實現多通道光纖光柵傳感裝置高靈敏度測量的方法
2023-07-11 11:53:06 3
專利名稱：實現多通道光纖光柵傳感裝置高靈敏度測量的方法
技術領域：
本發明涉及一種實現多通道光纖光柵傳感裝置高靈敏度測量的方法，屬光纖傳感測量技術。
背景技術：
光纖布拉格光柵(簡稱FBG)是在單模光纖的纖芯內通過某種方式對其折射率產生周期性的調製而形成的一種全光纖器件。FBG已被越來越廣泛地用於光纖通信和光纖傳感等領域。FBG傳感器具有抗電磁幹擾，耐腐蝕，使用壽命長，體積小，可以光波長復用方式實現多點分布測量等顯著的優點，因而在無法使用傳統傳感器的場合發揮了巨大作用。近年來，隨著FBG傳感技術的不斷發展，其應用範圍也在日益擴大，並開始在有些領域取代傳統的傳感系統。
布拉格波長λB由光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff決定，即λB＝2Λneff。由此可見，任何可能引起光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff變化的外界因素，都會引起布拉格波長λB的變化。這些外界因素包括溫度和應變(應力)、以及能夠轉換成溫度和應變的其他物理量，如位移、壓力、振動等。FBG傳感是通過確定被光纖光柵反射或透射的布拉格波長實現對被測物理量值的絕對測量。因此，精確檢測FBG傳感器產生的波長移動是FBG傳感中的一個關鍵問題。已有的技術包括CCD光譜儀、可調諧濾波器法、邊帶濾波器技術、雙光纖光柵比對法、衍射體光柵技術等。作為一種通用測試儀器，光譜分析儀已被廣泛用於FBG傳感，特別是實驗室的實驗研究。但是光譜分析儀價格昂貴且不適合於現場應用。基於可調諧濾波器的FBG波長解調技術具有解析度高、可同時進行多通道解調等優點，已被用於商用的FBG波長解調設備中。邊帶濾波器技術是利用光學濾波器的邊緣將FBG反射波長的變化轉換為光強的變化，再由光探測器將光強的變化轉換為電流或電壓變化，從而實現波長解調。由邊帶濾波器構成的FBG波長解調設備結構簡單，造價低，測量範圍寬，而且適合於動態測量，因而在科研和工程中得到一定程度的應用。
FBG傳感的突出優點是其特有的波長編碼與波分復用能力。而該特點對於實現多點傳感網絡是至關重要的。例如，在光纖水聽器陣列中，需要以極高的靈敏度和頻率響應檢測來自數十個傳感器的振動信號，而上述波長解調技術均不能滿足該應用的要求。
發明內容
本發明的目的就是提供一種實現多通道光纖光柵傳感裝置高靈敏度測量的方法。該方法高頻率動態響應快，靈敏度高。
本發明是通過下述技術方案加以實現的，採用包括寬帶光源，三端光環行器，至少兩個FBG傳感器，可調諧濾波器及光電探測器的多通道光纖光柵傳感裝置，實現位移、壓力、振動的高靈敏度測量的方法，其特徵在於包括以下過程1、FBG傳感器感受被測的位移、壓力、振動的信號轉換為布拉格波長的移動時，可調諧濾波器先對所設計的光譜範圍進行連續的掃描，同時記錄光電探測器的輸出。
2、之後根據光電探測器的輸出的每一個FBG傳感器的光譜波形，確定波形的上升或下降沿的中點，該中點為FBG傳感器的工作點，並將該工作點範圍值經數據採集單元記錄由光電探測器輸出。
3、再進行實時測量時，控制可調諧濾波器使其中心波長調諧依次對應每一個FBG傳感器的工作點上進行測量。
本發明的優點在於，採用上述方法可以實現對多個以波分復用方式連接的多個FBG傳感器布拉格波長的巡迴檢測。在測量之前進行連續掃描，以及每個FBG傳感器工作點的確定和相應工作點上斜率的計算是對整個測量系統的實時動態標定，克服了現有技術中由於採用邊帶濾波器而導致的測量系統對光纖傳輸通道的損耗，以及對光源輸出變化等因素敏感這一關鍵問題。同時保持了邊帶濾波技術頻率響應好，適合動態測量的優點。此外本發明的方法中，對每個FBG傳感器布拉格波長解調的靈敏度由FBG傳感器的反射譜型與可調諧濾波器的透射譜型的卷積確定。如果FBG傳感器和可調諧濾波器的帶寬很窄，則本發明的方法可提供極高的布拉格波長解調靈敏度。所以，本發明可應用於靈敏度光纖水聽器陣列，多點多維振動測量系統等。
附圖1為由本發明涉及的光纖光柵傳感裝置的結構框圖。圖1中，101為寬帶光源；102為三端光環行器；103、104、105為FBG傳感器；106為可調諧濾波器；107為光電探測器；108為數據採集單元；109控制器。
附圖2為可調諧濾波器連續掃描時光電探測器的光譜特性波形圖。
附圖3為單個通道的光譜特性波形曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明。如附圖1所示，由寬帶光源101發出的寬譜光首先經環行器102和傳輸光纖傳至串接在一起的多個FBG傳感器103、104、105。這些FBG傳感器具有不同的布拉格波長，它們與被測對象相接感受振動，並將振動轉化成布拉格波長的變化。FBG傳感器103、104、105將相應布拉格波長的光反射，沿傳輸光纖返迴環行器102，由環行器102將反射的光信號傳至可調諧濾波器106。可調諧濾波器106的輸出光信號接光電探測器107，其輸出電信號接數據採集單元108。控制器109控制可調諧濾波器106和數據採集單元108。
在測量開始時，由控制器109啟動可調諧濾波器106在設定的光譜範圍內進行連續的掃描，光電探測器107輸出如附圖2所示，其中每一個峰值對應一個FBG傳感器的布拉格波長。數據採集單元108將該波形記錄，並由控制器109計算每一個波形的上升沿的中點所對應的波長和對應驅動可調諧濾波器106的電壓作為工作，並計算在該點的斜率。之後，控制器109控制可調諧濾波器使其中心波長調諧到對應第一個FBG傳感器的工作點上，並保持在該點一定時間，在此時間內由數據採集單元108記錄該FBG傳感器布拉格波長移動而產生的電壓變化，此電壓變化與該FBG傳感器感受的振動成正比，其比例係數可由標定實驗確定。在完成預定時間的數據採集後，控制器109控制可調諧濾波器使其中心波長調諧到對應第二個FBG傳感器的工作點上，並重複上述數據採集與記錄。重複該過程直至完成對所有FBG傳感器動態波長的測量。在完成了上述一次階躍式掃描後，可以進行以下步驟(1)從第一個FBG傳感器開始多次重複上述階躍式掃描；或(2)在每一次階躍式掃描後，可調諧濾波器106在設定的光譜範圍內進行一次連續的掃描，重新確定每個FBG傳感器的工作點和計算相應工作點上的斜率。
權利要求
1.一種實現多通道光纖光柵傳感裝置高靈敏度測量的方法，該方法採用包括寬帶光源，三端光環行器，至少兩個FBG傳感器，可調諧濾波器及光電探測器的多通道光纖光柵傳感裝置，實現位移、壓力、振動的高靈敏度測量，其特徵在於包括以下過程1)FBG傳感器感受被測的位移、壓力、振動的信號轉換為布拉格波長的移動時，可調諧濾波器先對所設計的光譜範圍進行連續的掃描，同時記錄光電探測器的輸出；2)之後根據光電探測器的輸出的每一個FBG傳感器的光譜波形，確定波形的上升或下降沿的中點，該中點為FBG傳感器的工作點，並將該工作點範圍值經數據採集單元記錄由光電探測器輸出；3)再進行實時測量時，控制可調諧濾波器使其中心波長調諧依次對應每一個FBG傳感器的工作點上進行測量。
全文摘要
本發明公開了一種實現多通道光纖光柵傳感裝置高靈敏度測量的方法，屬光纖傳感測量技術。方法包括FBG傳感器感受被測的位移、壓力、振動的信號轉換為布拉格波長的移動時，可調諧濾波器先對所設計的光譜範圍進行連續的掃描，同時記錄光電探測器的輸出；根據光電探測器的輸出的每一個FBG傳感器的光譜波形，確定波形的上升或下降沿的中點，該中點為FBG傳感器的工作點，並將該工作點範圍值經數據採集單元記錄由光電探測器輸出；進行實時測量時，控制可調諧濾波器使其中心波長調諧依次對應每一個FBG傳感器的工作點上進行測量。本發明的優點在於，實現對多個以波分復用方式連接的多個FBG傳感器布拉格波長的巡迴檢測，能提供極高的布拉格波長解調靈敏度。
文檔編號G01D5/353GK1614359SQ200410093849
公開日2005年5月11日 申請日期2004年12月7日 優先權日2004年12月7日
發明者李恩邦, 姚建銓, 鬱道銀, 習江濤, 奇卡羅 申請人:天津大學