CN1851414A - 消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统 - Google Patents

Abstract

一种消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统，用于测量外界的应变、温度和应力等多个物理量。主要由宽带光源、传感光栅、2×2的耦合器、三个光分路器、三个光电探测器、两个解调光纤光栅、波长调节器和计算机构成。本发明传感系统具有成本低、快速、简捷、实用的的特点，能克服现有解调系统的一些缺点，可以解决光纤布拉格光栅对温度和应变的交叉敏感问题。

Description

消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统

技术领域

本发明属于光纤光栅传感、光学测试技术领域，特别是一种消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统，用于测量外界的应变和温度，也可以将其他物理量的变化转换为温度或应变的变化后再用此系统进行测量。

背景技术

光纤光栅作为一种新型的光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变。当宽带光源入射到光纤布拉格光栅(FBG)中时，其反射光的中心波长λ_B由布拉格方程给出：

λ_B＝2nΛ

其中，n为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。

当FBG所处环境的温度和应变等物理量发生变化时，会引起光栅折射率和周期的变化，从而导致λ_B的变化，测出Δλ_B即可以得出待测物理量的变化情况，因此，FBG被广泛用于测量温度、应变、应力、压力、压强和位移等物理量。Δλ_B在一定范围内与待测物理量的变化量成线性关系，当环境温度变化量为ΔT时，对应的波长漂移量Δλ_BT可以表示为：

Δλ_BT＝λ_B(α+ξ)ΔT

其中α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随温度变化的灵敏度系数约为13pm/℃。

当FBG受纵向应变为Δε时，对应的波长漂移量Δλ_BS可以表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{BS}}={\mathrm{\λ}}_B\{1-\frac{n^2}{2}[{\mathrm{\ρ}}_{12}-v({\mathrm{\ρ}}_{11}-{\mathrm{\ρ}}_{12})\left]\right\}\mathrm{\Δ\ϵ}$

其中，ρ₁₁和ρ₁₂为光纤的应力张量元，ν为泊松比。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随应变变化的灵敏度系数约为1.15pm/με。

在FBG传感技术中，由于被测信号是波长编码的，如何简单、快速、精确的将微小的波长移动量精确的解调出来，是FBG传感器系统中至关重要的问题。最直接的测量波长变化量的方法就是利用光谱仪，然而光谱仪价格高、精度低、体积大，不适合于现场测量。为了解决此问题，研究人员相继开发了一些波长解调技术，主要有一下几种：

(1)干涉解调技术Kersey等人在1992年提出用非平衡Mach-Zehnder干涉的方法来解调光纤光栅传感的信号，干涉仪的相位与光栅的应变或温度成正比，测量干涉仪的相位变化，即可得知光栅的应变或温度。

(2)可调谐光源解调技术利用线宽小于FBG带宽、输出波长在一定范围内连续可调的激光器作为光源，通过调谐激光器的输出波长进行光谱扫描。当激光器的输出波长与FBG的中心波长重合时获得最大的输出光强，此时，FBG的中心波长即可唯一确定，通过与FBG初始波长的比较即可获得Δλ_B。

(3)线性边缘滤波解调技术采用宽带光源作为测试光源，FBG的反射信号经过一线宽较宽、透过率线性变化的滤波器，透过信号的强度随FBG中心波长的变化而变化，测量该信号的强度，就可以获得FBG的中心波长。

(4)可调谐滤波解调技术采用宽带光源作为测试光源，用一个可调谐滤波器(反射或透射)作为解调元件，光源发出的光经FBG反射后直接进入可调谐滤波器，调节滤波器的中心波长使得反射(或透射)的光强达到最大，此时可调谐滤波器的中心波长即为FBG的中心波长，通过与FBG初始波长的比较即可获得Δλ_B。

在上述解调方法中，干涉解调技术测量精度很高，但是其测量的是相对值，且测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围；可调谐光源解调技术信号检测方便，分辨率高，但是光源难以制作，成本较高；线性边缘滤波解调技术测试范围与分辨率成反比，且要求滤波器的线性要非常好，斜率要非常大，难以制作；可调谐滤波解调技术解调范围大，但是扫描周期长，测试速度慢，并且重复性差。由于上述缺点的存在，使得波长解调技术成为FBG传感技术产业化的主要障碍之一。目前市场出售的FBG解调仪，主要是基于扫描F-P技术和干涉扫描技术的，其制作复杂，价格相当昂贵。除此之外，光纤光栅对应变和温度都很敏感，因此需要区分光纤光栅的波长漂移时是由温度还时由应力引起的，上述方法均没有解决FBG对温度和应变的交叉敏感问题。目前，已经有多种应力和温度的区分技术，主要有以下几种：

(1)参考FBG法  当用一个光栅传感器S测量某结构的应变时，可同时用另一个传感器T(设法保持其不受外部应力)去测量S的温度，Δλ_S-Δλ_T即为应变所诱导的波长改变，Δλ_S和Δλ_T分别指S和T传感器上波长的变化。

(2)双波长叠加FBG法在光纤的同一个位置刻写两个共振波长不同的光栅，若认为共振波长漂移与温度和应力分别呈线性关系，则可以得到一个关于应变和温度的二元一次方程组，通过分别对应力和温度的测量，可求得方程中的四个系数，进而确定温度和应变。

(3)长周期光纤光栅法利用FBG和长周期光纤光栅(或摆动滤波器)对温度或应变的不同响应可同时测量同一点的温度或应变。

(4)双芯径FBG法对于相同的温度和应变，芯径不同的两个FBG的共振波长漂移不同。将两个芯径不同的FBG续接在一起，两个FBG的共振波长可以是不同的，比如相差几个nm，可用WDM技术将它们分开，这样可得到能分离温度和应力的一个方程组。

(5)FBG F-P腔法该结构在其主反射带中有两个强度不同的反射峰，而且主反射光谱的峰值波长位置能很好地随应力或温度线性变化。通过测量反射光的峰值波长漂移和强度的变化，可实现对温度和应变的同时测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统，该系统应具有成本低、快速、简捷、实用的的特点，能克服现有解调系统的一些缺点，并且可以解决光纤布拉格光栅(FBG)对温度和应变的交叉敏感问题，推动FBG传感技术的产业化。

一种消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统，该系统包括一宽带光源，由该宽带光源发出的光经第一分束器的一分路端传输至传感光栅发生反射，该传感光栅反射回来的光经第一分束器的另一分路端进入第二分束器，后分成两束，分别与耦合器的一输入端和第三分束器的输入端相连，所述的耦合器的一输出端与第一探测器相连，另一输出端与第一解调光栅相连，该第一解调光栅反射回来的光经过所述的耦合器由第二探测器接收；第三分束器的合路端与第二解调光栅相连，第二解调光栅反射回来的光经第三分束器的另一个分路端后由第三探测器接收，所述的第一解调光栅被放到与传感光栅相同的环境中，与传感光栅同时感受环境温度的变化，但是不受应变的影响，第二解调光栅的中心波长由波长调节器控制，所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器及波长调节器均与计算机相连。

所述的第一解调光栅与传感光栅采用相同的封装材料和封装方式，使用时置于同样的温度环境中。

所述的波长调节器为温度控制器，或应变调谐装置，或反射谱或透射谱近似于高斯分布的可调谐光滤波器。

所述的第一分束器、第二分束器和第三分束器束器为环形器，或2×2的耦合器。

本发明的基本原理是，采用一个传感光栅、两个解调光栅、四个光分路器、三个光电探测器和一个波长调节器构成传感系统，由宽带光源发出的光经第一光分路器进入传感光栅，其反射光被分成两束，一束经过第一解调光栅后进入第一探测器，另一束经过第二解调后进入第二探测器，两个探测器的输出值进入计算机进行处理。第一解调光栅被放到与传感光栅相同的环境中，与传感光栅同时感受环境温度的变化，但是不受应变的影响，使第一解调光栅同时起到类似于温度补偿光栅的作用。这样，第一探测器的输出值与传感光栅中心波长的漂移量Δλ和第一解调光栅中心波长的漂移量Δλ₁有关，而第二探测器的输出值只与传感光栅中心波长的漂移量Δλ有关，根据两个探测器的输出值就可求得Δλ和Δλ₁。Δλ和Δλ₁可以分别表示为：

Δλ＝0.78λ_Sε+λ_S(α+ξ)ΔT                        (1)

Δλ₁＝λ_B1(α+ξ)ΔT                                (2)

式中λ和λ₁分别为传感光栅和第一解调光栅在零应变、常温下的中心波长，由于传感光栅和第一解调光栅采用同样的封装方式，可以认为传感光栅的热膨胀系数和热光系数均与和第一解调光栅的相同，分别为α和ξ。由上两式即可求出外界应变ε和温度变化量ΔT，解决交叉敏感问题。同时，第二解调光栅的中心波长可以通过波长调节器进行调节，以保证系统的解调范围不受温度变化的影响。第一探测器的输出值用于消除光源抖动对系统解调精度的影响。

本发明的优点在于：

(1)本发明传感系统不需要专门的波长测试设备，只需要根据探测器的输出值就可以精确的计算出传感光栅的中心反射波长，再与初始的中心反射波长相比较，就可以得出中心反射波长的漂移量。

(2)本发明传感系统，由于将一个解调光栅同时用作温度补偿光栅，解决了交叉敏感问题，同时拥有参考FBG法和匹配滤波解调技术的优点，与单光栅解调相比扩大了动态范围，并解决了单光栅解调系统中的双值问题。

(3)本发明传感系统，采用部分传感光栅的反射光作为参考光，消除了由于光源波动对波长解调造成的影响。

(4)本发明传感系统，使用计算机系统进行数据处理，可以使用软件代替硬件，消除了由硬件处理数据时硬件本身引入的误差，并且，使用计算机可以实现智能控制，方便与被测物体的其它参数进行综合，从而对被测物体进行全面的分析。

(5)本发明传感系统，除波长调节器以外，全部由光纤和光纤无源器件构成，使用稳定可靠。所有的元器件的工艺水平都已经非常成熟，制作方便可行，便于推动FBG传感技术的产业化进程，可以广泛用于各种领域。

附图说明

图1为本发明光纤光栅传感系统示意图

图2为本发明光纤光栅传感系统在各种条件下三个光栅的反射谱示意图

其中，(a)为室温，(b)为环境温度变化后，(c)为通过波长调节器调节后；虚线为传感光栅FBG的反射谱，曲线1’、2’分别为FBG4和FBG10的反射谱。

具体实施方式

如图1所示，本发明消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统，主要由宽带光源1、2×2的耦合器6、三个光分束器(第一分束器2、第二分束器5和第三分束器9)、三个光电探测器(第一光电探测器7、第二光电探测器8和第三光电探测器11)、两个解调光纤光栅(第一解调光纤光栅4和第二解调光纤光栅10)、波长调节器12、计算机13和传感光栅3构成。由宽带光源1发出的光经第一分束器2的一个分路端后传输至传感光栅3发生反射，反射回来的光经第一分束器2的另一个分路端进入第二分束器5后分成两束，分别与耦合器6的输入端之一以及第三分束器9的一个分路端相连。耦合器6的一输出端直接与第一探测器7相连，另一输出端与第一解调光栅4相连，第一解调光栅4反射回来的光经过耦合器6后由第二探测器8接收；第三分束器9的合路端与第二解调光栅10相连，第二解调光栅10反射回来的光经分束器9的另一个分路端后由第三探测器11接收。第一解调光栅4被放到与传感光栅3相同的环境中，与传感光栅3同时感受环境温度的变化(但是不受应变的影响)，第二解调光栅10的中心波长由波长调节器12控制。所述的第一探测器7、第二探测器8、和第三探测器11以及波长调节器12均与计算机13相连，第一探测器7的输出值用于消除光源抖动对系统解调精度的影响。关于各个光栅中心波长相对位置，如图2所示。在室温下和零应变时，应该保证第二探测器8和第三探测器11同时有输出值，传感光栅3与两个解调光栅的反射谱均有重叠部分且它们反射回来的光强在探测器的灵敏度范围内，如图2(a)所示。假设环境温度相对于室温减小ΔT，第一解调光栅4和传感光栅3中心波长的整体蓝移，而第二解调光栅10的中心波长没有发生变化，它们的中心波长的相对位置由图2(a)变为图2(b)，若ΔT较大，就会严重影响整个系统的解调范围。为了消除温度对系统解调范围的影响，以温度调谐为例，可以通过降低温度控制器12的温度，使第二解调光栅10的中心波长发生与第一解调光栅4相同的漂移，实现第一解调光栅4与第二解调光栅10重新匹配，见图2(c)所示。这样，即使ΔT很大，总可以使得第一解调光栅4与第二解调光栅10重新匹配，保证系统的解调范围不受影响。

所述的第一探测器7、第二探测器8、和第三探测器11测量的结果经由计算机13根据公式1和2进行数据处理，可以获得无交叉敏感的温度或应变。

本发明经试用表明，该系统具有成本低、快速、简捷、实用的特点，能克服现有解调系统的一些缺点，并且可以解决光纤布拉格光栅对温度和应变的交叉敏感问题。

Claims (4)

1、一种消除交叉敏感的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于该系统包括一宽带光源(1)，由该宽带光源(1)发出的光经第一分束器(2)的一分路端传输至传感光栅(3)发生反射，该传感光栅(3)反射回来的光经第一分束器(2)的另一分路端进入第二分束器(5)，后分成两束，分别与耦合器(6)的一输入端和第三分束器(9)的输入端相连，所述的耦合器(6)的一输出端与第一探测器(7)相连，另一输出端与第一解调光栅(4)相连，该第一解调光栅(4)反射回来的光经过所述的耦合器(6)由第二探测器(8)接收；第三分束器(9)的合路端与第二解调光栅(10)相连，第二解调光栅(10)反射回来的光经第三分束器(9)的另一个分路端后由第三探测器(11)接收，所述的第一解调光栅(4)被放到与传感光栅(3)相同的环境中，与传感光栅(3)同时感受环境温度的变化，但不受应变的影响，第二解调光栅(10)的中心波长由波长调节器(12)控制，所述的第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(11)及波长调节器(12)均与计算机(13)相连。

2、根据权利要求1所述的传感系统，其特征在于所述的第一解调光栅(4)与传感光栅(3)采用相同的封装材料和封装方式，并置于同样的温度环境中。

3、根据权利要求1所述的传感系统，其特征在于所述的波长调节器(12)为温度控制器，或应变调谐装置，或反射谱或透射谱近似于高斯分布的可调谐光滤波器。

4、根据权利要求1所述的传感系统，其特征在于所述的第一分束器(2)、第二分束器(5)和第三分束器(9)束器为环形器，或2×2的耦合器。

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