CN1743813A - 多模光纤光栅传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明的多模光纤光栅传感系统描述了一种基于倾斜滤波器的多模光纤光栅波长检测方法。由宽带光源发出的光，经多模光纤耦合器传输到多模光纤光栅传感器。从该多模光栅器件反射回的能量返回到上述耦合器，然后传输到第二个耦合器并分成两路。一路经过一个透射率随波长呈比例增加的光学滤波器到达光电探测器11；另外一路经过一个透射率随波长呈比例减少的光学滤波器到达另外一个光电探测器13。通过对光栅波长的测量即可实现对温度和应变的检测。其测量范围可达－5到+5nm，灵敏度为1pm，测量带宽可高达250kHz，取决于光源的功率。由于对光源的输出功率要求比单模光纤系统大大降低，系统的成本比相应的单模光纤光栅传感系统相应减少。检测速度快，可以根据应用需求通过调整滤波器的斜率的方法改变系统的检测灵敏度和动态范围。

Description

多模光纤光栅传感系统

技术领域：本发明属于光纤传感器检测技术，具体地说是关于多模光纤光栅传感系统。

背景技术：光纤传感系统以光导纤维为基础。根据光导纤维在传感系统中的功能，可分为本征型和非本征型两类。前者指光纤既用来作为信息传输媒介又用来构成传感器；而后者指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。光纤传感器具有许多传统的电子传感器所无法比拟的优点，包括：光纤为绝缘材料因此可以安全地用于高电压环境；光信号受外界电磁场干扰小，长期漂移小，可靠性高；光纤传感系统中光纤所传输的能量很小，不会产生电火花，因此可以用于煤矿、石油、天然气、化工厂等易燃易爆场合；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。

光纤布拉格光栅为基础的传感器，采用光纤本身为传感器，尺寸小，机械强度高；由于其传感机理是波长调制，可以方便地通过波分复用构成大容量传感器网络。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关键是测量其反射信号的波长。对于单模光纤光栅传感器，常用的波长检测方法包括以下几种：早期商用产品普遍使用的宽带光源和可调光学滤波器方法；Measures等(1998)首次提出目前已普遍应用的可调激光器技术；光纤Mach-Zhender干涉仪，KelleE等(1992)提出的倾斜滤波器，以及Davis等(1995)报道的匹配光纤光栅滤波器等。在单模光纤光栅的复用方面主要是采用波分复用(WDM)和时分复用(TDM)。

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数个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Claus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或倾斜滤波器的波长检测方法。

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低成本信号处理方法。该方法是基于倾斜滤波器，采用光学或光纤无源器件，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，因此系统成本比单模光纤光栅大大降低。

多模光纤布拉格光栅的原理：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。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。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。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个模能得到激励。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30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超级发光管(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ε所引起的波长漂移可以描述为：

Δλ＝(1-P_e)λε                                       (1)

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：

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

其中，db₁/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/℃；d/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。本发明的多模光纤光栅传感系统描述了一种基于倾斜滤波器的多模光纤光栅波长检测方法。其技术方案是这样实现的：由宽带光源发出的光，经多模光纤耦合器传输到多模光纤光栅传感器。从该多模光栅器件反射回的能量返回到上述耦合器，然后传输到第二个耦合器并分成两路。一路经过一个透射率随波长呈比例增加的光学滤波器到达光电探测器11。另外一路经过一个透射率随波长呈比例减少的光学滤波器到达另外一个光电探测器13。当传感光栅的波长处于设计工作点时，从多模光纤光栅传感器反射来的光分别经过两个滤波器后到达两个探测器的能量相等。当传感器的环境温度，或应变发生改变时，其波长发生变化。若波长变长，则到达探测器11的能量增加，而到达探测器13的能量变减小。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对于探测器11和13所造成的相对变化是相同的，因此可以通过比例算法消除掉。基于上述倾斜滤波器的波长识别方法，可以在光源，滤波器，探测器及其组合方式等方面根据应用要求优化设计，具体方案在具体实施方式部分详细介绍。

附图说明：

图1、倾斜滤波器多模光纤光栅检测方案框图之一。

图2、光学滤波器典型的传输特性示意图。

图3、带有互补型光学滤波器对的信号处理方案。

图4、互补滤波器的传输特性示意图。

图5、由光纤耦合器制成的一种互补滤波器的传输特性示意图。

图6、为倾斜滤波器方法对于1550nm的多模光栅传感器的检测结果。

图中：1-宽带光源    2、3、5、6、10、18-为多模光纤4、8-多模光纤耦合器  7、20-陷波装置  9-光学滤波器11、13-光电探测器  12、14-电压放大器  15、16-模拟信号处理部分  17-光纤连接器 19-多模光纤光栅传感器  21-微控制器

具体实施方式：

实施例一、如图1所示，从宽带光源1发出的光耦合到多模光纤2和耦合器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17与多模光纤光栅传感器19相连接，透过传感器19的光和由光纤6传出的光都在纤维末端采用陷波装置(7和20)将其全部损耗掉，使之不再返回原光路。由多模光纤光栅传感器19反射回的光，经耦合器4，多模光纤3进入耦合器8，耦合器8的两个输出，一部分直接到光电探测器11转化为电信号；另一路通过光学滤波器9然后连接到光电探测器13转化为电信号；12和14分别为用来放大由探测器11和13转换的光信号电压放大器，比例放大器15的功能是把放大器12和14输出的信号V₁₂和V₁₄按照一定的运算关系进行放大。

所述的宽带光源1，它可以是发光管(LED)、超级发光管(SLD)，放大的随机发射光源(ASE)或发热灯丝光源。当光纤传输距离较短，而且是对诸如通常的温度、压力等低频测量时，可以采用较低成本的，能满足低比特率、短距离光纤通信系统要求的发光管作为光源。在需要较长距离遥测和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)，或放大的随机发射光源(ASE)。常用的光源中心波长可以在800-850nm，1310nm或1550nm附近。2、3、5、6、10、18皆为多模光纤，光纤18代表传感器信号传输线，可以使用的多模光纤包括标准的50/125μm和62.5/125μm阶越型或渐变型多模光纤，也可以是105/125μm大数值孔径或其它特殊的多模光纤。所述的陷波装置可以采用下面的一种方法或两种方法的结合：(I)把光纤端头切割或研磨成一定的角度；(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用其它机械式衰减的方法。

图2为滤波器9的典型传输特性示意图。理想的传输特性随波长是线性递增(或递减的)，因此，在光功率恒定的情况下，该类滤波器可以把光的波长变化转换成强度变化。比例放大器15的功能是把放大器12和14输出的信号V₁₂和V₁₄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对传感器光波长的测量所产生的影响。该运算方法的一般形式为：

$V_o=k_0\frac{k_1{V}_{12}-k_2{V}_{14}}{k_3{V}_{12}+k_4{V}_{14}}+V_{\mathrm{offset}}---\left(3\right)$

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：

$V_o=k_0\frac{V_{12}-V_{14}}{V_{12}+V_4}+V_{\mathrm{offset}}---\left(3.1\right)$

$V_o=k_0\frac{V_{12}}{V_{14}}+V_{\mathrm{offset}}---\left(3.2\right)$

按照方程(3、3.1、3.2)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。

实施例二、为了提高测量的灵敏度，在实施例一(图1)的方案中，可以在耦合器8的输出端口接入一个与滤波器9的传输特性互补的光学滤波器22，系统的示意图如图3所示。图4为滤波器9和22的传输特性示意图。图3所示的信号处理方案为图1的一个变形。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。

实施例三、在实施例一(图1)和实施例二(图3)中的模拟信号处理部分15、16可以通过数字信号处理的方式来完成。由此构成的系统可以具有更强的灵活性。由此对图3所示的系统所做出的变形如图5所示，其中21为微控制器，它具有模数转换、数据处理、显示、数据通信等功能。图6所示为倾斜滤波器方法对于1550nm的多模光栅传感器的检测结果。试验中多模光纤光栅传感器在应变的作用下其波长发生移动。通过图5的信号检测，该传感器波长的变化被转变成数字信号输出电压。可以看出，该波长检测系统对应变的检测是呈线性的。

技术效果：本发明的多模光纤光栅传感系统描述了一种基于倾斜滤波器的多模光纤光栅波长检测方法。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。对于基于倾斜滤波器的波长检测方案，其测量范围可达-5到+5nm，灵敏度为1pm，测量带宽可高达250kHz，取决于光源的功率。由于对光源的输出功率要求比单模光纤系统大大降低，系统的成本比相应的单模光纤光栅传感系统相应减少。该方法的另一个优点是检测速度快，可以根据应用需求通过调整滤波器的斜率的方法改变系统的检测灵敏度和动态范围。

参考文献：

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

多模光纤光栅传感器系统，中国专利申请号200410075820.3，山东省科学院激光研究所，2004-12-24.

Claims (7)

1、多模光纤光栅传感系统，其特征在于：从宽带光源1发出的光耦合到多模光纤2和耦合器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17与多模光纤光栅传感器19相连接，透过传感器19的光和由光纤6传出的光都在纤维末端采用陷波装置(7和20)将其全部损耗掉，使之不再返回原光路。由多模光纤光栅传感器19反射回的光，经耦合器4，多模光纤3进入耦合器8，耦合器8的两个输出，一部分直接到光电探测器11转化为电信号；另一路通过光学滤波器9然后连接到光电探测器13转化为电信号；12和14分别为用来放大由探测器11和13转换的光信号电压放大器，比例放大器15的功能是把放大器12和14输出的信号V₁₂和V₁₄按照一定的运算关系进行放大。

2、根据权利要求1所述的多模光纤光栅传感系统，其特征在于：在耦合器8的输出端口接入一个与滤波器9的传输特性互补的光学滤波器22，如图3所示。

3、根据权利要求1所述的多模光纤光栅传感系统，其特征在于：所属的模拟信号处理部分15、16可以通过数字信号处理的微控制器21来完成，如图5所示。

4、根据权利要求1-3所述的多模光纤光栅传感系统，其特征在于：所述的宽带光源1是发光管(LED)。

5、根据权利要求1-3所述的多模光纤光栅传感系统，其特征在于：所述的宽带光源1是超级发光管(SLD)。

6、根据权利要求1-3所述的多模光纤光栅传感系统，其特征在于：所述的宽带光源1是放大的随机发射光源(ASE)。

7、根据权利要求1-3所述的多模光纤光栅传感系统，其特征在于：所述的宽带光源1是发热灯丝光源。

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