TWI420839B

TWI420839B - Echo Hall Modal Demodulation Fiber Grating Sensing System

Info

Publication number: TWI420839B
Application number: TW98114935A
Authority: TW
Inventors: Chia Chin Chiang; Chih Yung Chien; Li Ren Tsai
Original assignee: Univ Nat Kaohsiung Applied Sci
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2013-12-21
Also published as: TW201041327A

Description

回音廊模態解調式光纖光柵感測系統

本發明關於一種光纖感測系統，尤指一種利用測量反射光能量取代測量波長漂移之回音廊模態解調式光纖光柵感測系統。

近年來國內光纖感測器(Fiber Optic Sensor)的研究領域已引起注目，光纖感測器具有微小化、輕量化、能在惡劣環境下操作、不受電磁干擾及生物相容性良好等優點，尤其光纖之直徑約為125μm，遠小於現有已商品化之感測器。

目前大多數光纖相關之感測器可見諸於本國及國外之專利申請，諸如本國專利公告號：585998、I229751、I226436、I225923、579445、I232315、574510等；美國專利如7043115、7418171、7424178、7391942、7092591、6987914、6891997、7336861、7379632、7379169等，由上述所提及之內容可知，目前大多數光纖感測器之研究與應用，主要利用因溫度、應變、壓力所產生之波長漂移量(短週期光纖光柵FBG反射頻譜及LPG長週期光纖光柵穿透頻譜之波長漂移)來監測相關物理量之變化，係屬於頻譜解調式感測器，一般均需利用昂貴之儀器及複雜的實驗架構進行波長漂移之量測。除了檢測設備之問題外，對於動態物理量之量測，亦非常困難。

由上述說明可知，一般藉測量波長漂移方式監測相關物理量變化的光纖感測器，需利用昂貴儀器及複雜的實驗架構進行波長漂移之量測，且對於動態物理量之量測，亦非常困難。

有鑒於此，本發明之主要目的在於提供一種回音廊模態解調式光纖光柵感測系統，係為相較於先前技術具低成本、可動態量測之光纖感測系統。

欲達上述目的所使用之技術手段，係令該回音廊模態解調式光纖光柵感測系統包含：一感測元件，係用以接觸一待測端而感應待測端所產生的物理變化；一光纖耦合器，係連接該感測元件；及一反射能量監測系統，係連接該光纖耦合器並包含一光纖環作為解調元件，該反射能量監測系統係輸出光線而經由該光纖耦合器傳遞至該感測元件，並接收從感測元件反射回光纖耦合器的光線，藉由其光纖環使反射光線產生回音廊模態(Whispering Gallery Mode)干涉以進行解調，進而探測反射光能量變化量而對應測出該待測端之物理變化量。

本發明之光纖感測器主要利用測量反射光能量取代測量波長漂移之方式，將可有效減少設備成本及簡化實驗架構；同時建構適合靜態與動態壓力之量測系統，因具有成本低、體積小等優勢，將可廣泛應用於航太科技、土木工程、汽車交通、精密機械等工業領域。

請參考第一圖所示，係本發明回音廊模態解調式光纖光柵感測系統一較佳實施例之示意圖，係包含：一感測元件(10)，係用以接觸一待測端，可量測待測端所產生的物理變化，如溫度、應變、壓力，其可為一光纖布拉格光柵(FBG)感測器；一光纖耦合器(20)，係連接該感測元件(10)；一反射能量監測系統(30)，係連接該光纖耦合器(20)並具有一光纖環(31)作為解調元件，本實施例中，該反射能量監測系統(30)係輸出光線而經由該光纖耦合器(20)傳遞至該感測元件(10)，並接收從感測元件(10)反射回光纖耦合器(20)的光線，藉由該光纖環(31)使反射光線產生回音廊模態(Whispering Gallery Mode)之破壞性干涉以進行解調，進而探測反射光能量變化量而測出該待測端之物理變化量。

前述解調方式係利用彎曲的光纖所產生之回音廊模態(Whispering gallery, WG)干涉模態做為基礎，當光線在彎曲的光纖中傳遞時，有部分光線從纖核傳至纖殼，在纖殼與空氣介面反射後而再次耦合回纖核中，與原先傳遞於纖核內的光線產生干涉頻譜。

本實施例中，該反射能量監測系統(30)尚包含一光源產生裝置(32)及一光接收器(33)。其中該光源產生裝置(32)係連接該光纖耦合器(20)以輸出光線至該光纖耦合器(20)；該光接收器(33)可為一光電二極體，其係連接該光纖環(31)以接收從感測元件(10)反射回光纖耦合器(20)的光線，並將光能量轉換成電壓訊號，根據此電壓訊號即可分析待測端之物理變化量。

請參考第二圖所示，本感測系統於操作前須先進行校正以調整欲進行量測的濾波特性，亦即決定光能量的動態範圍(Dynamic Range)，是以，先令前述作為解調元件用之光纖環(31)兩端水平地分別固定於兩平移台(40)上，並使該光纖環(31)兩端分別連接一光源產生裝置(50)及一光譜分析儀(60)，令該光源產生裝置(50)輸出光線，經由光纖環(31)傳遞至光譜分析儀(60)，光譜分析儀(60)即可顯示光線能量變化曲線之頻譜圖。

由於光線經過光纖環(31)時會因回音廊模態干涉的關係，使得部分波長的光能量損失而在頻譜圖上呈現一衰減波段(Attenuation Band)，此時藉由調整兩平移台(40)之間的遠近距離改變光纖環(31)的半徑，進而改變光干涉情形，可使得光譜分析儀(60)顯示不同衰減波段的能量變化曲線的頻譜圖，如附件一所示，可看出不同半徑下衰減波段相對之光能量變化與波長變化，斜率小而範圍廣的波段，可測的波長變化範圍大；斜率大而範圍窄的波段，則可測的波長變化範圍小但較為靈敏。由此可知，改變光纖環(31)之半徑即可改變本系統所欲量測之光能量動態範圍，相較於一般濾波器的濾波特性不可調整，本系統則提供更靈活的量測手段。

當決定光纖環(31)之半徑後，即完成所欲量測之光能量動態範圍的調整，如附件二所示，在此動態範圍內感測元件(10)受到應變能量遞增所造成光傳遞的波長漂移，將可反應在光能量的變化。又由於光能量可透過前述光接收器(33)轉為電壓訊號，因此藉由量測電壓值的大小對比量測感測元件(10)受到的應力變化，即可得出如附件三所示的應變校正圖，提供系統實際進行操作時應力變化的參考依據。除了測量應變之外，溫度與壓力等相關對應之數值亦可由此方式得出。

本發明於實際操作時，可令感測元件(10)接觸一待測端，例如將感測元件(10)埋設於橋樑或建築結構體中，經由光的傳輸與反射而由該反射能量監測系統(30)的光接收器(33)監測電壓(亦即監測光能量變化)，當橋樑結構產生應力變化時，即可相對從電壓變化得知應變程度。

綜上所述，本發明主要利用測量反射光能量取代測量波長漂移之方式，透過相關能量的監測，間接推導出所要量測的物理量大小，將可有效減少設備成本及簡化實驗架構；同時建構適合靜態與動態壓力之量測系統，且恃其成本低、體積小等優勢，將可廣泛應用於航太科技、土木工程、汽車交通、精密機械等工業領域。

(10)‧‧‧感測元件

(20)‧‧‧光纖耦合器

(30)‧‧‧反射能量監測系統

(31)‧‧‧光纖環

(32)‧‧‧光源產生裝置

(33)‧‧‧光接收器

(40)‧‧‧平移台

(50)‧‧‧光源產生裝置

(60)‧‧‧光譜分析儀

第一圖：係本發明一較佳實施例之示意圖。

第二圖：係本發明一較佳實施例之校正示意圖。

(10)．．．感測元件

(20)．．．光纖耦合器

(30)．．．反射能量監測系統

(31)．．．光纖環

(32)．．．光源產生裝置

(33)．．．光接收器

Claims

一種回音廊模態解調式光纖光柵感測系統，係包含：一感測元件，係用以接觸一待測端而感測待測端所產生的物理變化；一光纖耦合器，係連接該感測元件；及一反射能量監測系統，包含：一光源產生裝置，係連接該光纖耦合器，以輸出光線並經由該光纖耦合器而傳遞至該感測元件；及一光接收器，經由一光纖環連接該光纖耦合器，以經由該光纖環接收從感測元件反射回光纖耦合器的光線，並將光訊號轉換成電壓訊號，其中該光纖環作為一解調元件，該光纖環使反射光線產生回音廊模態干涉以進行解調，進而探測反射光能量變化量而對應測得該待測端之物理變化量。
如申請專利範圍第1項所述之回音廊模態解調式光纖光柵感測系統，該感測元件為一光纖布拉格光柵(FBG)感測器。
如申請專利範圍第1或2項所述之回音廊模態解調式光纖光柵感測系統，該光接收器為一光電二極體。