CN1776374A - 基于长周期光纤光栅对传感器的双参量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于长周期光纤光栅对传感器的双参量测量的方法。目前还没有人提出一种高效廉价的LPGP传感器的双参量测量方法。本发明中宽带光通过LPGP，产生一个由光纤芯层包层折射率差引起的光程差，该光程差被一个可扫描的麦克尔逊干涉仪补偿并得到干涉条纹。干涉条纹的强度主要对LPGP的曲率敏感，对干涉条纹进行傅氏变化可得到LPGP中长周期光纤光栅光谱损耗峰的中心波长，该波长位置主要对温度信号敏感。从而完成LPGP传感器的双参量信号获取。另外通过利用矩阵法来消除参量之间的交叉影响。本发明具有成本低廉的优点，适合集成化和仪器化。

Description

基于长周期光纤光栅对传感器的双参量测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种长周期光纤光栅对传感器的双参量测量方法。

背景技术

在现代传感中，对两个或两个以上的参量同时测量的情况非常普遍。韩国的Y.G.Han在不同直径的光纤上写入两段布拉格光栅，该两段光栅的频谱反射峰位置对温度变化敏感度相同，但对应变敏感度不同，通过监测两个反射峰位置的变化，同时解调出温度和应变信号。在建筑物状态的实时监测系统中，同时能对温度和应变(或者弯曲)进行测量的传感器及其查询方法非常有用而且市场广阔。

在光纤传感领域，长周期光纤光栅对(Long-Period fibre GratingPair，简称LPGP)由于其对弯曲、温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个十分重要的传感器件。利用第一个长周期光纤光栅将光纤芯层光能量耦合一半到光纤包层，经过一段路程的传播再由第二个光栅耦合回芯层，与另一半经过芯层的光汇合，长周期光纤光栅对事实上构成了一个以光纤芯层和包层为两臂的马赫-曾德(M-Z)干涉仪。由于弯曲将导致长周期光纤光栅对中包层模式光能量的泄漏，而其中单个长周期光纤光栅的透射谱损耗峰位置(即耦合到包层那部分光能量的中心波长位置)与温度有关，事实上，长周期光纤光栅对传感器对曲率和温度两个重要传感参量敏感。但是目前还没有一个高效廉价的方案对其进行测量。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于长周期光纤光栅对的传感器的温度和曲率同时测量的方案。

本发明的方法包括以下步骤：

1、选用波长范围覆盖长周期光栅透射损耗峰的宽带光源，光源带宽范围20～60nm；宽带光经过单向隔离器，进入长周期光纤光栅对后得到一个引入光程差的信号光，所述光程差是利用长周期光纤光栅能把光纤芯层的光能量耦合到包层这一特性，长周期光纤光栅对传感器通过第一个长周期光纤光栅把一半光能量耦合到光纤包层，经过一段光程的传播后，被第二个长周期光纤光栅耦合回芯层，与通过芯层的另外一半光能量汇合，长周期光纤光栅对传感器中的光信号的光程差为：

              OPD＝Δn·L               (1)

其中Δn表示光纤芯层与包层的有效折射率差，L表示长周期光纤光栅对传感器中光栅中心距离。单向隔离器的作用主要是防止反射光对光源的破坏作用。

2、信号光进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜以速度V移动，使两路信号光之间引入另一个光程差，并产生扫描，从而补偿长周期光纤光栅对传感器引入的光程差。

3、补偿后的两路光信号在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，得到时间序列的干涉信号。所述的时间序列的干涉信号可用下式表示：

$I\left(t\right)=D+A\cos (2\mathrm{\π}\·\frac{2V}{{\mathrm{\λ}}_0}\·t+\mathrm{\φ})---\left(2\right)$

其中I表示干涉信号，D表示其直流分量，A表示交流分量的包络，代表干涉的强度，V是反射镜扫描速度，λ₀是长周期光纤光栅对中长周期光纤光栅的透射谱损耗峰中心波长，φ是相位项。

4、时间序列的干涉信号经过高通滤波器，可获得交流分量A。由于弯曲会导致长周期光纤光栅对中包层模式的光能量泄漏，减弱干涉强度。所以干涉强度A与长周期光纤光栅对曲率信号C成线性关系A＝nC+m。A与C的线性关系可通过实验室定标获得。在温度恒定的条件下，弯曲选定的长周期光纤光栅对，在不同的曲率条件下，获得对应的干涉强度，对实验获得的测试点进行线性拟合，即可获得n和m值

5、时间序列的数据通过傅氏变换，获得长周期光纤光栅对中长周期光纤光栅的透射谱损耗峰中心波长λ₀，该波长位置与外界温度成线性关系λ₀＝pT+q。λ₀与T的线性关系通过实验室定标获得。在长周期光纤光栅对曲率恒定的条件下，改变长周期光纤光栅对环境温度，在不同的温度下，获得对应的透射谱损耗峰中心波长λ₀，对实验获得的测试点进行线性拟合，即可获得p和q值。

6通过测量交流分量A和中心波长λ₀，利用第4步和第5步的线性关系，获得曲率C和温度T。

对于不同参数长周期光纤光栅对，通过实验室定标确定其对应的n，m，p和q值，实用测量时只需要利用测得的交流分量A和中心波长λ₀以及线性关系即可确定曲率C和温度T。本发明主要适用于温度与曲率的双参量测量，测量精度高。通过反射镜扫描，可实现实时在线监测。利用不同光栅中心距离的长周期光纤光栅对产生不同的光程差，可实现多个传感器的复用和解调。同时相比那些光谱仪等频域测量仪器，具有成本低廉的优点，适合集成化和仪器化。

附图说明

图1为本发明的示意图。

具体实施方式

如图1所示，长周期光纤光栅对传感器3输入端通过单向隔离器2与宽带光源光信号连接，输出端和光电二极管7的输入端与3-dB光纤耦合器4的一边两端光信号连接，光电二极管7的输出端与数据采集卡8电连接。3-dB光纤耦合器4的另-边两端分别与两个光纤准直器5光信号连接，对应两个光纤准直器5设有两个反射镜6，其中一个反射镜可以来回移动。将长周期光纤光栅对传感器3作为曲率和温度传感器预埋在被监测建筑物中，宽带光源1和信号解调部分都在监测中心，宽带光通过单模光纤进入长周期光纤光栅对传感器3，控制其中一个反射镜以速度V移动，再由单模光纤将信号光传回监测中心进行信号处理。

获得的干涉信号可用下式表示：

$I\left(t\right)=D+A\cos (2\mathrm{\π}\·\frac{2V}{{\mathrm{\λ}}_0}\·t+\mathrm{\φ})---\left(2\right)$

其中I表示干涉信号，D表示其直流分量，A表示交流分量的包络，代表干涉的强度，V是反射镜扫描速度，λ₀是LPGP中长周期光纤光栅的透射谱损耗峰中心波长，φ是相位项。

时间序列的干涉信号经过高通滤波器，可获得交流分量A。由于弯曲会导致长周期光纤光栅对中包层模式的光能量泄漏，减弱干涉强度。干涉强度A与LPGP曲率信号C成线性关系。对该线性关系进行实验室定标。在温度恒定(27℃)的条件下，弯曲选定的LPGP(光栅长度15mm，光栅中心距离90mm，光栅周期428μm)，在不同的曲率条件下，利用图1中的装置获得对应的干涉强度，获得实验数据如表1所示。

                                            表1

A(mV)	76.95	70.64	66.49	63.64	60.78	57.71	54.07
								C(m-1)	0	0.28733	0.40643	0.57499	0.70447	0.81376	0.91015

对上述数据进行线性拟合，可获得A(mV)与C(m^-1)的关系，如图2所示

                    A＝-24.35C+77.19，(3)

时间序列的数据通过傅氏变换，获得长周期光纤光栅对中长周期光纤光栅的透射谱损耗峰中心波长λ₀，该波长位置与外界温度成线性关系。对该线性关系进行实验室定标。在LPGP曲率恒定(C＝0)的条件下，改变LPGP环境温度，在不同的温度下，利用图1中的装置获得对应的透射谱损耗峰中心波长λ₀，实验数据如表2所示。

                                         表2

λ0(nm)	1550.98	1550.82	1550.58	1550.49	1550.37	1549.99	1549.81	1549.57
									T(℃)	20	20.5	21	21.5	22	23	23.5	24.2

λ0(nm)	1549.42	1549.19	1549.06	1548.75	1548.32	1548.18	1547.82
								T(℃)	25	25.5	26	27	28	29	30

对上述数据进行线性拟合，可获得中心波长λ₀(nm)与温度T(℃)的关系，如图3所示

                λ₀＝-0.316T+1557.27，(4)

虽然弯曲对波长位置的影响和温度对干涉强度的影响都很小，但为了提高测量精度，可以运用矩阵法来消除这种参量间的测量干扰。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔA}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔC}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right),---\left(5\right)$

式(5)中ΔA，Δλ₀，ΔC，ΔT分别是指干涉强度、中心波长、曲率和温度的变化量，a₁₂和a₂₁分别表征了温度对干涉强度的干扰和弯曲对波长位置的干扰，a₁₂和a₂₁也可以通过定标拟合得到。a₁₁和a₂₂根据式(3)和式(4)分别为-24.35和-0.316。由式(5)可以得到：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔC}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right)}^{-1}\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔA}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_0\end{array}\right),---\left(6\right)$

根据式(6)，由测量得到的干涉强度的变化和中心波长的移动可以精确还原曲率和温度信号。

本方法对测量装置要求简单，具有测量精度高、成本低廉、适合集成仪器化的优点。

Claims (1)

1、基于长周期光纤光栅对传感器的双参量测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)选用波长范围覆盖长周期光栅透射损耗峰的宽带光源，宽带光经过单向隔离器进入长周期光纤光栅对后，得到一个引入光程差的信号光；

(2)信号光进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束，两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜以速度V移动，使两路信号光之间引入另一个光程差，并产生扫描，从而补偿长周期光纤光栅对传感器引入的光程差；

(3)补偿后的两路光信号在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，得到时间序列的干涉信号，表示为

$I\left(t\right)=D+A\cos (2\mathrm{\π}\·\frac{2V}{{\mathrm{\λ}}_0}\·t+\mathrm{\φ});$

(4)时间序列的干涉信号经过高通滤波器，获得表示干涉强度的交流分量A，其与长周期光纤光栅对曲率信号C成线性关系A＝nC+m，该线性关系中的n和m值通过实验室定标确定；

(5)时间序列的数据通过傅氏变换，获得长周期光纤光栅对中长周期光纤光栅的透射谱损耗峰中心波长λ₀，其与外界温度T成线性关系λ₀＝pT+q；该线性关系中的p和q值通过实验室定标确定；

(6)通过测量交流分量A和中心波长λ₀，利用第(4)步和第(5)步的线性关系，获得曲率C和温度T。

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