CN204064257U - 布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调装置 - Google Patents

Abstract

一种光学检测装置技术领域的布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调装置，通过光纤激光器输出与其中FBG的谐振波长相同且同步实时变化的原始激光作为泵浦光；将该泵浦光与另一波长的信号激光合并后在非线性系统中进行频率啁啾放大，实现高阶四波混频；最后通过闲频光的波长分析实现原始激光的波长漂移和相应应变的高灵敏度检测；本实用新型能够在1550nm波长附近得到高应变灵敏度的传感解调，可以在普通FBG的基础上，通过解调的过程得到高于FBG本征灵敏度的高应变灵敏度，从而适用于高应变灵敏度的传感应用。

Description

布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种光学检测装置技术领域的装置，具体是一种布拉格光纤光栅(FBG)应变传感器的灵敏度增强解调装置。 

背景技术

近年来，光纤传感由于其抗辐射、抗干扰、抗腐蚀、低成本、超小型、无污染、安全可靠等优点，在广泛的领域得到应用。特别的，采用FBG的光纤传感器能够实现高灵敏度的温度、应变测量，从而可以用于高温监控、建筑健康监控、消防安全监测、大坝桥梁的形变检测等。 

一般来说，采用传统单模光纤的布拉格光纤光栅能够得到1pm/με的应变灵敏度[B.Lee,“Review of the present status of optical fiber sensors,”Opt.Fiber Technol.9,57‐79(2003)]。布拉格光纤光栅的应变响应来自于光栅的折射率调制的改变和光纤中栅格周期的改变，对于应变来说，主要是改变栅格周期。因此，通过改变光纤的材料，或者光纤结构，甚至光纤光栅的写制方法，在一定程度上能够提高光纤光栅的应变灵敏度。比如在文献[F.Gu,H.Yu,W.Fang,and L.Tong.“Nanoimprinted polymer micro/nanofiber Bragg gratings for high‐sensitive strain sensing.”IEEE Photon.Technol.Lett.25,22‐24(2013)]中，F.Gu等人采用在微纳光纤上面写制光纤光栅的方法，可以得到2pm/με左右的温度灵敏度，比普通单模光纤光栅的应变灵敏度有所提高。注意到，类似的预处理的方法需要采用特殊的光纤结构或材质，或者需要对光纤光栅的进行特殊的预处理，往往会使得传感器的可靠性、稳定性变差，而且制作复杂，成本也提高。所以，对于得到高灵敏度的应变传感，我们更希望是通过后处理来实现，从而无需对光纤头进行预处理。 

在文献[B.P.‐P.Kuo and Stojan Radic,“Fast wideband source tuning by extra‐cavity parametric process,”Opt.Express 18,19930‐19940(2010)]中，B.KUO等人采用全光信号处理的技术实现了频率啁啾的放大，通过频率啁啾的放大能够有助于提高布拉格光纤光栅的谐振波长漂移的应变响应。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103759855A公开(公告)日2014.04.30，公开了一种带有光纤布拉格光栅的温度传感系统，其包括：光源、光纤环形器、一个或多个光纤FBG传感器、耦合器、光纤、准直透镜、光折变全息光栅、聚焦成像透镜、成像装置、处理器。该技术将光纤布拉格光栅传感器引入温度测量领域，基于光信号来传送信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、耐高压使用寿命长的优点，且稳定性好、灵敏度高、分辨 率高，并能同时获得来自同一通道上的所有光谱。但该传感器系统采用传统的FBG反射解调方法，一方面其光谱宽、精度差；另一方面，其检测的是温度传感，且其传感器的灵敏度是有FBG本征性质决定，较难适应现有工业需要。 

中国专利文献号CN102589439A公开(公告)日2012.07.18，公开了一种基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；该传感器包括由泵浦激光器、WDM耦合器、掺铒光纤和分束器组成的宽频光源系统、由EDFA、第一环形器、导管、参考FBG和光纤阻隔器组成的温度补偿系统、探针和由光谱分析仪、光纤耦合器和折射率匹配液组成的信号接收系统装配构成，温度补偿系统的参考FBG放置在探针空间距离30cm内，该技术实现了三维传感，大幅度提高了传感器对环境的适应能力，具有结构简单、实时性好、易于实际应用的特点，在对微小内腔尺寸实施快速、超精密的测量与校准中具有显著优势。但该技术其本征受限的温度灵敏度传感特性，以及其传统解调结构的宽谱导致的低精度。基于该文献描述的传感器系统，其灵敏度依然是由FBG本征性质决定，并且它是一个温度传感系统，而非应变传感系统。 

实用新型内容

本实用新型针对现有布拉格光纤光栅应变传感器的有限灵敏度的不足，提出一种布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调装置，通过采用全光信号处理实现频率啁啾的高效放大，实现在普通单模布拉格光纤光栅的高灵敏度应变传感解调，在普通光纤光栅的基础上得到显著增强的应变灵敏度。而且本实用新型通过环行器结构的透射式FBG激光器系统，可以得到窄带的FBG激光，该装置能够在1550nm波长附近得到高应变灵敏度的传感解调，可以在普通FBG的基础上，通过解调的过程大幅提高系统的应变传感灵敏度，从而适用于高应变灵敏度的传感应用。 

本实用新型是通过以下技术方案实现的： 

本实用新型一种布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调装置，包括：依次串联连接的环形器、掺铒光纤、波分复用器以及依次串联连接的单频激光器、偏振控制器、耦合器和至少一级的掺铒光纤放大器及其非线性光纤，其中：波分复用器的输出端和耦合器的输入端分别作为该装置的第一端口和第二端口与布拉格光纤光栅的两端相连，波分复用器的输入端设有980nm的泵浦激光器，非线性光纤的输出端设有光谱分析仪。 

当采用多级至少一级的掺铒光纤放大器及其非线性光纤时，则在后级掺铒光纤放大器的输入端设有阵列波导光栅。 

所述的掺铒光纤放大器和非线性光纤之间设有光滤波器。 

所述的布拉格光纤光栅用于光纤激光器的窄带滤波。 

所述的合并是指：将泵浦光和信号激光经过高功率放大输入到非线性光纤中进行频率啁啾放大。 

所述的布拉格光纤光栅的波长位于1550±1nm，反射率不高于70％； 

所述的泵浦激光器输出波长980nm或者1480nm，得到FBG激光器的激光输出功率不低于10mW； 

用于实现高阶四波混频非线性光纤采用但不限于锗掺杂的高非线性光纤、铋掺杂的软玻璃光纤或硫化物光纤，光纤长度不小于200m，非线性系数不低于10/W/km。 

所述的高阶四波混频为单级或多级的高阶四波混频或往返结构的级联高阶四波混频或多级的往返结构的级联高阶四波混频。 

所述的波长分析采用波长计、光谱仪或者其他光波长检测和分析仪器实现。 

所述的频率啁啾放大的倍率不低于5倍，应变灵敏度不低于5pm/με。 

技术效果 

与现有技术相比，本实用新型的技术效果包括： 

1)采用基于频率啁啾放大的非线性全光信号处理可以在输出端的传感器解调过程中对传感信号进行后处理，不涉及传感头，实现上更加容易，且能够保持传感头的稳定、安全运行，实际效果是传感器性能的升级； 

2)基于本实用新型的增强型光纤光栅应变传感解调技术能够在普通光纤光栅的基础上不进行任何光纤头改变，得到不低于5pm/με应变灵敏度； 

3)基于本实用新型的解调方法能够对多种类型的光纤光栅实现应变灵敏度有效增强的解调，基于更高性能的频率啁啾放大和光信号处理，能够得到更大倍幅的灵敏度增强； 

4)基于本实用新型的解调方法在增强应变灵敏度的同时，可以提高系统的应变分辨率，对于特定波长分析仪的有限解调精度，可以得到更高精度的应变测量。 

附图说明

图1为本实用新型结构示意图； 

图2为实施例中的FBG应变传感器灵敏度增强解调方法的系统结构图； 

图3为实施例中的FBG应变传感器灵敏度增强解调方法的系统结构图； 

图中：EDF:掺铒光纤、EDFA：掺铒光纤放大器、CIR：环形器、WDM：波分复用器、PUMP：980nm泵浦激光器、PC：偏振控制器、OC：耦合器、BPF：光滤波器、LD：单频激光器、HNLF：高非线性光纤、OSA：光谱分析仪、AWG:阵列波导光栅、FBG布拉格光纤光栅。 

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例1 

如图1和2所示，为本实施例所述的光纤传感解调系统包括：依次串联连接的环形器CIR、掺铒光纤EDF、波分复用器WDM以及依次串联连接的单频激光器LD、偏振控制器PC、耦合器OC和至少一级的掺铒光纤放大器EDFA及其非线性光纤HNLF，其中：波分复用器WDM的输出端和耦合器OC的输入端分别作为该装置的第一端口和第二端口与布拉格光纤光栅FBG的两端相连，波分复用器WDM的输入端设有980nm泵浦激光器PUMP，非线性光纤HNLF的输出端设有光谱分析仪OSA 

所述的掺铒光纤放大器EDFA和非线性光纤HNLF之间设有光滤波器BPF。 

根据本实施例：掺饵光纤被980nm激光器泵浦，所辐射的自发辐射光一端被环形器结构的反射环镜反射回来，另一端连接FBG，FBG具有50％的反射率，从而在FBG谐振波长位置得到一部分反射一部分透射，FBG的透射端输出激光。所输出的激光波长跟FBG的谐振波长完全一致。 

输出激光和另一波长的单频激光器输出的激光合并在一起，耦合到掺饵光纤放大器，通过滤波器之后输入到高非线性光纤。掺饵光纤放大器的输出功率为500mW，高非线性光纤的长度为500m，非线性系数为11/W/km，零色散波长处于1550nm。 

以FBG激光器的波长为泵浦光，单频激光器为信号光，经过单级的高阶四波混频，产生高阶的闲频光，闲频光的波长与FBG的谐振波长具有同步的响应，但是响应幅度被倍幅放大。 

实施例2 

如图3所示，为本实施例所述的光纤传感解调系统的结构图，当采用多级至少一级的掺铒光纤放大器EDFA及其非线性光纤HNLF时，则在后级掺铒光纤放大器EDFA的输入端设有阵列波导光栅AWG。 

根据本实施例：掺饵光纤被980nm激光器泵浦，所辐射的自发辐射光一端被环形器结构的反射环镜反射回来，另一端连接FBG，FBG具有50％的反射率，从而在FBG谐振波长位置得到一部分反射一部分透射，FBG的透射端输出激光。所输出的激光波长跟FBG的谐振波长完全一致。 

输出激光和另一波长的单频激光器输出的激光合并在一起，耦合到掺饵光纤放大器，通过滤波器之后输入到高非线性光纤。经过一次四波混频之后再经过AWG滤波，然后输入到第二个高非线性光纤。两个掺饵光纤放大器的输出功率均为为500mW，高非线性光纤的长度为500m，非线性系数为11/W/km，零色散波长处于1550nm。 

第一级四波混频过程中，以FBG激光器的波长为泵浦光，单频激光器为信号光，经过单级的高阶四波混频，产生高阶的闲频光，闲频光的波长与FBG的谐振波长具有同步的响应，但是响应幅度被倍幅放大。第二级四波混频之前，经过AWG滤出单频激光波长或者单频激光波长一侧的某一闲频光，以及滤出FBG激光波长一侧的高阶闲频光，经过EDFA放大之后进入第二级四波混频。经过两级高阶四波混频，得到更大的频率啁啾放大倍幅，得到更高的应变灵敏度。 

Claims (7)

1.一种布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调装置，其特征在于，包括：依次串联连接的环形器、掺铒光纤、波分复用器以及依次串联连接的单频激光器、偏振控制器、耦合器和至少一级的掺铒光纤放大器及其非线性光纤，其中：波分复用器的输出端和耦合器的输入端分别作为该装置的第一端口和第二端口与布拉格光纤光栅的两端相连，波分复用器的输入端设有980nm的泵浦激光器，非线性光纤的输出端设有光谱分析仪。 

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，当采用多级至少一级的掺铒光纤放大器及其非线性光纤时，则在后级掺铒光纤放大器的输入端设有阵列波导光栅。 

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的掺铒光纤放大器和非线性光纤之间设有光滤波器。 

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的布拉格光纤光栅的波长位于1550±1nm，反射率不高于70％。 

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的泵浦激光器输出波长980nm或者1480nm，得到FBG激光器的激光输出功率不低于10mW。 

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是，用于实现高阶四波混频非线性光纤采用锗掺杂的高非线性光纤、铋掺杂的软玻璃光纤或硫化物光纤，光纤长度不小于200m，非线性系数不低于10/W/km。 

7.根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的高阶四波混频为单级或多级的高阶四波混频或往返结构的级联高阶四波混频或多级的往返结构的级联高阶四波混频。