專利名稱：溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵傳感器的解調(diào)器，特別是一種溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，主要用于光纖傳感、光學(xué)測量、光器件波長調(diào)諧的技術(shù)領(lǐng)域。
在先技術(shù)中，對(duì)于光纖光柵波長編碼的解調(diào)過程，傳統(tǒng)手段是使用光譜儀、單色儀或者波長計(jì)等儀器。除此之外人們已經(jīng)提出了一些新型的波長信息解調(diào)的方案，如馬赫-曾德干涉儀法、可調(diào)法布里-珀羅濾波器法、匹配光纖光柵濾波器法等。歸納起來，光纖光柵反射光波長的解調(diào)技術(shù)可以分為以下幾種類型1、被檢測傳感頭反射回來的具有一定的光信號(hào)直接輸入到光譜儀、單色儀或波長計(jì)中，直接測量出光纖光柵反射信號(hào)的波長位置。如在先技術(shù)[1]劉志國等，高靈敏度光纖光柵傳感特性測試儀研究，光子學(xué)報(bào)，1999，28(2)138-141。這種解調(diào)方式簡單、測量精度高，但是這些儀器昂貴而且不易攜帶。只適合于實(shí)驗(yàn)室使用，不便應(yīng)用于實(shí)際傳感系統(tǒng)中。
2、利用可調(diào)諧激光器作為測試光源，輸出的激光波長在一定的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，根據(jù)光信號(hào)在掃描周期中的位置，可以得出被測光纖光柵反射光波長的變化，或者得出測量光纖光柵與參考光纖光柵的反射光波長。如在先技術(shù)[2]Soek Hyun Yun，et al.，Interrogation for fiber grating sensor arrays withwavelength-swept fiber laser，Optics Letters，1998，23(11)843-845；和在先技術(shù)[3]關(guān)柏歐等，一種高分辨率的光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)，光學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(11)1509-1513。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是反射光能量高，而且只要一般的光功率計(jì)來作為接受元件，信號(hào)易于檢測，分辨率高，多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)簡單。但是這種方法的不足是光源的設(shè)計(jì)制作難度大，成本高。
3、利用寬帶光源作為測試光源，利用濾波器或可調(diào)諧濾波器作為對(duì)于傳感光纖光柵反射光信號(hào)的解調(diào)元件，用光功率計(jì)來檢測光信號(hào)。這種方法又可以分成反射型和透射型兩類。前者的原理如下從傳感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若與接收端FBG的反射光波長一致，則被反射到探測器上。通過PZT驅(qū)動(dòng)接收FBG進(jìn)行微調(diào)，得到傳感FBG的峰值波長。該方法的精度受光源穩(wěn)定性和外界干擾的限制，對(duì)探測端FBG光譜的穩(wěn)定性要求高。在先技術(shù)[4]M.A.Davis，et al.，Matched-filter interrogation technique for fiber Bragggrating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)822-823提出了透射型的測量方案。該方案與反射型的區(qū)別在于光電探測器不是放在接收端FBG反射光的位置，而是置于透射光的位置，通過監(jiān)測透射光的有無來確定是否匹配，從而提高了探測靈敏度。這一方法要求接收端FBG與傳感FBG波長接近，傳感和解調(diào)的波長范圍比較小。
4、邊緣濾波法，即采用一種具有線寬較大，透過率呈線性變化的濾波器，與傳感FBG的反射光波長相卷積，得到的信號(hào)同F(xiàn)BG峰值波長的位置成比例，因而可以從信號(hào)大小推知FBG波長位置，如在先技術(shù)[5]A.D.Kersey，A review ofrecent developments in fiber optic sensor technology，Optical Fiber Technology，1996，2，291-317。這一方法要求解調(diào)濾波器線性好，要求系統(tǒng)各個(gè)元部件參數(shù)穩(wěn)定。因此使用條件比較苛刻。
由于上述方法存在的缺陷，光纖光柵傳感系統(tǒng)中的解調(diào)技術(shù)成為這一傳感技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙之一。
本發(fā)明的基本原理是利用光纖光柵的溫度調(diào)諧特性，對(duì)光纖光柵傳感頭的光譜特性進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它是將光纖光柵固定在一微型電阻加熱器上，該微型電阻加熱器的兩端由一對(duì)引線與一調(diào)制電源相連構(gòu)成。
所述的微型電阻加熱器可以是片狀電阻材料微型電阻，也可以是直接制作在光纖表面上的環(huán)狀金屬膜電阻。
所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的使用方法，其特征在于它是將多個(gè)峰值波長(λ1、λ2、λ3……λn)不同的溫度調(diào)諧光纖光柵串聯(lián)后，通過光纖耦合器與待測光信號(hào)(λx)光纖相連，該光纖耦合器再連接一光電接收器。
所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的使用方法，其特征是待測光信號(hào)(λx)光纖通過一多路星形耦合器分路通過光纖耦合器與多個(gè)峰值波長(λ1、λ2、λ3……λn)不同的溫度調(diào)諧光纖光柵相連，每個(gè)光纖耦合器連接一光電接收器。
所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的使用方法，其特征是它可用于光纖光柵分布式應(yīng)力或/和溫度傳感系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是(1)本發(fā)明采用可調(diào)諧光纖光柵作為傳感光波長信號(hào)的讀出器件。同采用光譜儀、單色儀、波長計(jì)的方法相比較，成本低廉得多，便于推廣應(yīng)用。
(2)本發(fā)明的信號(hào)解調(diào)裝置，全部采用光纖和光纖元器件，是一種全光纖的系統(tǒng)。各器件和元件之間，可以全部用光纖熔接機(jī)熔接，構(gòu)成一個(gè)整體。因此，使用穩(wěn)定可靠，容易實(shí)現(xiàn)儀器化。
(3)本發(fā)明利用光纖光柵的溫度敏感特性進(jìn)行掃描，可以同時(shí)測量應(yīng)變傳感頭和溫度傳感頭的光纖光柵峰值波長。只要在二種傳感光纖光柵的光譜互不重疊，并且串接另一參考光纖光柵，就可以將應(yīng)變和溫度分別測量出來。
(4)本發(fā)明解調(diào)方法是一種光譜掃描方法，能夠讀出光纖光柵的峰值位置，與一些采用固定濾波器方法和采用干涉原理的方法相比，具有測量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
(5)本發(fā)明是一種對(duì)波長直接測量的方法，而不是從光強(qiáng)間接推算，數(shù)據(jù)可信度高。
光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一，是可以用作為分布式測量系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)距離傳感多點(diǎn)的應(yīng)變和溫度信息，具有廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明光纖光柵調(diào)諧解調(diào)器作為傳感測量系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵器件，其使用價(jià)值得到充分的體現(xiàn)，具有良好的性價(jià)比，預(yù)期有很好的市場前景。
本發(fā)明解調(diào)器中的微型電阻加熱器2可以是片狀電熱材料微型電阻，也可以是直接制作在光纖表面上的環(huán)狀金屬膜電阻。前者制作容易，使用方便。后者效率高、調(diào)諧速度快。
下面再舉一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的解調(diào)器可應(yīng)用于光纖光柵分布式應(yīng)力或(和)溫度傳感系統(tǒng)，其典型的光路布局如圖3所示。其中10是峰值波長為λε的光纖光柵，它固定在應(yīng)變(或應(yīng)力)待測的結(jié)構(gòu)件上，是應(yīng)變(或應(yīng)力)的傳感頭。11是峰值波長為λT的光纖光柵，它固定在溫度待測的物體上，是溫度傳感頭。5是一個(gè)光纖耦合器，通常分束比為1比1。8為一個(gè)寬帶光源，其發(fā)光光譜范圍與所采用的光纖光柵處于同一波段。9是一個(gè)隔離器，其作用是防止從傳感光纖光柵反射回來的光影響寬帶光源8。12是由波長為λ1到λn的n個(gè)可調(diào)諧光纖光柵1組成的波長解調(diào)器。6是光探測器，接收從光源8發(fā)出、經(jīng)應(yīng)變或(和)溫度傳感頭10、11反射、又經(jīng)波長解調(diào)器12透射的光信號(hào)。上述所有元件的光纖接口采用直接熔接方法連接。其中13為長的光纜，以便構(gòu)成分布式的傳感系統(tǒng)。
光纖光柵傳感頭10和11反射光譜的峰值波長λε和λT隨著待測物體的應(yīng)變和溫度而變化，如式(1)和(2)所示。在光探測器6上接收到的光信號(hào)的強(qiáng)度是光源、傳感頭和光譜解調(diào)器三個(gè)光譜函數(shù)的卷積，如下式所示I＝∫f1(λ)f2(λε)f3(λn[c])dλ＝I(λε-λn) (3)I＝∫f1(λ)f2(λT)f3(λn[c])dλ＝I(λT-λN) (4)式中f3(λn[c])是本發(fā)明解調(diào)器的溫度調(diào)諧光纖光柵濾波器的光譜，其中c代表調(diào)諧的控制參數(shù)，比如電壓、電流，或者電壓、電流的相位。根據(jù)式(3)和(4)，從測量的光強(qiáng)I和事先測量標(biāo)定的光譜f3(λn[c])隨參數(shù)c變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算，即可求出λε和λT，實(shí)現(xiàn)光纖光柵光譜的解調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它是將光纖光柵(1)固定在一微型電阻加熱器(2)上，該微型電阻加熱器(2)的兩端由一對(duì)引線(3)與一調(diào)制電源(4)相連構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的微型電阻加熱器(2)可以是片狀電阻材料微型電阻，也可以是直接制作在光纖表面上的環(huán)狀金屬膜電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的使用方法，其特征在于它是將多個(gè)峰值波長(λ1、λ2、λ3……λn)不同的溫度調(diào)諧光纖光柵(1)串聯(lián)后，通過光纖耦合器(5)與待測光信號(hào)(λx)光纖相連，該光纖耦合器(5)再連接一光電接收器(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的使用方法，其特征是待測光信號(hào)(λx)光纖通過一多路星形耦合器(7)分路通過光纖耦合器(5)與多個(gè)峰值波長(λ1、λ2、λ3……λn)不同的溫度調(diào)諧光纖光柵(1)相連，每個(gè)光纖耦合器(5)連接一光電接收器(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的使用方法，其特征是它可用于光纖光柵分布式應(yīng)力或/和溫度傳感系統(tǒng)。
全文摘要
一種溫度調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特點(diǎn)它是將光纖光柵(1)固定在一微型電阻加熱器(2)上，該微型電阻加熱器(2)的兩端由一對(duì)引線(3)與一調(diào)制電源(4)相連構(gòu)成。它具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、成本低、使用穩(wěn)定可靠和測量范圍大的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)應(yīng)用于光纖光柵分布式應(yīng)力或/和溫度傳感系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1442723SQ0311603
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者方祖捷, 陳高庭, 瞿榮輝, 耿健新, 蔡海文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所