₂₂或B₃₁，B₃₂)，每个光栅形成一个变换器。

在一个光纤2(或者分别在4)上形成Bragg光栅B₁₁，B₂₁和B₃₁(或者分别是B₁₂，B₂₂和B₃₂)。

Bragg光栅B₁₁，B₁₂的共振波长为λ₁，Bragg光栅B₂₁，B₂₂的共振波长为λ₂，而Bragg光栅B₃₁，B₃₂的共振波长为λ₃。

在这个系统的输入端，首先有一个宽带光纤光源6发射红外光，典型地为1.5微米左右(但是，可以使用任何其它的光谱带)。光源6的光谱带宽取决于要访问的传感器的数目。

作为一个示例，如果在每个变换器上容许10毫微米(或纳米)的光谱变化(这等价于在光纤上的1％的范围)，在图1的示例的情况下总的光谱带宽可以大于30毫微米。在实践中，正是光源的有用的光谱带宽和动态测量范围分别与光栅相关，这决定了传感器的数目。

来自光源6的光信号S随后到达一个光纤循环器8，该循环器有三个通道I，II和III。信号S通过通道I进入其中，并通过通道II离开循环器。

因此在光纤2(连接到通道II上)中引导的光波与多个Bragg光栅相会，这些Bragg光栅形成与多个传感器相关的第一变换器。因此，信号的一部分在各个光栅的共振波长λ₁，λ₂和λ₃被反射。

随后，循环器将反射的信号R朝向通道III引导，并因此朝向连接到这一通道III上的一个50/50类型的光学耦合器10引导。

把R的一半R₁朝向一个光谱分离装置12引导，使另一半R₂的方向朝向光纤4。

将R₁的光谱在一个光探测组件14的三个光探测器上分离成三个区域，装置12包括该光探测组件。分别把来自这三个光探测器的功率水平(或信号)称为v₁，v₂和v₃。这三个光探测器分别与λ₁，λ₂和λ₃的变化范围相对应。

在实践中，为了在光探测器的上游实现这种分离，可以使用任何光谱分离装置16(例如一个衍射光栅，总体滤波器(bulk filter)，Bragg光栅，或者薄膜)。在后面我们将回到这个问题。

将R₂传输到补充的光纤4，并因此将会遇到包括在三个传感器中的第二系列Bragg光栅。因此每个光栅(它们形成滤波器)以信号R’的形式反射这个信号，并且使它的方向变成相反的方向，朝向耦合器10。

在这个耦合器中损失R’的一半，而使另一半R’₁的方向朝向一个光谱分离装置18，此装置与装置12相同，且因此包括一个光谱分离装置20和三个光探测器的一个组件22。因此，可以测量来自这三个光探测器的三个信号w₁，w₂和w₃。

图1的系统也包括用来处理所测量的功率水平v₁，v₂，v₃和w₁，w₂，w₃的装置24。设置这些处理装置是为了提供通过传感器C₁，C₂和C₃测量的一个或多个参数的数值。

在图1的系统中，利用了以下事实：构成每个传感器的两个变换器光栅中的每个光栅接续地反射信号。因此，信号R’将这两个光栅的反射光谱的交会部分积分。如果两个光谱相互重叠，可以获得最大的信号。如果两个光谱彼此分开，信号将变成零。在这两个极端位置之间的所有中间位置确定测量的区域。

因此，将初始中心在λ_i(1≤i≤3)的两个光栅包装起来或者把它们制造成使得它们的反射光谱的重叠积分是要测量的参数(例如温度、应力或压力)的函数。

图2示出了使用两个Bragg光栅反射光谱SP1和SP2进行测量的原理。应力ε由0με变化到ε_f，同时通过ε₁。

如在图2中以示例的方式示出的那样，当应力ε在传感器上增加时，引入了一个相对的光谱移动δλ(ε)。结果，两个光谱的重叠积分将减小。如果测量与这个交会区域相对应的功率水平R’，就可以计算出对应的应力ε。

进而，如下面将会看到的那样，最好使Bragg光栅旁瓣缩减，为的是防止由可能的次瓣造成的功率起伏。

在图2中由虚线的长方形RP界定的区域表示与光谱分离装置的每个光探测器相对应的积分窗口(光栅的总移动)的光谱带宽Dλ。

下面将解释测量的原理。

来自图1的宽带光源6的信号S取决于波长λ，因此在下面将把它称为S(λ)。进而：

r₁(λ)和r’₁(λ)是传感器C₁的两个Bragg光栅的反射系数，

α_ij是循环器8由通道i到通道j的损失系数，其中I≤I≤III，II≤j≤III，i＜j，并且

γ是耦合器10的分离程度(在图1的示例中γ＝0.5)。

信号R₁(λ)仅只被第一光栅B₁₁反射，随后到达光谱分离装置12。可以将它写成：

R₁(λ)＝α₁₂×α₂₃×γ×r₁(λ)×S(λ)

信号R’₁(λ)被传感器C₁的两个光栅B₁₁和B₂₂反射，并到达第二光谱分离装置18，可以将它写成：

R′₁(λ)＝α₁₂×α₂₃×γ₂×r₁(λ)×r′₁(λ)×S(λ)

两个输出光束的光谱分离使得可以在一个光谱带宽[λ₀；λ₀+Dλ]上对信号进行积分，它的宽度的数值取作Dλ。因此可以将测量到的信号v₁和w₁写成：

$v_1=\underset{{\mathrm{\λ}}_0}{\overset{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{D\λ}}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{12}\×{\mathrm{\α}}_{23}\×\mathrm{\γ}\×r_1\left(\mathrm{\λ}\right)\×s\left(\mathrm{\λ}\right)\×\mathrm{d\λ}$

$w_1=\underset{{\mathrm{\λ}}_0}{\overset{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{D\λ}}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{12}\×{\mathrm{\α}}_{23}\×{\mathrm{\γ}}^2\×r_1\left(\mathrm{\λ}\right)\×{r^{\′}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\×s\left(\mathrm{\λ}\right)\×\mathrm{d\λ}$

如果在Dλ上进行积分，实际上，在积分的计算中仅只必须考虑一个很小的光谱带宽Δλ_r。这个带宽是在该带宽上r₁(λ)×r’₁(λ)不为零的那部分带宽。这个带宽Δλ_r保持比Bragg光栅形成的滤波器的带宽的两倍小。

因为这个带宽相当窄(Δλ_r＜1毫微米)，因此假设S(λ)和各种系数α_ij和γ在积分范围上是常数是合理的。因此，可以将等式简化成：

$v_1={\mathrm{\α}}_{12}\×{\mathrm{\α}}_{23}\×\mathrm{\γ}\×S\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\×\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

$w_1={\mathrm{\α}}_{12}\×{\mathrm{\α}}_{23}\×{\mathrm{\γ}}^2\×S\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\×\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1\×{r^{\′}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

如果计算这些量的比值，就可以将对光源信号S(λ₁)的数值的依赖关系去掉。结果，系统的响应与光源的功率起伏无关，并且与光探测器的灵敏度的任何变化无关。这样将得到：

$\frac{w_1}{v_1}=\mathrm{\γ}\×\frac{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\×{r^{\′}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

假设形成传感器的两个光栅是相同的(它们是在相同的条件下制成的)。因此可以将它们的光谱反射系数表示成一个归一化的反射系数r₁ ⁰(λ)的函数。

因为在一种外部介质中使用这些光栅，由一个光纤到另一个光纤可能会出现损失。通过因子ρ₁和ρ’₁在这个等式中考虑这些损失，即：

               r₁(λ)＝ρ₁×r₁ ⁰(λ)

             r′₁(λ)＝ρ′₁×r₁ ⁰(λ-δλ)

因此可以将前面的比值写成下面的表达式，其中δλ是上面提到过的相对光谱位移：

$\frac{w_1}{v_1}=\mathrm{\γ}\×{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_1({\mathrm{\λ}}_1,\mathrm{\δ\λ})---\left(1\right)$

在式(1)中主要的未知量是：

${\mathrm{\Γ}}_1\left(\mathrm{\δ\λ}\right)=\frac{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1^0\left(\mathrm{\λ}\right)\×r_1^0(\mathrm{\λ}-\mathrm{\δ\λ})\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1^0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

因此式(1)给出了对于循环器的通道I的测量结果。如果假设损失项是由于连接(例如沿着光纤的拼接)产生的，那么可以假设它对于同一个光纤的所有光栅是相同的，因此可以将在三个通道(如对于图1)上的总结果写成：

$\frac{w_1}{v_1}=\mathrm{\γ}\×{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_1\left(\mathrm{\δ\λ}\right)---\left(2a\right)$

$\frac{w_2}{v_2}=\mathrm{\γ}\×{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_2\left(\mathrm{\δ\λ}\right)---\left(2b\right)$

$\frac{w_3}{v_3}=\mathrm{\γ}\×{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_3\left(\mathrm{\δ\λ}\right)---\left(2c\right)$

方程组(2a)，(2b)和(2c)显示不能直接得到Γ_i(1≤i≤3)的数值，这是因为有损失项ρ’₁。为了消除这个损失项可以考虑几种解决方案。下面我们将描述它们中的几种。

第一解决方案是通过在两个光纤2和4的输入处设置一个2×2的光学开关(附图标记为26)改进图1的系统，如在图3所示出的那样。

在一侧把这个开关26连接到耦合器10上并连接到循环器8的通道II上，在另一侧连接到光纤2和4上。

在这种情况下，进行切换使得在等式(2a)到(2c)中第二个光纤的系数ρ’₁可以由第一个光纤的系数ρ₁替代。也会引入一个来自开关26的损失系数β。等式(2a)到(2c)将变成：

$\frac{{w^{\′}}_1}{{v^{\′}}_1}=\mathrm{\γ}\×\mathrm{\β}\×{\mathrm{\ρ}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_1\left(\mathrm{\δ\λ}\right)$

$\frac{{w^{\′}}_2}{{v^{\′}}_2}=\mathrm{\γ}\×\mathrm{\β}\×{\mathrm{\ρ}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_2\left(\mathrm{\δ\λ}\right)$

$\frac{{w^{\′}}_3}{{v^{\′}}_3}=\mathrm{\γ}\×\mathrm{\β}\×{\mathrm{\ρ}}_1\×{\mathrm{\Γ}}_3\left(\mathrm{\δ\λ}\right)$

在这些等式中，现在把由组件14(或分别是22)的三个光探测器提供的功率分别称为v’₁，v’₂和v’₃(或者分别为w’₁，w’₂和w’₃)。

因此挑选可以给出具有最大的动态范围(损失系数最小)的结果的构形是可能的。

这个构形也是识别和校正在其中一个光纤上可能的点损失(pointlosses)的一个手段。

如果一个光纤在这个光纤的前两个光栅之间被损坏，例如在光纤2的光栅B₁₁与B₂₁之间，例如由于很大的局部弯曲而被损坏，其中一个系数ρ(例如ρ’₁)由在一个光栅上的一次测量到另一次测量将会改变(得到的数值为ρ’_1a和ρ’_1b)。这将给出：

$\frac{\frac{w_1}{v_1}}{\frac{w_2}{v_2}}=\frac{{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{1a}}{{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{1b}}\×\frac{{\mathrm{\Γ}}_1\left(\mathrm{\δ\λ}\right)}{{\mathrm{\Γ}}_2\left(\mathrm{\δ\λ}\right)}$ 和 $\frac{\frac{{w^{\′}}_1}{{v^{\′}}_1}}{\frac{{w^{\′}}_2}{{v^{\′}}_2}}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_1\left(\mathrm{\δ\λ}\right)}{{\mathrm{\Γ}}_2\left(\mathrm{\δ\λ}\right)}$

因为通过定义ρ’_1a比ρ’_1b大，所以上面的两个比值中的正确的值是最小的值。

第二种解决方案是牺牲一个传感器。

如果假设将光栅对中的一对设置在被保护的环境中，函数Γ(δλ)将永远等于Γ(0)。因此比值w/v使得我们可以测量损失系数ρ’₁。另两个比值就给我们想要的测量。应该注意到，这要求牺牲一对Bragg光栅。

第三种解决方案是进行差分测量。

三个等式(2a)，(2b)和(2c)使得可以测量出Г₁(δλ)/Г₂(δλ)，Г₁(δλ)/Г₃(δλ)和Г₂(δλ)/Г₃(δλ)。因此，可以获得例如在三个点的应力的相对分布。因此，测量仍然保持是差分的测量，并且不可能给出应变的绝对数值。

当然这个解决方案的优点是不必须牺牲一对光栅。这个解决方案表明当一起考虑大量的传感器时和考虑一个电测量仪器时它有充分的潜力，大量的传感器使得可以精确地绘出应变的分布图，而该电测量仪器设置在其中一个传感器的侧面上，该测量仪器对于整个测量提供一个绝对的参考量。

进而来自两个靠得足够近的传感器对的信号的比值使得可以消除在光纤内损失因子ρ的起伏。如果考虑到包括一个光学开关的构形甚至更是这样的情况。

第四种解决方案是将光源标准化。

如果损失项的存在对于系统的操作实际上是不能接受的，可以将一个附加的标准化通道添加到系统中。

这涉及一些应用，在这些应用中传感器之间的光纤连接没有被保护(这是当监测非常大的结构比如艺术作品以及将传感器包含在复合材料中时的情况)。

在图4中示意性地示出了这种标准化。在光源6的输出处设置一个附加的耦合器28。这个耦合器28的一个通道连接到循环器8的通道I上，为的是将由光源6发出的光的一部分1-ν送到该通道。这个耦合器的另一通道把同一束光的一部分ν送到一个附加的光谱分离装置30上。

装置30与装置12和18相同，把这些装置30的三个光探测器提供的相应的功率(或信号)称为s₁，s₂和s₃。应该注意到，随后也将功率(或信号s₁，s₂和s₃)送到处理装置24，为的是实现标准化。

因此可以获得例如下面给出的信号s₁(假设光源在积分范围Dλ上有不变的功率S(λ₁))：

            s₁＝ν×S(λ₁)×Dλ

它给出：

$\frac{w_1\×s_1}{v_1\×{v^{\′}}_1}=\frac{\mathrm{\ν}}{1-\mathrm{\ν}}\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{12}\×{\mathrm{\α}}_{23}}\frac{\mathrm{D\λ}}{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1^0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}\frac{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1^0\left(\mathrm{\λ}\right)r_1^0(\mathrm{\λ}-\mathrm{\δ\λ})\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{\∫}{r}_1^0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

因此可以看到：关于光纤损失的依赖关系被去掉，像光源6对起伏的依赖关系那样。围绕着前面的项Γ(δλ)进行测量。

在该等式中，积分范围Dλ被包含在Bragg光栅的带宽出现的一个比值中，并且因此必须要精确地知道这个积分范围，特别是要借助于先前对系统的表征知道这个积分范围。

这个解决方案使得可以将对传感器系统的表征完全标准化。在另一方面，这要求光源在光谱分离装置的积分范围内稳定。

现在让我们来研究函数Γ(δλ)。可以将它考虑成一个“半归一化的”自相关函数。为了测量的目的，在理想上可以以归一化的线性应用的方式表示它，比如：

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\δ\λ}\right)=\frac{\mathrm{\δ\λ}}{{\mathrm{\δ\λ}}_{\max }}$

这等效于如果光栅的光谱响应有“门”函数的形状的情况。

图5和6给出了依赖于所使用的Bragg光栅的自相关函数的示例。已经设想了下述情况：

均匀的光栅(I)L＝6毫米；Δn＝8×10^-4

高斯旁瓣缩减光栅(II)L＝6毫微米；G＝2；p＝2；Δn＝8×10^-4

超高斯旁瓣缩减光栅(III)L＝6毫微米；G＝4；p＝1.5；Δn＝8×10^-4

已经由下面的函数计算出旁瓣缩减：

$g\left(\mathrm{\λ}\right)=\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_B)}^G}{{(L/2p)}^G})$

在图5中已经画出了这三种类型的光栅的反射系数R。可以注意到，高斯旁瓣缩减显示出与门函数的强烈相似。在均匀光栅的情况下也可以注意到存在非常大的次瓣。

应该注意到，关于离开中心波长的移动Δλ画出这些曲线。

图6示出了对于自相关函数建模的结果，这些结果是对于1毫微米的最大相对光谱位移δλ_max取的。假设将形成传感器的两个光栅包装起来，使得给出一个好的动态测量范围。在这个示例中，使它们倾斜13.2度，后面我们将返回这一问题。

可以注意到，提供最大的动态范围并且最接近直线的曲线与超高斯旁瓣缩减的情况相对应。相反，均匀的Bragg光栅的情况显示出差的动态范围和可察觉的起伏。因此必须仔细地选择对于在系统中使用的光栅所给出的旁瓣缩减。

测量系统的设计是本发明的任务，这个设计的很大部分涉及在同一传感器的Bragg光栅的响应中获得差别的手段。首先，将详细地给出这个相对移动的原理。

如已经看到的那样，Bragg光栅的光谱响应是入射的光信号的精细谱带(其带宽大约为100微微米)的反射。这个谱带的中心在共振波长λ_B，即Bragg波长，它由下式表示：

             λ_B＝2×n_eff×Λ

其中Λ是光栅的周期，而n_eff是有效的模式指数(the effectiveindex of mode)，该模式在光纤中传播，光栅就在那个光纤中形成。

通过在光栅的附近改变一个物理量，参数Λ和n_eff变化，这造成Bragg波长的移动Δλ_B。测量这个移动是Bragg光栅测量的基本原理。

将光谱移动与由纵向的应力ε_z、温度ΔT和压力ΔP组成的物理量联系起来的等式如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e)\×{\mathrm{\ϵ}}_z+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\×\mathrm{\ΔT}-\frac{1-2\mathrm{\ν}}{E}[1-\frac{n_c^2}{2}({2p}_{12}+p_{11})]\×\mathrm{\Δp}$

其中

         p_e＝n_c ²[p₁₂-ν(p₁₁+p₁₂)]/2，

n_c是光纤的芯的光学指数，

p₁₁和p₁₂是光弹性系数(the elastooptic coefficients)，

ν是Poisson比(ν＝0.17)，

α是热膨胀系数(α＝0.45×10^-6K^-1)，

ζ是热光学系数(the thermooptic coefficient)，以及

E是Young氏模量(E＝7×10¹⁰N/m²)。

在这里使用的方法假设事先已经知道要研究的量的变化范围。以应力为例。

如在图2中所示，当实现最大的应变时，必须使两个光栅分开它们的光谱带宽(几百微微米)。

在图7中示出了在总移动为10毫微米而最后的差分移动为500微微米的情况下对一个传感器的两个光栅的伸展作出响应希望出现的变化。应力ε_z被画在x轴上，而移动Δλ_B被画在y轴上。线I和II分别与传感器的两个光栅相对应。

因此，形成单一的传感器的两个光栅的包装主要取决于：

所使用的光栅的光谱带宽，以及

所要求的测量范围(例如，ε_max，ΔT_max或压力ΔP_max)。

下面我们将提出多个解决方案，这些解决方案使用对于两个Bragg光栅的一种特别的包装，或者由这些光栅的波长移动的物理性质获得利益。

第一种解决方案是有角度地移动两个Bragg光栅，如在图8中所示出的那样。

在图8的示例中，考虑传感器C₁的两个Bragg光栅B₁₁和B₁₂，这两个光栅分别在光纤2和4的芯中形成。在这个示例中，把光纤形成光栅的那些部分刚性地紧固到一个可变形的支承件32上。

在这个支承件上确定一个正交的坐标系

让我们考虑沿着 的一个变形F。可以将对于光栅支承件的应变张量写成：

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_i& 0\\ 0& -v{\mathrm{\ϵ}}_i\end{array}\right]$

光栅B₁₁与 平行，因此，与应变的轴线共线，因此：

                ε₁＝ε_i

光栅B₁₂与光栅B₁₁形成一个角度θ。因此，这个光栅B₁₂与向量(cos(θ)，sin(θ))共线，且施加到光栅上的应变由下式给出：

${\mathrm{\ϵ}}_2=(\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_i& 0\\ 0& -v{\mathrm{\ϵ}}_i\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right])\·\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]$

由此我们导出：

      ε₂＝ε₁×[cos²(θ)-νsin²(θ)]

因此，对于两个光栅B₁₁和B₁₂的波长移动的数值分别为：

            Δλ_B1＝(1-p_e)×λ_B×ε₁

   Δλ_B2＝(1-p_e)×λ_B×ε₁×[cos²(θ)-νsin²(θ)]

这样可以得到对于两个光栅的差分移动的表示：

      δΔλ_B＝(1-p_e)×λ_B×ε₁×sin²(θ)×(1+ν)

如果ε_max是最大的应变值，而Δλ_r是光栅的光谱带宽，就可以由下式导出角度θ的数值：

${\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{(1-P_e)\×{\mathrm{\λ}}_B\×{\mathrm{\ϵ}}_{\max }\×(1+\mathrm{\ν})}$

作为一个示例，令1-p_e＝0.78，λ_B＝1550毫微米，并且ν＝0.17。

对于ε_max＝0.01和Δλ_r＝500微微米，给出：θ＝0.19弧度＝10度。

可以注意到，在这一构形中，传感器对温度不敏感，这是因为温度不是带方向性的。对于温度的一个改变两个光栅的光谱在光谱域中(in the spectral domain)平行地移动，但是没有相对移动。仅只伸展通过热效应产生的改变可以被测量。

第二种解决方案是利用将固体的应变与它的截面联系起来的等式。

截面为S受到一个作用力F的固体产生的伸展ε由Hooke定律给出，其中E是固体的Young氏模量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F}{S\×E}$

然后，第二种解决方案就是将两个光栅B₁₁和B₁₂包装在一个支承件34中，该支承件例如由一种聚合物制成，如在图9A和9B中示出的那样。通过改变支承件的截面使光栅有区别。

更具体地说，支承件34包括两部分36和38，这两部分各自的截面S₁和S₂不同，并且它们分别包含两个光栅B₁₁和B₁₂。这些光栅彼此平行，并且应变F与这些光栅平行地发生。在图9A(或者分别是9B)的情况下，部分38比部分36高(或分别是宽)。

该方法继续进行的方式与对于图1的传感器C₁和C₂的方式相同。

将每个支承件设置在一个结构(未示出)上，想要测量的就是那个结构的应变，并且将每个支承件在它的两端紧固到这个结构上。返回到图9a和9B，应变F产生一个作用力，此作用力在光栅上产生两个不同的应变。如果将部分36和38的各自的长度称为L₁和L₂并将支承件34的总长度称为L，那么可以将结构的伸长与支承件34的两部分关联起来的等式写成：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L_1}{L}{\mathrm{\ϵ}}_1+\frac{L_2}{L}{\mathrm{\ϵ}}_2$

因此：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{S_2}{S_1}{\mathrm{\ϵ}}_2$

最后，其中α＝L₁/L：

${\mathrm{\δ\Δ\λ}}_B=(1-p_e)\×{\mathrm{\λ}}_B\×\frac{S_1-S_2}{S_1(1-\mathrm{\α})+S_2\mathrm{\α}}\×\mathrm{\ϵ}$

作为一个示例，令1-p_e＝0.78，λ_B＝1550毫微米，并且α＝0.5。

对于ε_max＝0.01和Δλ_r＝500微微米，给出：S₁/S₂＝0.96。

可以例如在图9A的几何形状的情况下取支承件34的部分36(或者分别是38)的尺寸为1mm×5mm(或者分别是1.04mm×5mm)。

在这种构形下也只能考虑应变。因此温度的改变仅只在它们引起结构的应变的情况下才能影响信号。但是，这是相当正常的，因为一个应变测量仪器不能区分它所测量的应变的来源。这些应变可以有热-机械的来源。

第三个解决方案是不同地包装两个光纤2和4，使得关于一个外部的量它们有稍微不同的响应。

一个简单的例子是在其中一个光纤上围绕着包含在其中的光栅沉积一层材料，如在图10中所示，用一层材料40覆盖光纤2的一部分，在这部分光纤中光刻出光栅B₁₁。

在图10中可以看到光纤2(或者分别是4)的芯3(或者分别是5)，在该光纤中已经光刻出Bragg光栅，比如光栅B₁₁(或者分别是B₁₂)。

在一个温度传感器的情况下，可以使用一个金属涂层，这个涂层增强在其中一个光纤上的膨胀效应。在传感器嵌入一个结构中的情况下，可以使用性质与结构的材料性质不同的一种材料。因此一种有较小Young氏模量的材料使得可以减小两个光栅中的一个所受到的应变，因此在对应变的光谱响应中产生差别。

第四个解决方案是采用有不同结构的两个光纤，用来刻写出Bragg光栅。因此，这些光纤的热光学系数和光弹性系数提供了差别。这个解决方案的优点是不需要任何特别的包装，而把传感器集成到要测量的结构中。

作为一个示例，使用光纤2和4，对它们的芯进行彼此不同的掺杂，或者它们有不同的直径。

第五个解决方案是使用一个多芯的光纤，这就是说，一个光纤包括多个芯，而不是使用多个光纤，每个光纤有单一的芯。然后，这样在多芯光纤的多个芯中刻写出Bragg光栅，并且将此多个芯做成使得这些Bragg光栅对于外部参量有不同的灵敏度。

在图11中示意性地示出了双芯光纤42的一个示例。该光纤42包含两个芯44和46，它们分别与光纤2和4的芯相对应，一个优点是可以使用单一的光纤而不是使用两个光纤。

在图11的情况下，为了获得传感器C₁、C₂和C₃(因为在图11中仅只示出了光栅B₁₁和B₁₂)，在光纤42的芯44(或者分别是46)中光刻出Bragg光栅B₁₁、B₂₁和B₃₁(或者分别是B₁₂、B₂₂和B₃₂)。作为一个示例，两个芯44和46有不同的掺杂或者有不同的直径。

现在让我们考虑对于按照本发明的系统的各种传感器实现光谱分离的各种解决方案。

图2示出了对于所谈到的测量的范围来自一个光栅或者来自两个光栅的“相交点”的反射信号在带宽为Dλ的一个谱带上实现光谱移动。因此提供功率水平v_i和w_i(1≤i≤3)的图1的探测器必须测量在这个谱带上的功率的改变，并且仅只测量这一改变，从而不包括来自相邻的传感器的信号。

在这个意义上，在系统的两个输出通道上必须实现光谱分离。

这个光谱分离的设计是作为本发明的内容的系统的关键点之一。因为分离装置所要求的性能不高，使用简单的、便宜的和小体积的检测是可能的。

如在图12中所示出的那样，这个装置事实上必须分离开相当宽(Dλ大约为10毫微米)的光谱带，这些光谱带彼此分离开比Dλ更大的距离。已经将这些不同的谱带的中心波长称为λ_i(1≤i≤3)，图12的示例涉及三个传感器。

下面我们给出光谱分离装置的示例。

这个装置可以包括一个角度色散件。

在图13的示例中，这个件是一个棱镜48。这个图13涉及图1的三个传感器C₁、C₂和C₃，并且涉及来自图1的光纤2的已经穿过循环器8和耦合器10的光。可以看到光纤50的一部分，这个光纤把该耦合器10连接到光谱分离装置12上。

首先把光纤50耦合到一个准直器52上，从而将一束平行光束53提供给光谱分离装置12的输入端。

这条光束落在棱镜48上，它以角度分离出三个波长λ₁、λ₂和λ₃。图13的光探测器14₁、14₂和14₃形成光探测器组件14，在这个示例中该组件是三个CCD探测器的一个线形阵列14，使得可以收集在三个波长分布的功率。这样，我们有了信号v_i(1≤i≤3)。当共振波长改变时，光束在线形阵列的每个元件的探测表面内移动。

对于图1的耦合器10的其它输出通道可以使用相同的装置。

作为一个改型，图1的装置12和18可以共同使用相同的棱镜48。

也可以使用一个衍射光栅替代棱镜。其原理仍然相同：产生一个准直的光信号，这个光栅使光信号衍射，且用一个CCD线形阵列测量该信号。

在图14中示意性地示出了一种集成的光谱分离装置12的另一个示例。它使用一个光学分离器54和干涉滤光片56₁、56₂和56₃。

实际上在市场上可以找到光谱带宽大约为10毫微米的带通干涉滤光片，或者边缘陡峭降落的低通滤光片。

如在图14所示出的那样，将光纤50设置在光学分离器54的入口处。因此信号在三个通道上分配。将一个干涉滤光片56₁或者56₂或者56₃设置在每个通道的端部，后面接着光探测器14₁或者14₂或者14₃。如果滤光片56₁、56₂和56₃是带通滤光片，它们在谱带间隔Dλ上通过，将直接恢复出所要求的信号v_i。如果使用低通(或高通)滤光片，为了得到正确的测量需要在不同的通道之问进行减法。

可以以与装置12相同的方式生产出图1的装置18和图4的装置30。

在本发明中，能够多路传输的传感器的数目取决于许多参数，但是在理论上没有限制。这些参数特别是：

所访问的光源的光谱带宽；

与要测量的物理量的变化相对应的光栅的光谱变化范围Dλ；以及

光谱分离装置的能力。

在市场上能找到的光源的光谱带宽由40毫微米到80毫微米。而且光栅能够合理地承受的应变极限典型地与10毫微米的总光谱移动相对应。因此可以认为每条线八个传感器是一个合理的数量级。取决于要测量的量的类型，可以增加这个数值。

在给定市场上可供使用的光探测器的性能的条件下，作为本发明的内容的系统可以有几MHz数量级甚至更高的高的采样频率(或采集频率acquisition frequency)。

除了上面提到的特点以外，作为本发明的内容的系统还有下面的多种优点：

取决于它的包装，可以将每个传感器做成对温度不敏感。

通道的光谱分离所要求的性能不高使得组件是一个紧凑并且廉价的系统。

通过添加一个2×2的光学开关，可以将系统做成实际上与在光纤中出现的点损失无关。

可以在两个光纤的组件的任何一端独立地访问这个系统，这使得在光纤失效的情况下可以继续进行测量。

返回到本发明，应该在下面的两种形式之间进行区分：

本发明的最一般的形式，这种形式不使用循环器或者光谱分离装置，且当仅只有一个光学传感器时这种形式有最大的利益(但是，这种形式也可以与几个光学传感器一起实现)；与

一种特别的形式，在这种形式中至少要使用两个光学传感器。

在这后一种情况下，必须使用一个宽带光源和光谱分离装置，但是使用循环器不是本质性的，尽管是优选的。

作为一个示例，现在使用n个光学传感器C₁，C₂，...C_n(n大于或者等于2)，它们的共振波长为λ₁，λ₂，...λ_n，发射光的波长范围至少由λ₁到λ_n的一个光源，以及能够在n个测量功率水平v₁，v₂，...v_n的光探测器以及在另外的n个测量功率w₁，w₂，...w_n的光探测器上分配已经通过n个传感器的光的光谱分离装置。可以例如参见图1，在那里n等于3。

进而，返回到图13的示例，在这个示例中使用的棱镜可以由几个光谱分析装置共享。

例如，按照一个特定的实施例，图1的装置12和18(或者分别是图4的装置12，18和30)可以共享同一个棱镜，或者更一般地共享同一个光谱分离件。随后在一个光探测器的二维矩阵上而不是在一个光探测器的一维线形阵列上进行检测。这样，图13可以代表至少两个光纤50和朝向同一个棱镜48的至少两个准直器52的组合体的顶视图。组件14就是包括每个光纤至少一个检测件的CCD矩阵的顶视图。

Claims (18)

1.一种用来测量至少一个参数的系统，该系统包括至少一个光学传感器(C₁，C₂，C₃)，该系统的特征在于，每个传感器包括两个Bragg光栅，这些Bragg光栅(B₁₁-B₁₂，B₂₁-B₂₂，B₃₁-B₃₂)有相应的灵敏度，可以调节这些灵敏度使得两个光栅的相应的光谱有相对的光谱移动，这些光谱移动依赖于要测量的一个或多个参数，在两个光学波导(3，5；44，46)中分别刻写出这些Bragg光栅，该系统还包括

光源(6)，设置它是为了将光提供给两个光学波导，以便对后者进行访问；

使光可以接续地通过同一传感器的两个Bragg光栅的装置；

光探测器，这些光探测器为的是一方面测量仅只通过了两个光学波导中的一个波导的光的功率水平(R₁)，而在另一方面测量接续地通过了两个光学波导的光的功率水平(R’₁)；以及

处理这些光功率水平并且提供所测一个或多个参数的数值的装置。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，光学波导(3，5)是光纤(2，4)的相应的芯，每个光纤有单一的芯。

3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，光学波导是多芯光纤(42)的芯(44，46)。

4.按照权利要求1到3中任一项所述的系统，其特征在于，其还包括循环器(8)，它把光源(6)连接到两个光学波导上。

5.按照权利要求1到4中任一项所述的系统，其特征在于，在这个系统中的光学传感器的数目N至少等于2，该系统的光源能够发射波长范围至少由这些传感器的相应的共振波长中最短波长到最长波长的光，并且该系统包括光谱分离装置，该装置能够在N个第一光探测器上以及在N个第二光探测器上分配已经穿过那N个光传感器的光，该第一光探测器能够测量有这些光波长并且仅只通过了两个光学波导中一个波导的N个第一光功率水平，而第二光探测器能够测量有这些光波长并且接续地通过了两个光学波导的N个第二光功率水平。

6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于，其还包括循环器，它把光源(6)连接到两个光学波导，第一光学耦合器(10)和第一和第二光谱分离装置(12，18)上，第一光学耦合器在循环器(8)与两个光学波导中的一个波导之间实现连接，为的是能够由第一和第二光谱分离装置分别分析被两个Bragg光栅中的一个反射的信号和被这两个Bragg光栅反射的信号。

7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，其还包括2×2的开关(26)，在一侧把它连接到第一光学耦合器(10)并且连接到循环器(8)上，而在另一侧把它连接到两个光学波导上。

8.按照权利要求6和7中任一项所述的系统，其特征在于，其还包括第二光学耦合器(28)和第三光谱分离装置(30)，通过该第二光学耦合器把第三光谱分离装置连接到光源上，为的是分析光源所发射的光。

9.按照权利要求1到8中任一项所述的系统，其特征在于，Bragg光栅(B₁₁，B₁₂；B₂₁，B₂₂；B₃₁，B₃₂)是旁瓣缩减的光栅。

10.按照权利要求1到8中任一项所述的系统，其特征在于，参数是应变，并且两个Bragg光栅的相应的纵向轴线与应变的轴线形成不同的角度。

11.按照权利要求1到8中任一项所述的系统，其特征在于，参数是应变，并且系统还包括支承件(34)，它包括各自的截面不同的两部分(36，38)，两个Bragg光栅分别设置在该两个部分中。

12.按照权利要求1和3到8中任一项所述的系统，其特征在于，两个Bragg光栅分别刻写在双芯光纤的两个芯(44，46)中，该两个芯彼此不同，从而对于在这些芯中刻写的Bragg光栅给出不同的测量灵敏度。

13.按照权利要求12所述的系统，其特征在于，两个芯(44，46)有不同的掺杂。

14.按照权利要求12所述的系统，其特征在于，两个芯(44，46)有不同的直径。

15.按照权利要求1到8中任一项所述的系统，其特征在于，两个Bragg光栅有不同的覆盖层，使得可以调节它们的关于要测的每个参数的灵敏度。

16.按照权利要求5到8中任一项所述的系统，其特征在于，每个光谱分离装置(12，18，30)包括色散件(48)，例如衍射光栅或者棱镜，且还包括光探测器(14₁，14₂，14₃)，这些光探测器可以形成矩阵。

17.按照权利要求5到8中任一项所述的系统，其特征在于，每个光谱分离装置(12，18，30)包括与干涉滤光片(56₁，56₂，56₃)在一起的光学分离器(54)和光探测器(14₁，14₂，14₃)，这些光探测器与该光学分离器相关。

18.按照权利要求16所述的系统，其特征在于，对于多个光谱分离装置色散件是单一的和共同的，并且光探测器是同一光探测器矩阵的不同的排。

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