CN1699925A - 温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法及其系统。是通过计算机信号采样和计算得到系统工作点，对滤波光纤光栅温度进行控制，使滤波光纤光栅滤波波长在正确的工作点，光纤光栅作为窄带波长滤波器对光纤布拉格光栅传感器的波长信号进行解调。本发明能够克服环境温度对光纤光栅动态传感系统带来的不利影响，系统能够自动的适应光纤光栅传感器环境温度变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法及其系统。
背景技术
光纤Bragg光栅作为新型传感器件在应变和温度传感领域受到广泛关注。光纤FBG光栅传感器在应变传感领域可以分为准静态传感和动态传感。准静态传感目前已在桥梁、隧道和矿井监测和材料检测等现场获的一定的应用。动态测量主要侧重于频域信号的分析，目前也有较大的进展。对于光纤光栅传感系统的关键技术Bragg波长信号的解调，目前在该领域已进行了多方面研究：基于FBG滤波法，马赫-泽德干涉法，法布里-珀罗滤波法，可调光源法，DWDM调制法，AOTF(acoustic tuned integrated optics filter)法等。这些方法中的一个重要问题是对于变化的动态信号例如高频振动，或瞬态脉冲信号例如爆破撞击等，没有足够高的时间响应，同时分离环境温度也是一个急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法及其系统。
温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法：是通过计算机信号采样和计算得到系统工作点，对滤波光纤光栅温度进行控制，使滤波光纤光栅滤波波长在正确的工作点，光纤光栅作为窄带波长滤波器对光纤布拉格光栅传感器的波长信号进行解调。
通过计算机信号采样和计算得到系统工作点：计算机通过控制滤波光纤光栅温度和数据采集得到在当前环境下滤波光纤光栅温度和传感光纤光栅波长匹配关系，计算得到滤波光纤光栅的工作波长和相应的温度。对滤波光纤光栅温度进行控制：计算机根据已得到的工作温度，计算温度控制所需电流，通过数据通信，控制滤波光纤光栅到工作点温度。光纤光栅作为窄带波长滤波器对光纤布拉格光栅传感器的波长信号进行解调：滤波光纤光栅在工作波长对传感光纤光栅的波长信号进行滤波解调，并经过光电二极管转换为电信号，放大，采样后得到信号。
温度控制光纤布拉格光栅的波长解调系统：宽带光源依次与光纤循环器、传感光纤布拉格光栅相接，光纤循环器依次与耦合器、光电二极管、Log放大器、低通滤波放大器、数据采集卡、计算机相接，耦合器依次与滤波光纤光栅、光电二极管、Log放大器相接，Peltier片依次与直流电流源、计算机相接，Peltier片上设有温敏电阻、滤波光纤光栅，温敏电阻依次与PID控制器、计算机相接。
发明能够克服环境温度对光纤光栅动态传感系统带来的不利影响，系统能够自动的适应光纤光栅传感器环境温度变化。
附图说明
图1是温度控制光纤布拉格光栅的波长解调系统方框图；
图2是本发明光纤布拉格光栅滤波解调原理示意图；
图3是本发明温控滤波光纤布拉格光栅的工作点实验图；
图4是本发明温控滤波光纤布拉格光栅的温度与控制电流的关系实验图；
图5是本发明光纤布拉格光栅采样信号与加速度传感器采样信号比较实验图。
具体实施方式
如图1所示，温度控制光纤布拉格光栅的波长解调系统：宽带光源1依次与光纤循环器2、传感光纤布拉格光栅3相接，光纤循环器2依次与耦合器4、光电二极管7、Log放大器8、低通滤波放大器9、数据采集卡10、计算机11相接，耦合器4依次与滤波光纤光栅5、光电二极管6、Log放大器8相接，Peltier片15依次与直流电流源13、计算机11相接，Peltier片15上设有温敏电阻14、滤波光纤光栅5，温敏电阻14依次与PID控制器12、计算机11相接。
具体设备如下：宽带光源采用ASE光源(有效波长范围1525～1575nm)；传感光纤布拉格光栅和滤波光纤光栅为定制，布拉格波长都为1550nm；光纤循环器、耦合器为通用器件，光电二级管为普通InGaAs光电二级管(波长1550nm)，Log放大器采用TI公司的Log102芯片，低通滤波放大器为2.5KHz的低通放大器，数据采集卡采用NI公司的DAQ-6036卡，直流电流源采用PM2811，PID控制器采用Red lion公司的T48，温敏电阻为T48的专用电阻，Peltier片最大电流2A。计算机为PC机。实验中传感光纤光栅埋入长度为1.5m的长方体岩石。对该长方体岩石在受到外界激励时震动的波形时域信号和频域信号进行采样分析。
如图2所示，传感光纤光栅的布拉格波长在滤波光纤光栅的透射率曲线斜坡上，此时滤波光纤光栅可正常工作，此时滤波光纤光栅的温度为工作点温度。
如图3所示，程序通过向直流电流源发出指令控制Peltier片的温度，同时根据PID控制器返回的温度，对滤波光纤光栅在0-50℃的温度范围内进行扫描，根据得到的采样电压信号程序可拟合得到在不同温度下输出电压信号曲线，一阶求导得到极值(33.9℃和16.7℃)为系统工作点，此时滤波FBG具有最大的灵敏度计算得到工作点。
对于工作点温度的调节，需调节Peltier片的供电电流，根据事先标定得到的Peltier片的供电电流和滤波光纤光栅温度变化的关系，可确定电流大小。图4为实验得到的两者线性关系，但是在加热和制冷过程中其系数不同。分别为I＝0.0693ΔT(制冷)和I＝0.04988ΔT(加热)。根据由PID控制器得到的目前滤波光纤光栅温度，可计算得到所需电流，由计算机程序通过GPIB通信设定电流源电流大小，使滤波光纤光栅温度设定到合适的工作点。
在一段时间后(约1分钟)后，系统到稳定在工作点后，计算机通过程序控制数据采集卡对于光纤光栅动态应变传感系统的进行信号测量，系统采用自触发模式，等到有触发信号后，记录动态信号。信号传感计算如下：
传感光纤光栅的布拉格波长和应变的关系如下：
其中λ0是传感光纤光栅的布拉格波长，ε是应变，Δλ是应变引起的传感光纤光栅的布拉格波长变化。光电二极管6的输出电流和应变关系如下：
Is＝I0+anΔλ＝I0+0.78αnλ0ε (2)其中I0为基电流；α为常数，取决于系统器件(包括光电二极管、滤波光纤光栅、光源等)；n为由光源、循环器、传感器、耦合器、光纤等光学系统带来的噪音。
而光电二级管7接受到的信号为
Ir＝An (3)其中A为常数，取决于光学系统各器件。Log放大器对Is和Ir作相除取对数的实时处理后得到电压信号：
＝log(0.78·k·ε·λ0+q) (4)其中k＝a/A，q＝I0/A为常数。令
R＝10U＝0.78·k·ε·λ0+q (5)得到
U＝log(R) (6)经过滤波放大器后，得到
U′＝βlog(R) (7)
其中β为常数，取决于Log放大器和滤波放大器的增益。得到此电压信号由数据采集卡高速采集后，经软件的数学处理后还原得到R，即可得到应变信号。
图5是结果实例。通过频谱分析可见到FBG信号在1.66KHz具有极大的峰值，另在0.39KHz、1.0KHz、1.8KHz处有较小峰值；同时采用采用了传统加速度传感器(Geophone)作为比较。在加速度传感器测量的对比信号中，也有1.66KHz的尖峰，在0.39KHz和1.0KHz处信号较小。
Claims (5)
1.一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法，其特征在于，通过计算机信号采样和计算得到系统工作点，对滤波光纤光栅温度进行控制，使滤波光纤光栅滤波波长在正确的工作点，光纤光栅作为窄带波长滤波器对光纤布拉格光栅传感器的波长信号进行解调。
2.根据权利要求1所述的一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法，其特征在于，所述的通过计算机信号采样和计算得到系统工作点：计算机通过控制滤波光纤光栅温度和数据采集得到在当前环境下滤波光纤光栅温度和传感光纤光栅波长匹配关系，计算得到滤波光纤光栅的工作波长和相应的温度。
3.根据权利要求1所述的一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法，其特征在于，所述的对滤波光纤光栅温度进行控制：计算机根据已得到的工作温度，计算温度控制所需电流，通过数据通信，控制滤波光纤光栅到工作点温度。
4.根据权利要求1所述的一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调方法，其特征在于，所述的光纤光栅作为窄带波长滤波器对光纤布拉格光栅传感器的波长信号进行解调：滤波光纤光栅在工作波长对传感光纤光栅的波长信号进行滤波解调，并经过光电二极管转换为电信号，放大，采样后得到信号。
5.一种温度控制光纤布拉格光栅的波长解调系统，其特征在于，宽带光源(1)依次与光纤循环器(2)、传感光纤布拉格光栅(3)相接，光纤循环器(2)依次与耦合器(4)、光电二极管(7)、Log放大器(8)、低通滤波放大器(9)、数据采集卡(10)、计算机(11)相接，耦合器(4)依次与滤波光纤光栅(5)、光电二极管(6)、Log放大器(8)相接，Peltier片(15)依次与直流电流源(13)、计算机(11)相接，Peltier片(15)上设有温敏电阻(14)、滤波光纤光栅(5)，温敏电阻(14)依次与PID控制器(12)、计算机(11)相接。
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