專利名稱：應(yīng)變調(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)明是涉及光纖光柵傳感器的解調(diào)器，特別是一種應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，主要用于光纖傳感、光學(xué)測(cè)量、光器件波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)計(jì)等儀器。除此之外人們已經(jīng)提出了一些新型的波長(zhǎng)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(zhǎng)的解調(diào)技術(shù)可以分為以下幾種類型1、被檢測(cè)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(zhǎng)計(jì)中，直接測(cè)量出光纖光柵反射信號(hào)的波長(zhǎng)位置。如在先技術(shù)[1]劉志國(guó)等，高靈敏度光纖光柵傳感特性測(cè)試儀研究，光子學(xué)報(bào)，1999，28(2)138-141。這種解調(diào)方式簡(jiǎn)單、測(cè)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(cè)試光源，輸出的激光波長(zhǎng)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(cè)光纖光柵反射光波長(zhǎng)的變化，或者得出測(cè)量光纖光柵與參考光纖光柵的反射光波長(zhǎng)。如在先技術(shù)[2]Soek Hyun Yun，et al.，Interrogation for fiber grating sensor arrayswith wavelength-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)作接受元件，信號(hào)易于檢測(cè)，分辨率高，多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(cè)試光源，利用濾波器或可調(diào)諧濾波器作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(cè)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(zhǎng)一致，則被反射到探測(cè)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(zhǎng)。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(cè)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 techniquefor fiber Bragg grating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)822-823提出了透射型的測(cè)量方案。該方案與反射型的區(qū)別在于光電探測(cè)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(cè)透射光的有無來確定是否匹配，從而提高了探測(cè)靈敏度。這一方法要求接收端FBG與傳感FBG波長(zhǎng)接近，傳感和解調(diào)的波長(zhǎng)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(zhǎng)相卷積，得到的信號(hào)同F(xiàn)BG峰值波長(zhǎng)的位置成比例，因而可以從信號(hào)大小推知FBG波長(zhǎng)位置，如在先技術(shù)[5]A.D.Kersey，A review of recent developments in fiber optic sensor technology，Optical FiberTechnology，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應(yīng)變調(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)解決方案如下一種應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它的構(gòu)成是含有光纖光柵的光纖段，該光纖段的兩端分別由兩個(gè)光纖夾持器固定在一機(jī)殼上，一可帶動(dòng)光纖段作橫向振動(dòng)的振動(dòng)器也固定在該機(jī)殼上；
所述的光纖段是具有光折變性質(zhì)，能用于制備光柵的光纖，例如常規(guī)通信光纖、或高摻鍺光纖、或塑料光纖；所述的光纖夾持器是一種機(jī)械緊固件，如螺釘、壓簧、或粘貼膠；所述的橫向振動(dòng)器是一可在一定行程內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置；所述的橫向振動(dòng)器是由微型馬達(dá)、偏心輪、彈性傳動(dòng)件和安裝支架構(gòu)成，彈性傳動(dòng)件位于偏心輪和光纖段之間，該微型馬達(dá)固定在支架上，通過其軸驅(qū)動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)彈性傳動(dòng)件，使光纖段產(chǎn)生振動(dòng)；所述多個(gè)含有不同峰值波長(zhǎng)的光纖光柵的光纖段被安裝在圍繞偏心輪圓周的不同方位上或偏心輪的不同軸向位置上。
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(zhǎng)信號(hào)的讀出器件。同采用光譜儀、單色儀、波長(zhǎng)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)明利用光纖光柵的應(yīng)變敏感特性進(jìn)行掃描，可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變傳感頭和溫度傳感頭的光纖光柵峰值波長(zhǎng)。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(cè)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(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
(5)本發(fā)明是一種對(duì)波長(zhǎng)直接測(cè)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，是可以作為分布式測(cè)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(cè)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(chǎng)前景。
圖2本發(fā)明應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，光纖振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于諧振頻率的狀態(tài)圖。
圖3本發(fā)明多波段復(fù)合型光纖光柵傳感解調(diào)器頂視圖。
圖4本發(fā)明多波段復(fù)合型光纖光柵傳感解調(diào)器側(cè)視圖。
圖5本發(fā)明應(yīng)用于分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)圖。
圖6從本發(fā)明解調(diào)器測(cè)量得到的示波器波形。
圖中的元部件光纖2是具有光折變性質(zhì)、能用于制備光柵的各類光纖，包括常規(guī)通信光纖，高摻Ge光纖，塑料光纖等。光纖光柵1是用紫外激光光致折變方法或其它手段寫入的光柵。光纖夾持器4是一種機(jī)械緊固件，可采用螺釘旋轉(zhuǎn)緊固、壓簧緊固、固化膠等。在某些需要的場(chǎng)合，也可以是熱融性或溶劑型膠。二個(gè)光纖夾持器4固定在機(jī)殼6上，它們之間的距離可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以獲得所需的光纖段3的長(zhǎng)度和預(yù)應(yīng)力。
橫向振動(dòng)器5是可以在一定行程內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。它可以采用電磁線圈推拉鐵電材料滑塊的機(jī)構(gòu)；也可以采用微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。它由微型馬達(dá)7、偏心輪8、置于偏心輪8和光纖段3之間的彈性傳動(dòng)件9以及安裝支架10構(gòu)成。
本發(fā)明應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的工作原理如下作橫向振動(dòng)的光纖相當(dāng)于一段弦的振動(dòng)，當(dāng)其振蕩頻率接近弦的諧振頻率時(shí)，光纖的振動(dòng)波形如

圖1所示。假設(shè)其振動(dòng)方向?yàn)閥，幅度為y0，頻率為f，光纖軸向?yàn)閦，以光纖段3的中點(diǎn)為原點(diǎn)，則光纖段3上各點(diǎn)的位移在y方向上的坐標(biāo)及其時(shí)間函數(shù)為y(t，x)＝y(tǒng)0sin(2πft)cos(2πx/l) (3)經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算，可得光纖段3的應(yīng)變?yōu)棣?t)＝δl(t)/l≈[πy0sin(2πft)/l]2(4)式中l(wèi)為光纖段3的長(zhǎng)度。光纖弦的固有諧振頻率f=F/ρ/2l,]]>其中F為光纖段受到的拉力，ρ為光纖材料的密度。由(4)式可知，制備在光纖段上的光纖光柵1將隨著這一應(yīng)變而被周期性地調(diào)諧，從而可以作為一種光譜的解調(diào)器。
當(dāng)振動(dòng)頻率很低的時(shí)候，光纖振動(dòng)的形狀如圖2所示。此時(shí)，光纖的應(yīng)變?yōu)?
ε(t)＝δl(t)/l≈[y0sin(2πft)/l]2/2(5)此時(shí)定量關(guān)系有所差別，但是作為光譜解調(diào)器的功能是一樣的。
本發(fā)明應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器在組裝調(diào)試時(shí)，先把含有光纖光柵1的光纖段3的兩端2，拉直固定在夾持器4上；二個(gè)光纖夾持器4之間光纖長(zhǎng)度l可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)作調(diào)整；并且微調(diào)夾持器的位置，以便根據(jù)要求獲得光纖段3的初始應(yīng)力。光纖段3通過傳動(dòng)件9同振動(dòng)器5的運(yùn)動(dòng)部件接觸，使光纖在作垂直于光纖軸向振動(dòng)時(shí)避免其側(cè)面遭受磨損。解調(diào)器工作時(shí)，啟動(dòng)振動(dòng)器5，光纖段3發(fā)生圖1和圖2中實(shí)線和虛線所示的形變；致使光纖光柵1所受應(yīng)力作周期性變化，從而引起光纖光柵Bragg波長(zhǎng)在一定帶寬范圍內(nèi)連續(xù)掃描。如果從光纖段3的端口輸入所要測(cè)試的傳感信號(hào)，探測(cè)其反射光信號(hào)，或者透射光信號(hào)，就可以記錄傳感信號(hào)光譜同解調(diào)器光譜的卷積信號(hào)，從而把處于帶寬范圍內(nèi)的任何傳感波長(zhǎng)信號(hào)檢測(cè)出耒，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)的功能。
本發(fā)明應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器可以組合為多波段復(fù)合解調(diào)器，如圖3和圖4所示。此時(shí)多個(gè)含有不同峰值波長(zhǎng)的光纖光柵1的光纖段3被安裝在圍繞偏心輪8圓周的不同方位上，或者在偏心輪8的不同軸向位置上。當(dāng)微型馬達(dá)7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)光纖光柵的光譜將以同樣的速率進(jìn)行掃描。因而可以覆蓋更大的光譜范圍。
本發(fā)明的應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器可應(yīng)用于的光纖光柵分布式應(yīng)力或(和)溫度傳感系統(tǒng)，其典型的光路布局如圖5所示。其中19是峰值波長(zhǎng)為λε的光纖光柵，它固定在應(yīng)變(或應(yīng)力)待測(cè)的結(jié)構(gòu)件上，是應(yīng)變(或應(yīng)力)的傳感頭。20是峰值波長(zhǎng)為λε的光纖光柵，它固定在溫度待測(cè)的物體上，是溫度傳感頭。18是一個(gè)光纖耦合器，通常分束比為1比1。15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。16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15。21是由波長(zhǎng)為λε和λn的n個(gè)可調(diào)諧光纖光柵1組成的波長(zhǎng)解調(diào)器。22是光探測(cè)器，接收從光源15發(fā)出、經(jīng)應(yīng)變或(和)溫度傳感頭19、20反射、又經(jīng)波長(zhǎng)解調(diào)器21透射的光信號(hào)。所有元件具有光纖接口采用直接熔接方法連接。其中17為長(zhǎng)的光纜，以便構(gòu)成分布式的傳感系統(tǒng)。
光纖光柵傳感頭19和20反射光譜的峰值波長(zhǎng)λε和λT隨著待測(cè)物體的應(yīng)變和溫度而變化，如式(1)和(2)所示。在光探測(cè)器上接收到的光信號(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) (6)I＝∫f1(λ)f2(λT)f3(λn[c])dλ＝I(λT-λn)(7)式中f3(λn[c])是本發(fā)明解調(diào)器的應(yīng)變調(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(6)和(7)，從測(cè)量的光強(qiáng)I和事先測(cè)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)。
根據(jù)本發(fā)明解調(diào)器的方案，建立了一個(gè)傳感解調(diào)裝置。當(dāng)微型馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從光電接收器上可以記錄信號(hào)。圖6為示波器上觀測(cè)到的波形。在馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，二次掃過被測(cè)的傳感光纖光柵，出現(xiàn)二個(gè)峰值。根據(jù)事先測(cè)定的解調(diào)器光纖光柵的調(diào)諧特性，即可確定被測(cè)λε或λT的數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它的構(gòu)成是含有光纖光柵(1)的光纖段(3)，該光纖段(3)的兩端分別由兩個(gè)光纖夾持器(4)固定在一機(jī)殼(6)上，一可帶動(dòng)光纖段(3)作橫向振動(dòng)的振動(dòng)器(5)也固定在該機(jī)殼(6)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的光纖段(3)是具有光折變性質(zhì)，能用于制備光柵的光纖，例如常規(guī)通信光纖、或高摻鍺光纖、或塑料光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的光纖夾持器(4)是一種機(jī)械緊固件，如螺釘、壓簧、或粘貼膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的橫向振動(dòng)器(5)是一可在一定行程內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的橫向振動(dòng)器(5)是由微型馬達(dá)(7)、偏心輪(8)、彈性傳動(dòng)件(9)和安裝支架(10)構(gòu)成，彈性傳動(dòng)件(9)位于偏心輪(8)和光纖段(3)之間，該微型馬達(dá)(7)固定在支架(10)上，通過其軸驅(qū)動(dòng)偏心輪(8)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)彈性傳動(dòng)件(9)，使光纖段(3)產(chǎn)生振動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述多個(gè)含有不同峰值波長(zhǎng)的光纖光柵(1)的光纖段(3)被安裝在圍繞偏心輪(8)圓周的不同方位上或偏心輪(8)的不同軸向位置上。
全文摘要
一種應(yīng)變調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特點(diǎn)在于它的構(gòu)成是含有光纖光柵的光纖段，該光纖段的兩端分別由兩個(gè)光纖夾持器固定在一機(jī)殼上，一可帶動(dòng)光纖段作橫向振動(dòng)的振動(dòng)器也固定在該機(jī)殼上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、使用方便。
文檔編號(hào)G02B6/124GK1442725SQ0311604
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所