CN1680838A - 多模光纤光栅传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模光纤光栅传感器系统，其特征在于：宽带光源1发出的光耦合到多模光纤2和多模光纤耦合器4，然后分配到两根多模光纤5和6；从光纤5发出的光经光纤连接器19与多模光纤光栅传感器21相连；透过传感器21的光和由光纤6传出的光都在纤维末端采用陷波装置将其全部损耗掉；由传感器21反射回的光经多模光纤耦合器4、多模光纤3进入多模光纤耦合器8，进而分配到参考光栅9和多模光纤13；由参考光栅9反射的信号经耦合器8和多模光纤7传到光电探测器11转化为电信号；由光纤13传出的光到达光电探测器14并转化为电信号；再经电压放大器16和比例放大器17再一次放大，输出的信号Vo用光谱仪检测。本发明的多模光纤光栅传感器系统可达到单模光纤光栅传感系统的性能，由于采用了多模发光管光源，因此系统成本能够比相应的单模光纤光栅传感器系统大幅度降低。

Description

多模光纤光栅传感器系统

技术领域    本发明属于光纤传感器技术领域，具体地说是关于多模光纤布拉格光栅传感器的波长检测方法和装置。

技术背景    光纤传感器指由光导纤维做成的多种传感器件。根据光导纤维在其中的功能，可把光纤传感器分为两类：第一类为本征型传感器：光纤既用来作为信息传输媒介又用来构成传感器；第二类为非本征型传感器：光纤只用来实现信息传输或能量采集的功能，而传感器是由其它非光纤材料制成的。与传统的电子传感器相比，光纤传感器具有下述一系列独特的优点，譬如：受外界电磁场干扰小、长期漂移小、可靠性高、不带电，因而适于在石油、天然气、化工及其它易燃易爆环境中应用；体积小、重量轻、复用能力强，可在一根光纤上连接多个传感器构成分布式传感器网络。

在各种光纤传感器技术中，以光纤布拉格光栅为基础的传感器，因其采用的是波长编码、而且尺寸小、机械强度高等优点特别受到重视。光纤布拉格光栅已被用来做成各种传感器，如温度、应变、加速度、压力、和电流传感器等。光纤光栅类传感器信号处理的基本原理是测量其反射信号的波长。常用的波长检测方法有许多种。Melle等人于己于1992年报道了一种基于光学滤波器的解调方法。Measures等人1998年发表了使用可调激光器对光纤光栅传感器的解调方法。Kersey和其同事于1992年发表了采用光纤干涉仪实现高分辨率光纤光栅应变传感器测量方法。Davis和Kersey于1995年发表了采用匹配光纤光栅滤波器对解调光栅应变传感器阵列的信号处理方法。除此以外，宽带光源和可调光学滤波器也被普遍采用。

上述基于单模光纤光栅的传感器系统与传统的电子传感器相比，尽管在很多方面具有优越的性能，但是信号处理系统的成本相对较高，因此限制了在工业等领域的普遍应用。在多模光纤上也可以用与单模光栅类似的方法制造光纤光栅。由于多模光纤的芯径和数值孔径都比单模光纤大，当使用发光管器件作为光源时，光的耦合效率比单模光纤可以提高30到100倍。由于发光管器件的成本远低于可调激光器，多模光纤光栅传感器系统在成本上具有较大潜力可以大大低于单模光纤系统的成本。

美国的Wanser等人1994年报道了使用多模光纤布拉格光栅进行弯曲传感检测的应用和理论分析。在其方案中，反射光谱的形状通常与在传感光栅元件前的光纤的弯曲角度有关。日本的Mizunami等人则发表了用标准的50/125um渐变型光纤制成的多模光栅和用色散转移光纤制成的少模光栅的特性及其在温度检测和弯曲传感的实验研究。Zhao和C1aus也演示证明了采用多模光栅进行应变和温度传感监测的可行性。Lim等人发布了一种基于传感器反射光谱和同传感器预记录参考光谱相关联的信号处理方法来解决多模光栅传感器的多峰值波长测量问题。上述关于多模光纤光栅传感器的研究只局限于采用传统的实验室仪器，譬如光譜分析仪等。既没有涉及到使用低成本的发光管光源，也没有涉及到采用多模匹配光栅的波长检测方法。

综上所述，尽管光纤光栅已成为光纤传感器的一个主流技术，但是在信号处理技术上比较成熟的是单模光纤光栅系统。而适合工程应用的针对多模光纤光栅传感器的信号处理技术还有待于进一步解决。

发明内容    本发明的目的是提供一种针对多模光纤光栅传感器的信号处理方法，该方法利用匹配多模光纤光栅，使用低成本的多模光源来替代传统的单模光纤输出的光源或可调激光器，能够达到1pm的波长分辨率。

技术方案    多模光纤布拉格光栅的原理是当多模光纤纤芯的折射率沿光纤轴向以空间周期而均匀的调制后，就形成多模光栅。决定光栅布拉格反射条件的光传播系数将满足β₁-β₂＝2π/Λ，这里β₁和β₂分别是同一个空间模前向和后向导波的传播常数。对于标准的50/125微米多模光纤，在波长1310nm或1550nm区域能支持几百个以上的传导模。然而，由于许多传导模可以具有几乎相等的传播常数，在光栅的反射光谱上就表现为同一个布拉格反射波长。这种具有相同传播常数的传导模，在分析时可等效为一个简并模。对于多模光纤中的第N个简并模，其传播常数β_N可以描述为：

${\mathrm{\β}}_N=\frac{2{\mathrm{\πn}}_c}{\mathrm{\λ}}\sqrt{1-\frac{4\mathrm{\Δ}(N+1)}{V}}----\left(1\right)$

这里n_c代表纤芯的折射率，Δ为最大相对折射率的差值，V＝2πaNA/λ为归一化频率，a为纤芯半径，NA为光纤的数值孔径。

布拉格反射条件可以是在同一个简并模的前向和后向导波之间的相位匹配耦合，也可以是由两相邻简并模之间的相位匹配耦合而产生的。由于第N个简并模的前向和后向传播模间耦合所产生的布拉格波长为

$\mathrm{\λ}={2n}_1\mathrm{\Λ}\left(\sqrt{(1-4\mathrm{\Δ}(N+1)/V}\right)----\left(2\right)$

其中Λ为光栅的周期。由第N个和第(N+1)个反射模之间的匹配而产生的布拉格波长将取决于这两个相邻模传播常数的平均值，β＝β_N+β_N+1。因此在光谱上也将位于第N个和第(N+1)个模的布拉格反射峰之间。

对于一个多模光纤光栅，能观察到的简并模的数量取决于光纤中有多少模得到激励。若把宽带白光源发出的光耦合进多模光纤，几乎所有的传播模式都可以得到激励。在此情况下，一般可以观察到个左右的布拉格反射波峰。然而当光是来自单模光纤或窄带光源，譬如带有单模尾纤的SLD，并用来耦合到多模光纤光栅，不是所有的传导模式都能被激励，这样能观察到布拉格波长也就减少，通常在10个以下。与单模光纤光栅类似，多模光纤光栅的反射波长也会受环境温度和沿光纤轴向应变调制。对任一兼并模的布拉格波长，由应变所引起的波长漂移可以描述为：

      Δλ＝(1-P_e)λε               (3)

这里λ和Δλ分别是布拉格波长和波长的相对变化量，P_e是有效光弹性系数，对于标准光纤其数值为0.22。

多模光纤光栅对温度的响应系数可由下式描述：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{dn}}_1{\mathrm{\Λ}}^2}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}+[\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_1^2\mathrm{\Λ}}-\frac{{\mathrm{\λ}}^2(N+1)(3n_2-2n_1)}{2\mathrm{\πa}{n}_1^2\sqrt{2n_1(n_1-n_2)}}]\frac{d{n}_1}{\mathrm{dT}}+\frac{{\mathrm{\λ}}^2(N+1)}{2\mathrm{\πa}{n}_1\sqrt{2n_1\left(n_1{n}_2\right)}}\frac{d{n}_2}{\mathrm{dT}}----\left(4\right)$

其中，dn₁/dT和dn₂/dT分别为光纤纤芯和包层的折射率对温度的变化系数，约为0.55×10^-5/℃；dΛ/dT为光纤的热膨胀系数，其数值约为0.55×10^-6/℃。

利用对温度和应变的响应特性，多模光纤光栅可以封装成温度或应变传感器。通过对光栅波长的测量即可实现对温度和应变的检测。本发明采用的波长检测方法是基于匹配多模光纤布拉格光栅。

基于匹配多模光纤布拉格光栅的波长检测方案  多模光纤匹配光栅波长检测的原理与单模光纤相似。宽带光源发出的光，经耦合器传输到多模光纤光栅传感器。一部分能量将由该多模光栅器件反射传回到上述耦合器。反射回来的光能量通过另一个耦合器分配成两路：一路直接到光电探测器11，另外一路经过一个与传感器光栅同样的参考光栅，即匹配光栅，然后到达光电探测器14。当传感光栅的环境温度与参考光栅相同，而且不受应变时，两光栅的反射光谱相同，传输到参考光栅的光能量大部分被反射回去，因此通过参考光栅后到达探测器14的光能量最小。而当传感光栅的波长偏离参考光栅时，探测器14接收到的光能量将增大。探测器11接收到的光强不随传感光栅的波长发生变化，因此可以用来补偿由于光源的强度，光谱的平坦度，光纤传输损耗等变化所造成的影响。

除上述信号探测方式外，利用参考光栅反射的能量与代表传感光栅的反射能量的信号的相对变化，或者是利用参考光栅反射的信号与通过其透射的信号之间的相对变化也都可以达到上节所描述的光栅波长检测以及强度补偿的目的。

上述匹配光栅波长检测方法的优点是灵敏度高，检测速度快，成本低廉。当参考光栅没有采用闭环控制时，该方案的波长检测范围较窄。对于较大范围的波长检测可以通过对参考光栅的闭环控制来进行。此时，该大量程波长检测的带宽将取决于参考光栅波长跟踪的响应速度。

附图说明

图1匹配光纤光栅检测方案框图之一。

图2匹配光纤光栅检测方案框图之二。

图3匹配光纤光栅检测方案框图之三。

图4匹配光纤光栅检测方案框图之四。

图5用于匹配光纤光栅检测实验的两个1310nm多模光纤光栅的反射光谱。使用的光源为带有多模光纤尾纤的发光管，其中心波长在1310nm附近。两个光纤光栅的基频波长都在1310.2nm附近。

图6用于匹配光纤光栅检测实验的两个1550nm多模光纤光栅的反射光谱。使用的光源为带有单模光纤尾纤的发光管，其中心波长在1550nm附近。两个光纤光栅的基频波长都在1549nm附近。

图7为应用匹配滤波器方法对于1310nm多模光栅传感器的测量结果。X-轴为传感器光栅的波长；Y-轴为按照图1的方案所得到的检测结果。传感器信号谱为图5中的虚线，参考光栅信号为图5中的实线。光栅的波长对应于图5中最高的反射峰，即从右面数第二个反射峰。图7显示，匹配检测方案的结果基本上是线性的。

图8为应用匹配滤波器方法对于1550nm多模光栅的测试结果。X-轴为传感器光栅的波长；Y-轴为按照图1的方案所得到的检测结果。图8的结果显示，匹配检测方案对于1550nm的多模光栅，其结果基本上是线性的。

具体实施方式  以下结合附图祥细说明本发明的多模光纤光栅传感器系统：如图1所示，宽带光源1发出的光耦合到多模光纤2和多模光纤耦合器4，然后分配到两根多模光纤5和6；从光纤5发出的光经光纤连接器19与多模光纤光栅传感器21相连；透过传感器21的光和由光纤6传出的光都在纤维末端采用陷波装置10和22将其全部损耗掉，使之不再返回原光路；由传感器21反射回的光经多模光纤耦合器4、多模光纤3进入多模光纤耦合器8，进而分配到参考光栅9和多模光纤13；由参考光栅9反射的信号经耦合器8和多模光纤7传到光电探测器11转化为电信号；由光纤13传出的光到达光电探测器14并转化为电信号；电压放大器12和15分别为用来放大由探测器11和14转换的光信号；16为比例放大器，其输出信号进入比例放大器17再一次放大，由比例放大器17输出的信号Vo用光谱仪检测。

宽带光源1，它可以是发光管，也可以是超级发光管，放大随机发射光源(ASE)或者是白帜灯丝光源。对于短传输距离和诸如通常的温度，压力等低频测量情况，可以采用较低成本的、通常用于低比特率、短距离光纤通信用的发光管作为光源。在需要较长距离或较高速的测量情况时，可以选用其它高功率的光源，如超级发光管(SLD)，或放大随机发射光源(ASE)。常用的光源波长可以在850nm、1310nm或1550nm附近。2，3，5，6，7，13，20皆为多模光纤。在图1中，方框18代表信号处理部分；光纤20代表传感器信号传输线。可以使用的多模光纤包括标准的50/125m和62.5/125m阶越型或渐变型多模光纤，也可以是105/125m大数值孔径或其它特殊的多模光纤。4和8为50∶50多模光纤耦合器。纤维末端采用陷波装置(10和22)可以采用下面的一种方法或两种方法的结合：(I)把光纤端头切割或磨光成一定的角度；(II)把光纤端头浸入折射率匹配胶内；(III)把光纤端头前部的光纤弯曲固定或其它机械衰减的方法。比例放大器17的功能是把放大器12和15输出的信号V₁₂和V₁₅按照一定的运算关系进行放大。其结果是消除由于光源的强度、光谱形状、传感器的反射系数、光纤传输线路损耗等共模噪声传感器光波长的测量产生影响。该运算方法的一般形式为：

$V_o=k_0\frac{k_1{V}_{12}-k_2{V}_{15}}{k_3{V}_{12}+k_4{V}_{15}}+V_{\mathrm{offset}}----\left(5\right)$

其中，k_i为比例因子，i＝0到4；V_offset为工作点调零电压。下面两种情况为实际应用中的两个特例：

$V_o=k_0\frac{V_{12}-V_{15}}{V_{12}+V_{15}}+V_{\mathrm{offset}}----\left(6\right)$

$V_o=k_0\frac{V_{12}}{V_{15}}+V_{\mathrm{offset}}----\left(7\right)$

按照方程(5)-(7)中的算法所得到的检测信号都可以把传感器波长的变化，转换成电压强度信号，而且对系统的共模噪声能进行有效的抑制。

图2所示的信号处理方案为图1的一个变形，其特点是多模纤耦合器8分配到参考光栅9的透射光进入光电探测器14，并转化为电信号，而多模光纤13的末端带有陷波装置23。信号处理的方式与图1所描述的方案相同。该方案的优点是，当探测器11所接收的信号减少时，到达探测器14的信号强度会增加，反之亦然。因此，信号的灵敏度会比图1所示的方案有所提高。

图3所示的信号处理方案为图1和图2的另一个变形，其特点是多模光纤耦合器8分配到参考光栅9的光进入光电探测器14并转化为电信号，多模光纤13的光进入光电探测器11，而多模光纤7的末端带有陷波装置25。信号处理的基本方式与图1所描述的方案相同，探测器14的位置与图2相同；但探测器11的位置与图1不同。探测器14检测到的信号的变化将取决于传感器光栅21和参考光栅9之间光谱的相对差异。与图1的方案相比，该信号由于不须返回耦合器8因而避免了由此所带来的损耗。

图4所示的方案，是基于图1的基础上增加了闭环调制功能，其特点是信号处理部分增加了包括28-31的闭环控制单元，来自放大器17的动态输出信号和一个可外部设定的参考电压信号29，产生一个差别信号V_DC并通过放大器30对其进行放大，放大器30的输出信号用来控制光栅驱动器31，光栅驱动器31的信号驱动光栅9。该方案使得参考光栅的状态与传感器的状态保持相对不变。其结果是可以大大改善系统的低频检测范围。V_DC通过放大器30对其进行放大，该差别信号作为信号处理的低频输出，它标志着传感器光栅的绝对波长变化，可以用来测量温度，应变，压力等低频传感量。而VO则适宜高速动态信号的检测，诸如，振动，超声，地震波检测等。放大器30的输出信号用来控制光栅驱动器31。31可以为加热装置，也可以为一机械伸缩装置，其功能是通过温度或应变来调整参考光栅的状态，使其跟踪传感器光栅的状态。在图4中描述的包括28-31的闭环控制方法，也同样适合于在图2和图3的信号检测方案中以相同的方式采纳。

技术效果

匹配多模光纤布拉格光栅波长检测系统的技术性能取决于光源的能量、光栅的反射系数和光纤传输距离等。对于短距离传输系统(1公里以内)，若使用低功率(50微瓦)、带有多模光纤尾纤的1310nmLED，和在标准的50/125m渐变型多模光纤上加工的高反射系数光纤光栅(最大反射峰可达80％)，而且测量带宽在10kHz以内，那么灵敏度可以达到优于0.1pm，测量范围为0.3nm。当对参考光栅采用闭环控制时，波长测量范围可达5nm。若采用较大功率的光源，如超级发光管(SLD)时，在同样的灵敏度(0.1pm)和测量范围(0.3nm)的情况下，信号传输距离可达数公里，测量带宽可达100kHz。

本发明的多模光纤光栅传感器系统的信号处理方法，可达到单模光纤光栅传感器系统的性能，采用的是光学或光纤无源器件，没有机械运动部件，长期稳定、系统成本比相应的单模光纤光栅传感器系统的成本低。

参考文献：

S.M.Melle，K.Liu and R.M.Measures“A passive wavelength demodulation system forguided-wave Bragg

grating sensors” IEEE Photonics Technology Letters，4，516-18，1992.R.M.Measures，M.M.Ohn，S.Y.Huang，J.Bigue and N.Y.Fan，“Tunable laser demodulation ofvarious fiber Bragg grating sensing modalities”，Smart Materials and Structures，7，237-247，1998.

A.D.Kersey，T.A.Berkoff，and W.W.Morey，“High-resolution fiber-grating based strain sensorwith interferometric wavelength-shift detection”，Electronics Letters，28，236-238，1992.M.A.Davis and A.D.Kersey，“Matched-filter interrogation techniques for fiber Bragg gratingarrays”，Electronics Letters，31，822-824，1995.

K.H.Wanser，K.F.Voss，and A.D.Kersey，“Novel fiber devices and sensors based onmultimode fiber Bragg gratings”，Proc. SPIE 2360，265-268，1994.

Claims (4)

1、纤光栅传感器系统，其特征在于：宽带光源1发出的光耦合到多模光纤2和多模光纤耦合器4，然后分配到两根多模光纤5和6；从光纤5发出的光经光纤连接器19与多模光纤光栅传感器21相连；透过传感器21的光和由光纤6传出的光都在纤维末端采用陷波装置10和22将其全部损耗掉，使之不再返回原光路；由传感器21反射回的光经多模光纤耦合器4、多模光纤3进入多模光纤耦合器8，进而分配到参考光栅9和多模光纤13；由参考光栅9反射的信号经耦合器8和多模光纤7传到光电探测器11转化为电信号；由光纤13传出的光到达光电探测器14并转化为电信号；12和15分别为用来放大由探测器11和14转换的光信号电压放大器；16为比例放大器，其输出信号进入比例放大器17再一次放大，由比例放大器17输出的信号Vo用光谱仪检测。

2、根据权利要求1所述的多模光纤光栅传感器系统，其特征在于：多模光纤耦合器8分配到参考光栅9的透射光进入光电探测器14并转化为电信号，而多模光纤13的末端带有陷波装置23。

3、根据权利要求1所述的多模光纤光栅传感器系统，其特征在于：多模光纤耦合器8分配到参考光栅9的光进入光电探测器14并转化为电信号，多模光纤13的光进入光电探测器11，而多模光纤7的末端带有陷波装置25。

4、根据权利要求1所述的多模光纤光栅传感器系统，其特征在于：信号处理部分增加了包括28-31的闭环控制单元，来自放大器17的动态输出信号和一个可外部设定的参考电压信号29，产生一个差别信号V_DC并通过放大器30对其进行放大，放大器30的输出信号用来控制光栅驱动器31，光栅驱动器31的信号驱动光栅9。

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