CN1553273A - 基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明在国内外首次提出了一种可频分复用的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统及方法，系统由泵浦激光器、波分复用器、光纤、耦合器、传感器以及隔离器和光谱仪组成，光纤采用掺铒光纤，传感器采用光纤Fizeau应变传感器。它利用掺铒光纤的放大作用，既形成宽带光源，又放大了微弱的信号，在此基础上可以实现十个以上光纤Fizeau应变传感器的频分复用，从原理上解决了现有光纤Fabry－Perot传感器固有的两个弱点：信号弱和复用难。实验表明该复用传感器应变测量精度可达±10με，可满足实际应用的要求，利用该方法组成的传感器系统可望在大型结构健康监测中获得重要的应用。

Description

基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统及方法

技术领域：

本发明属光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统及方法。

技术背景：

随着现代测量技术的发展，光纤传感器越来越受到人们的重视。与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、分辨率高、易复用、体积小、重量轻等显著优点。因此，近二十年来人们研制出了各种各样的光纤传感器(见艾瑞克伍德著作，光纤传感器，纽约：马索德科出版社，2002)。光纤干涉传感器作为光纤传感器中极为重要和常用的一类，相对于其它光纤传感器其主要优点在于分辨率高、动态范围大、精度高以及实现方式灵活(见戴维杰克逊论文，物理工程杂志：科学仪器，1985，18：981)，因此近几年来是一个非常活跃的研究领域(见戴维杰克逊著作，光纤传感技术，伦敦：查普曼霍出版社，1998，2：167)，可应用于复合材料、大型建筑结构(如桥梁等)、宇航飞行器、飞机等的结构健康监测，以实现所谓的智能结构(见艾瑞克伍德著作，光纤智能结构，纽约：威利出版社，1995)。目前工程中应用较广的是光纤Fabry-Perot(F-P)传感器(见亨利泰勒著作，光纤传感器，纽约：马索德科出版社，2002，pp41及饶云江等人论文，光学学报，2002，22：85)，但F-P传感器有其固有的两个弱点，一是信号较弱，二是较难进行复用。

发明内容：

本发明的目的在于为了克服光纤F-P传感器的固有弱点，提出了一种基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统及方法，该系统充分利用了掺铒光纤的放大作用，既形成宽带光源，又放大了微弱的信号，可实现频分复用十个以上光纤Fizeau应变传感器，从原理上解决了现有光纤Fabry-Perot传感器固有的信号弱和复用难的两个弱点。

本发明的技术方案如下：

基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统，包括泵浦激光器、波分复用器、光纤、耦合器、传感器以及隔离器和光谱仪，其中光纤采用掺铒光纤，传感器采用光纤Fizeau应变传感器。由于无信号光输入，掺铒光纤中铒离子在泵浦激光器的激发下产生放大自发辐射形成了ASE宽带光源，该光源成为Fizeau传感器的信号光，ASE光进入光纤Fizeau传感器后，产生多光束干涉，反射信号通过铒纤放大后被光谱仪接收。系统中，掺铒光纤对反射的干涉信号有放大作用，因此接收端的信号较强。系统中加入隔离器的目的是避免逆向光的干扰。传感头由石英毛细管和光导入/反射单模光纤构成，其中导入光纤为普通单模光纤，反射光纤端面镀了一层金属银，形成反射率高达90％的反射面，由于该传感头两光纤端面反射率不等，为与两端面反射率相等的普通F-P腔相区别，将之归入为Fizeau腔(见饶云江等人论文，IEEE光波科技杂志，1994，12：1685)。石英管长40mm、内外直径分别为128/300μm，两光纤端面相距约为几百微米。在石英管两端，光纤和石英管用胶粘合在一起，构成光纤Fizeau应变传感器。

在光纤Fizeau应变传感器频分复用系统中传感器可并列连接十个以上，实现多达十个以上的基于光放大的光纤Fizeau应变传感器的频分复用。

本发明涉及的频分复用方法如下：泵浦光由泵浦激光器输入，经波分复用器进入掺铒光纤，激发掺铒光纤中铒离子产生放大自发辐射形成了ASE宽带光源，此ASE光源为系统的信号光，ASE光经耦合器进入多组不同腔长的光纤Fizeau传感器，产生多光束干涉，反射信号通过掺铒光纤放大后，再经波分复用器和隔离器，最后被光谱仪接收，通过快速傅立叶变换FFT可在变换域中将各组信号分离，并利用离散腔长变换DGT直接在变换域中求出各个传感器的腔长从而求出对应的应变值，实现多达十个以上光纤Fizeau传感器的频分复用。

该系统的特点是：

1、该系统中，由于所构成的Fizeau腔一端为未镀膜的普通光纤，其反射率较低(约为4％)，因此光束的干涉可以近似等效为双光束干涉，其光谱近似为余弦分布。又由于铒离子的ASE在任何方向上几率均等，因此光谱仪接收到的是ASE光源与被放大的Fizeau干涉信号的混合光谱，因此在基于光放大的光纤Fizeau应变传感器系统中，信号的增强由两个方面的因素引起，其一是干涉信号在通过掺铒光纤时本身被放大；其二是后向的ASE光谱叠加在干涉信号之上，将干涉信号整体增强。对于1545～1555nm范围内的信号，由于在此范围内掺铒光纤的ASE光谱平坦度较好(不平坦度约1dB)，后向的ASE光谱可看作直流分量，被铒纤放大的干涉信号叠加在“直流”信号分量之上，这样ASE光谱对系统信噪比的影响很小，可以忽略不计。因此，系统对信号增益要求并不高，便可将干涉信号强度增大到光源信号强度之上，并且可获得较高的信噪比(因为这时探测部分的噪声可忽略不计)。因此本系统充分利用掺铒光纤的增益特性，既用铒纤的放大自发辐射(ASE)形成宽带光源，又利用其来放大Fizeau传感器的干涉信号，由此可获得较强的信号和较高的信噪比。

2、将一般光纤传感器进行复用时，如果传感器数目较多，信号会相当微弱，因而难以探测，这已成为限制光纤传感器复用数目的一个重要因素。而在本发明提出的基于光放大的光纤Fizeau传感器频分复用系统中，利用该传感系统信号强的特点，可以将多组不同腔长的Fizeau传感器进行频分复用，通过快速傅立叶变换(FFT)可在变换域中将各组信号分离，并利用离散腔长变换(DGT)直接在变换域中求出各个传感器的腔长从而求出对应的应变值，可实现多达十个以上光纤Fizeau传感器的频分复用，可从根本上解决现有技术存在的问题(微弱的信号经过光放大后又叠加了一个“直流”的光源分量，使得接受到的信号很强)。

可见，本系统从原理上解决了光纤F-P传感器信号弱及难复用的问题，若和光开关结合起来就可用一套装置完成对一个较大型结构的健康监测，这无疑将大大降低传感器系统的成本。实验表明该传感器复用系统应变测量精度可达±10με，可满足实际应用的要求。因此，该传感系统复用能力强，信号处理方法简单，结果准确，且测量精度较高，使用成本低的特点，有着较高的性价比和实用价值。

附图说明

图1是本系统的结构原理图；

图2是光纤Fizeau传感器的结构图；

图3是基于光放大的外腔式光纤Fizeau传感器的反射谱；

图4是11组Fizeau传感器的混合信号；

图5是11组信号的傅立叶变换谱；

图6是2个传感器信号的傅立叶变换谱；

图7是基于光放大的光纤Fizeau传感器1与应变计测出的应变对比；

图8是基于光放大的光纤Fizeau传感器2与应变计测出的应变对比。

具体实施方案

本系统的实现结构见图1，由泵浦激光器3、波分复用器4、掺铒光纤5、耦合器6、多个并列的光纤Fizeau应变传感器7、8、9、隔离器2和光谱仪1组成整个系统。泵浦光由泵浦激光器3输入，经波分复用器4进入掺铒光纤5，激发掺铒光纤5中铒离子产生放大自发辐射形成了ASE宽带光源，此ASE光源为系统的信号光，ASE光经耦合器6进入光纤Fizeau传感器，产生多光束干涉，反射信号通过掺铒光纤5放大后，再经波分复用器4和隔离器2，最后被光谱仪1接收。

光纤Fizeau应变传感器的结构参见图2，由导入光纤12、反射光纤13和石英管11构成，两光纤用胶10粘合在石英管11两端，在管内两光纤端面之间形成反射腔，两光纤端面反射率不等，其中导入光纤为普通单模光纤，反射光纤端面反射光纤端面镀了一层反射膜，反射率达90％以上，两光纤端面相距几百微米到几个毫米。其典型的干涉谱如图3所示。

我们用实验证明了本发明优良的复用性能。图1所示装置中，将光导入/反射单模光纤分别放置于两个相同的调节精度为10μm的三维微动台上，并将石英管固定在它们中间。控制Fizeau传感器的初始腔长约为几百个微米，然后固定反射端的微动台以使反射光纤端面在石英管内的位置不变，再以500μm的间距向外调节光导入光纤使腔长变大，每调节一次便采集一次数据，我们在一共采集了11组数据后发现传感器的信号仍呈现出明显的正弦周期分布，这得益于反射光纤端面的高反射率，使得Fizeau传感器在腔长超过5mm后仍能反射一定强度的光信号，产生明显的干涉条纹。将11组数据送入计算机进行处理，经叠加后信号混合在一起，去除直流分量后结果如图4所示，此时完全无法分辨出该混合信号波形中含有哪些频率成份，无法运用传统的波峰算法求出Fizeau传感器的腔长，因此需要对其进行一定的处理。我们将信号进行高通滤波和快速傅立叶变换(FFT)后，得出如图5所示的波形，由于光谱仪采样点数为1000，因此经FFT后图5的横坐标为采样点数。从图5可以看出，信号在变换域中完全可以被分开，11个尖峰分别是11个信号进行变换的结果。由此实现了多达11组Fizeau传感器的频分复用。

为了提高Fizeau传感器的应变测量精度，我们采用维吉尼亚大学研究者提出的DGT算法(见维吉尼亚州立大学理工学院沙穆萨博士学位论文，1997)来进行传感器信号的频域解调。DGT变换的幅值实际上就是输出信号中对应于腔长成份的系数。DGT算法和FFT算法本质上是一致的，区别在于DGT算法将传感器输出信号分解为各种腔长干涉信号的组合，从而完成了信号从波长域到腔长域的直接变换，避免了FFT算法中由数字频率到腔长的转换过程。由于DGT算法避免了进一步数据处理过程中由于近似带来的误差，因此可以得到较高的应变测量精度。

利用DGT算法求出各组传感器产生应变前后的腔长之差后，将其除以传感器的敏感长度(即图2中石英管的长度)即得到待测的应变值。

由于在变换域中可以分辨出每个信号并求出其对应的腔长，而且利用光放大技术可以得到很强的干涉信号，因此本发明可实现多达十个以上的基于光放大的光纤Fizeau应变传感器的频分复用，从而大大降低了应变传感系统的成本。

我们实际制作了两个Fizeau传感器以验证本发明的可行性。为不失一般性，应使两传感器腔长相差尽可能小，因此控制两个石英管中光纤端面的距离，使传感头1的腔长与传感头2的腔长相差约几百个微米。将两个传感器的混合信号送入计算机中进行上面所述的滤波和FFT，再利用DGT算法求出其腔长，这样我们可以控制两个传感器的腔长相差为400μm，其FFT波形如如图6所示。这就说明了腔长相差400μm时在变换域中仍可以分辨出不同传感器的信号，证明了上节所述的腔长相差为500μm的十个以上传感器的复用方法是完全可行的，并有100μm以上的富余度。考虑到在实际应用中，单个光纤Fizeau应变传感器的腔长变化一般不会超过100μm，因此该富余度已经足够。

我们将两个传感器的腔长之差调节到500μm，将其封装，然后置于实验用悬臂梁上。悬臂梁上贴有电阻应变片，并接入应变计进行应变标定。当给悬臂梁加载时，悬臂梁将产生应变，分别用应变计和两个Fizeau传感器测出应变值，传感器1与应变计测得的应变值的对比结果如图7所示，传感器2与应变计测得的应变值的对比结果如图8所示。实验用的掺铒光纤是StockerYale公司生产的EDF-980-T2光纤，长度为5m，泵浦功率为50mW。由图7与图8可见，该传感器的精度较高，实验证明其测量精度为±10με。在工程应用中对于绝大多数大型建筑结构(如桥梁)的健康监测，该精度都已经足够。

在实际应用中，我们可以将预先制作好的腔长间距为500μm的一系列Fizeau传感器进行频分复用，由上面分析可知，至少可以复用11个Fizeau传感器。由于光放大的作用使得传感器信号较强，因此在复用时可保证每个传感器都能获得一定强度的信号便于探测，最后用滤波和DGT算法就可以实现对每个传感器的信号进行分析，因此整个传感器复用系统只需要一套装置就可以实现高精度的应变测量。

Claims (5)

1、基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统，包括泵浦激光器、波分复用器、光纤、耦合器、传感器以及隔离器和光谱仪，其特征在于光纤采用掺铒光纤，传感器采用光纤Fizeau应变传感器，由导入光纤、反射光纤和石英管构成，两光纤与石英管两端粘合，在管内两光纤端面之间形成干涉腔，两光纤端面反射率不等，其中导入光纤为普通单模光纤，反射光纤端面具有高反射率反射面。

2、根据权利要求1所述的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统，其特征在于反射光纤端面镀了一层反射膜，反射率达90％以上。

3、根据权利要求1所述的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统，其特征在于两光纤端面相距几百微米到几个毫米。

4、根据权利要求1所述的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统，其特征在于传感器可通过一根光纤和耦合器并列连接十个以上。

5、基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用方法，其特征在于：泵浦光由泵浦激光器输入，经波分复用器进入掺铒光纤，激发掺铒光纤中铒离子产生放大自发辐射形成了ASE宽带光源，此ASE光源为系统的信号光，ASE光经耦合器进入多组不同腔长的光纤Fizeau传感器，产生多光束干涉，反射信号通过掺铒光纤放大后，再经波分复用器和隔离器，最后被光谱仪接收，通过快速傅立叶变换FFT可在变换域中将各组信号分离，并利用离散腔长变换DGT直接在变换域中求出各个传感器的腔长从而求出对应的应变值，实现多达十个以上光纤Fizeau传感器的频分复用。

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