CN1605835A - 光纤光栅多参数综合传感实验仪 - Google Patents

Abstract

光纤光栅多参数综合传感实验仪，属于物理学及检测技术教学仪器。该仪器包括测量单元、传感单元以及光纤耦合链路。所述的传感单元包括框架，封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁，固定在悬臂梁底部的重力摆以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同的两个光纤光栅，水平固定在框架一侧的位移测微头，竖直固定在框架另一侧外部的倾斜角度测微头，固定在框架内底部的电磁线圈。该仪器可实现电流、倾斜角度、振动和位移检测，还可以扩展进行光纤导光现象实验、光纤弯曲损耗实验、温度检测实验等。适用于高等及大中专院校的物理、光学、光电子学、精密仪器及检测技术相关专业的教学实验。具有结构简单、成本低，操作方便，易于加工生产等特点。

Description

光纤光栅多参数综合传感实验仪

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感实验仪，属于物理学、光学、光电子学、精密仪器及检测技术专业教学实验仪器技术领域。

背景技术

目前现有技术中使用的电流、振动、位移、倾斜角度教学实验多采用某种专用的仪器设备，要想对上述几种参数都进行教学实验或演示，就需要购买多台不同的仪器设备，既加大了开支，又增加了所需要的实验空间。光纤光栅传感实验仪目前在教学实验中的应用还很少，目前天津市港东科技发展有限公司开发了一种SGQ-1型光纤光栅传感实验仪，该仪器由测试单元和传感单元组成，并配有专门的传感测试软件，与计算机RS232接口连接。这种光纤光栅传感实验仪存在以下不足：①能够测量的参数只有温度和应变两种，是最基本的实验内容，没有发挥出光纤光栅传感器的潜力，也没有能够与其它学科相结合，通过实验过程，学生只能了解到光纤光栅本身的传感原理，实验内容比较简单和单调，没有达到扩宽实验思路、培养学生创造性的思维能力和综合实验动手能力。②实验仪的价格偏高，使得一般的大中专院校难以同时购买一定数量的实验仪器，从而一定程度影响教学安排和实验效果。③同学无法根据现有的实验装置自主地开发新的实验内容。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是为教学实验提供一种光纤光栅多参数综合传感实验仪，使其不仅能够实现电流、倾斜角度、振动和位移四种物理量的测量，而且具有结构简单、成本低，操作方便，易于加工生产等特点。

本发明的技术方案如下：

一种光纤光栅多参数综合传感实验仪，包括测量单元、传感单元以及连接所述测量单元和传感单元的光纤耦合链路，所述的测量单元包括宽带光源以及信号处理单元，其特征在于：所述的传感单元包括框架，封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁，固定在悬臂梁底部的重力摆以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同的两个光纤光栅，水平固定在框架一侧且与重力摆在同一水平线上的位移测微头，竖直固定在框架另一侧外部的倾斜角度测微头，固定在框架内部且与重力摆在同一水平线上的电磁线圈；所述的光纤耦合链路采用串联反射型光纤链路结构：即宽带光源的尾纤与第一个2×2光纤耦合器相连，第一个光纤耦合器的输出端与所述传感单元中的一个光纤光栅相连，经过该光纤光栅反射后，由原路返回后经第一个2×2光纤耦合器再与第二个2×2光纤耦合器的输入端相连；第二个光纤耦合器通过其两个输出端分别与所述传感单元中的另一个光纤光栅和一个光电探测器相连，从该光纤光栅反射的光由原路返回后经第二个2×2光纤耦合器与另一光电探测器相连，所述的两个光电探测器通过电信号与所述的信号处理单元相连。

本发明所述的宽带光源采用中心波长为1310nm的SLD光源；所述的光纤光栅及光纤耦合器的中心波长为1310nm。

本发明的技术特征还在于：所述的重力摆采用永久磁铁材料；所述的传感单元的框架采用有机玻璃材料制成。

本发明的技术特征还在于：将所述的宽带光源、两个光电探测器以及信号处理单元封装在同一个电箱中，该电箱设有电流输出接口以及光路输入输出接口，通过光纤耦合链路与电线分别与传感单元中的光纤光栅和电磁线圈相连；所述传感单元中的位移测微头和倾斜角度测微头采用可拆卸结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①选择传感单元中不同的元部件，可以实现电流、倾斜角度、振动、位移四种物理量的测量，实现一机多能。②仪器结构简单设计新颖、成本较低、实用性强、易于普及。③调整悬臂梁厚度、材料等参数及调整悬臂梁底端的重力摆质量很容易改变倾斜角度的测量范围和测量灵敏度，是一种性能可调、使用灵活的实验设备。④传感单元使用两个参数接近的光纤光栅，起到温度补偿作用，加上对传感单元进行封装，可以减小环境温度对测量的影响；⑤仅用两只光纤光栅同时实现了传感和解调，大大降低了光纤光栅传感器解调系统的复杂度和成本；⑥通过参考光路设计和数据处理技术，减小了光源波动等对传感器测量特性的影响。

附图说明

图1为本发明提供的光纤光栅多参数综合传感实验仪的整体原理结构示意图。

图2为本发明传感单元中的悬臂梁受力图。

图3为利用本发明实验初始时的光栅反射光谱图。

图4为利用本发明实验过程中光栅反射光谱图。

图5a为封装有宽带光源、光电探测器及信号处理单元的电箱立体外观示意图。

图5b为传感单元立体外观示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的说明。

图1为本发明提供的光纤光栅多参数综合传感实验仪的整体原理结构示意图。该实验仪包括测量单元、传感单元15以及连接它们的光纤耦合链路14，所述的传感单元包括框架21，封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁23，固定在悬臂梁底部的重力摆28以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同的两个光纤光栅24和25，水平固定在框架一侧且与重力摆在同一水平线上的位移测微头26，竖直固定在框架另一侧外部的倾斜角度测微头27，固定在框架内部且与重力摆在同一水平线上的电磁线圈29。所述的光纤耦合链路采用串联反射型光纤链路结构：即宽带光源尾纤与第一个2×2光纤耦合器12相连，第一个光纤耦合器12的输出端与所述传感单元中的一个光纤光栅25相连，经过该光纤光栅反射后，由原路返回后经第一个2×2光纤耦合器12再与第二个2×2光纤耦合器13的输入端相连；第二个光纤耦合器13通过其两个输出端分别与所述传感单元中的另一个光纤光栅24和一个光电探测器16相连，从该光纤光栅24反射的光由原路返回后经第二个2×2光纤耦合器13与另一光电探测器17相连，所述的两个光电探测器通过电信号与所述的信号处理单元18相连。光信号如图1中箭头所示，宽带光源发出的光从A点经过光纤耦合器12到B点，然后进入光纤光栅25，经过光纤光栅25反射后的光信号再经光纤耦合器12到C点，然后经过光纤耦合器13分别到D点和E点，E点处的光被光电探测器16接收，作为参考光路用于补偿光源光功率波动和光纤链路中光损耗对测量的影响，D点处的光进入光纤光栅24，由光纤光栅24反射后的光再经光纤耦合器13到F点，然后由光电探测器17接收，经过光电转换后通过电线输入给信号处理单元18，完成信号的处理、记录和显示。

本发明所述的宽带光源11采用中心波长为1310nm的SLD光源，所述的的光纤光栅24和25及光纤耦合器12和13的中心工作波长为1310nm。所述的重力摆28采用永久磁铁材料。所述的传感单元的框架21采用有机玻璃材料制成，这样可以使实验者直观地清楚地观察框架内部悬臂梁的变形情况。

为了安装和拆卸及运输方便，本发明将试验仪分为电箱和传感单元两部分。

图5a为封装有宽带光源11、光电探测器16、17及信号处理单元18的电箱30立体外观示意图。该电箱设有电流输出接口以及光路输入输出接口，通过光纤耦合链路与电线分别与传感单元中的光纤光栅和电磁线圈相连。其中31为向传感单元15中电磁线圈29提供被测电流和振动信号的指标表，32为传感单元测量信号的电压指示表，33为电箱电源总开关，34为光源输出端口，35、36为向传感单元中的电磁线圈提供电流和振动信号的输出端口，37、38为来自传感单元的光检测信号的输入口。

图5b为传感单元15的立体外观示意图。所述传感单元中的位移测微头26和倾斜角度测微头27采用可拆卸结构。151、152为电磁线圈电流和振动信号的输入端口，153、154为两只光纤光栅的光学连接端口。实验中，根据需要，通过光纤耦合链路和电线将电箱30的相应端口与传感单元15的相应端口相连，实现不同参数的测量实验。

本发明的测量原理及过程如下：

1)倾斜角度测量实验原理：

选取传感单元15中不同的元部件，可以分别实现倾斜角度、电流、振动和位移等参数的测量，用于倾斜角度测量实验的元部件包括传感单元中的框架21、固定在框架上的悬臂梁23、固定在悬臂梁底部的重力摆28、对称粘贴在悬臂梁两侧的一对光纤光栅24和25以及竖直固定在框架外侧的倾斜角度测微头27。

由材料力学的知识可知，在不计悬臂梁23自身重量的情况下，由于悬臂梁弯曲，重力摆的分力使悬臂梁产生的应变可表示为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{mgL}}{\mathrm{Eb}{h}^2}\sin \mathrm{\θ}--\left(1\right)$

其中，mg为重力摆的重力，L为悬臂梁长度，E为悬臂梁材料的弹性模量，b为悬臂梁固定端宽度，h为悬臂梁厚度，θ为悬臂梁弯曲角度。由于两只光纤光栅距离很近，可认为所受环境温度相同。但由于悬臂梁弯曲对两光栅的应变作用完全不同，它们彼此大小相等、符号相反，即光纤光栅25受拉应变(正应变)，光纤光栅24受压应变(负应变)，如图2所示。使得受拉的光栅波长向长波长方向移动，而受压的光栅波长向短波长方向移动，两者移动量的绝对值相等，有

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_0}=2(1-P_e)\mathrm{\ϵ}=\frac{12(1-P_e)\mathrm{mgL}}{{\mathrm{Ebh}}^2}\sin \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中，λ₀为光纤光栅原始波长，Δλ_i为两个光栅波长变化量，P_e为光栅的弹光系数。设两个光栅的反射谱都可用高斯函数表示，如图3：

$S_1\left(\mathrm{\λ}\right)=R_1\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\Δ}}_1}\right)}^2]+{\mathrm{\δ}}_1---(3-a)$

$S_2\left(\mathrm{\λ}\right)=R_2\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\Δ}}_2}\right)}^2]+{\mathrm{\δ}}_2---(3-b)$

其中λ₁和λ₂分别是两光栅的布拉格波长，Δ₁和Δ₂为两光栅反射谱的3dB带宽，R₁和R₂为光栅的反射率，δ₁和δ₂为常熟。

而光电探测器接收到的光信号应该是这两个光栅发射信号的卷积，即存在

$W=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\α}\·I_0\·S_1\left(\mathrm{\λ}\right)S_2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

其中，α为系统的光衰减系数。将(3)式带入，可得

$W=\mathrm{\α}\·I_0\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\left\{R_1\exp \right[-4\ln 2\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}{{\mathrm{\Δ\λ}}_1^2}]+{\mathrm{\δ}}_1\}\×\left\{R_2\exp \right[-4\ln 2\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2)}^2}{{\mathrm{\Δ\λ}}_2^2}]+{\mathrm{\δ}}_2\}\mathrm{d\λ}$

$=\mathrm{\α}\·I_0{R}_1{R}_2\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2\sqrt{\ln 2}}\left\{\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{({\mathrm{\Δ\λ}}_1^2+{\mathrm{\Δ\λ}}_2^2)}^{1/2}}\exp \right[-4\ln 2\frac{{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2}{{\mathrm{\Δ\λ}}_1^2+{\mathrm{\Δ\λ}}_2^2}\left]\right\}+C_0---\left(5\right)$

其中，C₀为积分常数。

结合(2)式，可以得到接收光功率与倾斜角度的关系：

$W=\mathrm{\α}\·I_0{R}_1{R}_2\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2\sqrt{\ln 2}}\left\{\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{({\mathrm{\Δ\λ}}_1^2+{\mathrm{\Δ\λ}}_2^2)}^{1/2}}\exp \right[-4\ln 2{\left(\frac{12(1-P_e)\mathrm{mgL}}{\mathrm{Eb}{h}^2}{\mathrm{\λ}}_0\right)}^2\frac{{\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}^2}{{\mathrm{\Δ\λ}}_1^2+{\mathrm{\Δ\λ}}_2^2}\left]\right\}+C_0---\left(6\right)$

可见，倾斜角度引起悬臂梁的弯曲，悬臂梁弯曲造成粘贴在悬臂梁两侧的光纤光栅承受不同的应变，使得两光纤光栅反射谱发生分离，反射谱的分离导致了光电探测器接收到的光功率的降低，如图4。这样，通过监测光电探测器所接收到的光功率大小就可反映出倾斜角度的信息。

图5a为封装有宽带光源、光电探测器及信号处理单元的电箱30立体外观示意图。31为向传感单元15中电磁线圈29提供被测电流和振动信号的指标表，32为传感单元测量信号的电压指示表，33为电箱电源总开关，34为光源输出端口，35、36为向传感单元中的电磁线圈提供电流和振动信号的输出端口，37、38为来自传感单元的光检测信号的输入口。

图5b为传感单元15的立体外观示意图。151、152为电磁线圈电流和振动信号的输入端口，153、154为两只光纤光栅的光学连接端口。实验中，根据需要，通过光纤耦合链路和电线将电箱30的相应端口与传感单元15的相应端口相连，实现不同参数的测量实验。

2)电流测量实验原理

选取传感单元15中的框架21、固定在框架上的悬臂梁23、固定在悬臂梁底部的重力摆28、对称粘贴在悬臂梁两侧的一对光纤光栅24、25和固定在框架内底部的电磁线圈29可以实现对电流的测量实验。

向一个电磁线圈通入电流，线圈周围会产生磁场，如果在线圈一侧的轴线方向安放一个永久磁铁(悬臂梁底部的重力摆)，则此时永久磁铁在线圈产生的磁场作用下，由于电磁力的作用被吸引或者排斥。假设通电线圈产生的磁场对永久磁铁的作用力是吸引力，就可以通过图1的装置来实现对电流的测量。

电流测量实验和倾斜角度测量实验不同之处在于使悬臂梁发生弯曲变形的是电磁线圈对重力摆(永久磁铁)的电磁力而不是倾斜角度测量时的重力摆的分力。当在线圈中通入电流时，会产生电磁场，并对固定在悬臂梁自由端的永久磁铁产生电磁力的作用。当通入的电流对固定电磁铁产生吸引力时，悬臂梁自由端向线圈方向弯曲，情形与倾斜角度测量实验中山于重力摆的重力分力对悬臂梁的作用等同。其后的具体过程完全相同，不再分析。

3)振动测量实验原理

振动测量实验所使用的元部件与电流测量实验的相同，不同的是电流测量实验中由电箱输出经过电线通入到电磁线圈的被测信号是直流信号。而振动测量实验通入的是交流(正弦信号、三角波、锯齿波等)信号。交变的信号使得悬臂梁的受力时而是吸引力，时而是排斥力，从而使得悬臂梁产生往复的振动，振动的振幅与通入交流信号的振幅相关，振动的频率与通入的交流信号的频率相当。其他过程完全相同，不在分析。

4)位移测量实验原理

选取传感单元中的框架、固定在框架上的悬臂梁、固定在悬臂梁底部的重力摆、对称粘贴在悬臂梁两侧的一对光纤光栅和水平固定在框架外测的位移测微头可以实现对位移的测量实验。

位移测量实验与倾斜角度测量实验不同之处在于通过水平方向的位移测微头提供位移量，位移量被加在悬臂梁的底端，使得悬臂梁发生弯曲变形，从而使得梁产生应变，应变作用在光栅上，情形与倾斜角度测量实验中由于倾角引起的重力摆重力的分力对悬臂梁的作用等同。其后的具体过程不再分析。

Claims (4)

1.一种光纤光栅多参数综合传感实验仪，包括测量单元、传感单元以及连接它们的光纤耦合链路，所述的测量单元包括宽带光源以及信号处理单元(18)，其特征在于：所述的传感单元包括框架(21)，封装并固定在框架上的等厚的等腰三角形悬臂梁(23)，固定在悬臂梁底部的重力摆(28)以及对称粘贴在悬臂梁两侧的参数相同的两个光纤光栅(24、25)，水平固定在框架一侧且与重力摆在同一水平线上的位移测微头(26)，竖直固定在框架另一侧外部的倾斜角度测微头(27)，固定在框架内部且与重力摆在同一水平线上的电磁线圈(29)；所述的光纤耦合链路采用串联反射型光纤链路结构：即宽带光源尾纤与第一个2×2光纤耦合器(12)相连，第一个光纤耦合器(12)的输出端与所述传感单元中的一个光纤光栅(25)相连，经过该光纤光栅反射后，由原路返回后经第一个2×2光纤耦合器(12)再与第二个2×2光纤耦合器(13)的输入端相连；第二个光纤耦合器通过其两个输出端分别与所述传感单元中的另一个光纤光栅(24)和一个光电探测器(16)相连，从该光纤光栅反射的光由原路返回后经第二个2×2光纤耦合器(13)与另一光电探测器(17)相连，所述的两个光电探测器通过电信号与所述的信号处理单元相连。

2.按照权利要求1所述的光纤光栅多参数综合传感实验仪，其特征在于：所述的宽带光源采用中心波长为1310nm的SLD光源，所述的的光纤光栅及光纤耦合器的中心波长为1310nm。

3.按照权利要求1或2所述的光纤光栅多参数综合传感实验仪，其特征在于：所述的重力摆(28)采用永久磁铁材料；所述的传感单元的框架采用有机玻璃材料制成。

4.按照权利要求1所述的光纤光栅多参数综合传感实验仪，其特征在于：将所述的宽带光源(11)、两个光电探测器以及信号处理单元封装在同一个电箱中，该电箱设有电流输出接口以及光路输入输出接口，通过光纤耦合链路与电线分别与传感单元中的光纤光栅(24、25)和电磁线圈(29)相连；所述传感单元中的位移测微头(26)和倾斜角度测微头(27)采用可拆卸结构。

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