CN1614359A - 实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法，属光纤传感测量技术。方法包括：FBG传感器感受被测的位移、压力、振动的信号转换为布拉格波长的移动时，可调谐滤波器先对所设计的光谱范围进行连续的扫描，同时记录光电探测器的输出；根据光电探测器的输出的每一个FBG传感器的光谱波形，确定波形的上升或下降沿的中点，该中点为FBG传感器的工作点，并将该工作点范围值经数据采集单元记录由光电探测器输出；进行实时测量时，控制可调谐滤波器使其中心波长调谐依次对应每一个FBG传感器的工作点上进行测量。本发明的优点在于，实现对多个以波分复用方式连接的多个FBG传感器布拉格波长的巡回检测，能提供极高的布拉格波长解调灵敏度。

Description

实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法
                            技术领域
本发明涉及一种实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法，属光纤传感测量技术。
                            背景技术
光纤布拉格光栅(简称FBG)是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件。FBG已被越来越广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，使用寿命长，体积小，可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。近年来，随着FBG传感技术的不断发展，其应用范围也在日益扩大，并开始在有些领域取代传统的传感系统。
布拉格波长λB由光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff决定，即λB＝2Λneff。由此可见，任何可能引起光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff变化的外界因素，都会引起布拉格波长λB的变化。这些外界因素包括温度和应变(应力)、以及能够转换成温度和应变的其他物理量，如位移、压力、振动等。FBG传感是通过确定被光纤光栅反射或透射的布拉格波长实现对被测物理量值的绝对测量。因此，精确检测FBG传感器产生的波长移动是FBG传感中的一个关键问题。已有的技术包括CCD光谱仪、可调谐滤波器法、边带滤波器技术、双光纤光栅比对法、衍射体光栅技术等。作为一种通用测试仪器，光谱分析仪已被广泛用于FBG传感，特别是实验室的实验研究。但是光谱分析仪价格昂贵且不适合于现场应用。基于可调谐滤波器的FBG波长解调技术具有分辨率高、可同时进行多通道解调等优点，已被用于商用的FBG波长解调设备中。边带滤波器技术是利用光学滤波器的边缘将FBG反射波长的变化转换为光强的变化，再由光探测器将光强的变化转换为电流或电压变化，从而实现波长解调。由边带滤波器构成的FBG波长解调设备结构简单，造价低，测量范围宽，而且适合于动态测量，因而在科研和工程中得到一定程度的应用。
FBG传感的突出优点是其特有的波长编码与波分复用能力。而该特点对于实现多点传感网络是至关重要的。例如，在光纤水听器阵列中，需要以极高的灵敏度和频率响应检测来自数十个传感器的振动信号，而上述波长解调技术均不能满足该应用的要求。
                          发明内容
本发明的目的就是提供一种实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法。该方法高频率动态响应快，灵敏度高。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，采用包括宽带光源，三端光环行器，至少两个FBG传感器，可调谐滤波器及光电探测器的多通道光纤光栅传感装置，实现位移、压力、振动的高灵敏度测量的方法，其特征在于包括以下过程：
1、FBG传感器感受被测的位移、压力、振动的信号转换为布拉格波长的移动时，可调谐滤波器先对所设计的光谱范围进行连续的扫描，同时记录光电探测器的输出。
2、之后根据光电探测器的输出的每一个FBG传感器的光谱波形，确定波形的上升或下降沿的中点，该中点为FBG传感器的工作点，并将该工作点范围值经数据采集单元记录由光电探测器输出。
3、再进行实时测量时，控制可调谐滤波器使其中心波长调谐依次对应每一个FBG传感器的工作点上进行测量。
本发明的优点在于，采用上述方法可以实现对多个以波分复用方式连接的多个FBG传感器布拉格波长的巡回检测。在测量之前进行连续扫描，以及每个FBG传感器工作点的确定和相应工作点上斜率的计算是对整个测量系统的实时动态标定，克服了现有技术中由于采用边带滤波器而导致的测量系统对光纤传输通道的损耗，以及对光源输出变化等因素敏感这一关键问题。同时保持了边带滤波技术频率响应好，适合动态测量的优点。此外本发明的方法中，对每个FBG传感器布拉格波长解调的灵敏度由FBG传感器的反射谱型与可调谐滤波器的透射谱型的卷积确定。如果FBG传感器和可调谐滤波器的带宽很窄，则本发明的方法可提供极高的布拉格波长解调灵敏度。所以，本发明可应用于灵敏度光纤水听器阵列，多点多维振动测量系统等。
                          附图说明
附图1为由本发明涉及的光纤光栅传感装置的结构框图。图1中，101为宽带光源；102为三端光环行器；103、104、105为FBG传感器；106为可调谐滤波器；107为光电探测器；108为数据采集单元；109控制器。
附图2为可调谐滤波器连续扫描时光电探测器的光谱特性波形图。
附图3为单个通道的光谱特性波形曲线。
                        具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，由宽带光源101发出的宽谱光首先经环行器102和传输光纤传至串接在一起的多个FBG传感器103、104、105。这些FBG传感器具有不同的布拉格波长，它们与被测对象相接感受振动，并将振动转化成布拉格波长的变化。FBG传感器103、104、105将相应布拉格波长的光反射，沿传输光纤返回环行器102，由环行器102将反射的光信号传至可调谐滤波器106。可调谐滤波器106的输出光信号接光电探测器107，其输出电信号接数据采集单元108。控制器109控制可调谐滤波器106和数据采集单元108。
在测量开始时，由控制器109启动可调谐滤波器106在设定的光谱范围内进行连续的扫描，光电探测器107输出如附图2所示，其中每一个峰值对应一个FBG传感器的布拉格波长。数据采集单元108将该波形记录，并由控制器109计算每一个波形的上升沿的中点所对应的波长和对应驱动可调谐滤波器106的电压作为工作，并计算在该点的斜率。之后，控制器109控制可调谐滤波器使其中心波长调谐到对应第一个FBG传感器的工作点上，并保持在该点一定时间，在此时间内由数据采集单元108记录该FBG传感器布拉格波长移动而产生的电压变化，此电压变化与该FBG传感器感受的振动成正比，其比例系数可由标定实验确定。在完成预定时间的数据采集后，控制器109控制可调谐滤波器使其中心波长调谐到对应第二个FBG传感器的工作点上，并重复上述数据采集与记录。重复该过程直至完成对所有FBG传感器动态波长的测量。在完成了上述一次阶跃式扫描后，可以进行以下步骤：(1)从第一个FBG传感器开始多次重复上述阶跃式扫描；或(2)在每一次阶跃式扫描后，可调谐滤波器106在设定的光谱范围内进行一次连续的扫描，重新确定每个FBG传感器的工作点和计算相应工作点上的斜率。

Claims (1)

1、一种实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法，该方法采用包括宽带光源，三端光环行器，至少两个FBG传感器，可调谐滤波器及光电探测器的多通道光纤光栅传感装置，实现位移、压力、振动的高灵敏度测量，其特征在于包括以下过程：
1)FBG传感器感受被测的位移、压力、振动的信号转换为布拉格波长的移动时，可调谐滤波器先对所设计的光谱范围进行连续的扫描，同时记录光电探测器的输出；
2)之后根据光电探测器的输出的每一个FBG传感器的光谱波形，确定波形的上升或下降沿的中点，该中点为FBG传感器的工作点，并将该工作点范围值经数据采集单元记录由光电探测器输出；
3)再进行实时测量时，控制可调谐滤波器使其中心波长调谐依次对应每一个FBG传感器的工作点上进行测量。
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