專利名稱：一種全光纖型磁場強度在線傳感測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種全光纖型磁場強度在線傳感測
背景技術(shù)：
光纖光柵作為一種光學(xué)器件，是在光纖中建立起一種空間折射率周期分布，使在 其中的光的傳播特性得以改變的器件。根據(jù)彈性力學(xué)的相關(guān)理論，光纖在外加軸向力的作 用下，將發(fā)生彈性形變，彈光效應(yīng)會引起材料光學(xué)折射率的改變，使光纖中光柵的譜特性發(fā) 生變化。光纖布喇格光柵和長周期光纖光柵是兩種最普通和最常用的光纖光柵，兩者在傳 感領(lǐng)域具有突出的應(yīng)用價值。利用長周期光纖光柵作為磁場強度的傳感元件時，在長周期 光纖光柵的外層涂一層磁性物質(zhì)或?qū)㈤L周期光纖光柵固化入磁致伸縮材料，或者在光纖光 柵表面粘貼磁性薄膜。外部環(huán)境的磁性使磁性物質(zhì)發(fā)生磁致伸縮，引起長周期光纖光柵軸 向應(yīng)變，彈光效應(yīng)使光纖內(nèi)折射率變化，影響光纖光柵的譜特性，在其透射譜上表現(xiàn)被諧振 損耗峰移動。諧振損耗峰的峰值波長漂移量與磁場強度的關(guān)系為 AH,(i^一2/^2)].A 式中，A A T為透射譜中諧振損耗峰值波長的漂移量，k為長周期光纖光柵固化材 料的磁致伸縮系數(shù)，n。。為光纖纖芯折射率，P為光纖材料泊松比，Pn和P^為光纖材料彈 光系數(shù)張量，A T為初始諧振損耗峰值波長，H為待測磁場強度。 隨著外部磁場強度逐漸增大，諧振損耗峰值波長變化量絕對值增大，但值為負值
(k為負值)，即向短波長方向移動。根據(jù)長周期光纖光柵峰值波長隨被測磁場強度的變化
關(guān)系，只要在線解調(diào)出長周期光纖光柵的峰值波長，即可得知被測磁場強度。 在光纖光柵傳感技術(shù)中，由于被測信號是波長編碼的，如何簡單、快速、精確的將
微小的波長移動量解調(diào)出來，是光纖光柵傳感至關(guān)重要的問題。為了解決此問題，研究人員
相繼開發(fā)了一些波長解調(diào)技術(shù)，主要有干涉解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧濾波解
調(diào)技術(shù)、匹配濾波解調(diào)技術(shù)等。在上述解調(diào)方法中，干涉解調(diào)技術(shù)的測量范圍受限于干涉儀
的自由光譜范圍；可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)信號檢測方便，分辨率高，但是光源難以制作，成本
較高；可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)的掃描周期長，測試速度慢，并且重復(fù)性差；匹配濾波解調(diào)技術(shù)
的解調(diào)范圍太小。由于上述缺點的存在，使得波長解調(diào)技術(shù)成為光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用的
主要障礙之一。 這里提出利用布喇格光纖光柵作為長周期光纖光柵的諧振損耗峰值波長的解調(diào) 元件。在長周期光柵的透射譜中，特定諧振損耗峰的強度下降邊(或上升邊)所包含的某 一波長范圍內(nèi)其光強度為線性(線性擬合誤差在10—4量級)的減小(或增大)，利用這一 點可實現(xiàn)長周期光柵對寬帶光源的調(diào)制，調(diào)制后產(chǎn)生一個在某波長范圍內(nèi)強度為線性變化 (下降或上升)的光源。選擇具有合適波長的布喇格光纖光柵，使其中心波長入e處于長周 期光柵透射譜最大損耗峰的線性區(qū)范圍內(nèi)，并靠近線性區(qū)的中間位置，如圖2所示。當(dāng)長周期光纖光柵的波長被傳感信號調(diào)制時，布喇格光纖光柵的反射峰在透射譜線性區(qū)的相對位 置發(fā)生變化，但其譜型不隨被測信號改變，則布喇格光纖光柵反射的絕對光功率將線性變 化，因此光電探測器的光電流將線性變化，這樣可解調(diào)長周期光纖光柵的波長變化。這一原 理與線性濾波器相似，但布喇格光纖光柵相對于線性濾波器有兩點明顯優(yōu)勢，即速度快和 代價小。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種可實時、動態(tài)測量磁場強度的全光纖 型傳感器，特別是能實時、在線解調(diào)出磁場強度傳感元件即長周期光纖光柵的損耗峰值波 長漂移量的信號解調(diào)技術(shù)。 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種全光纖型磁場強度在 線傳感測量儀，包括寬帶光源，長周期光纖光柵，2 X 2的光纖耦合器，第一布喇格光纖光柵， 第二布喇格光纖光柵， 一個光纖隔離器，第一光電二極管，第二光電二極管，折射率匹配液， 信號放大器，數(shù)據(jù)采集卡，計算機，所述寬帶光源的輸出光進入長周期光纖光柵，長周期光 纖光柵的透射光經(jīng)2X2的光纖耦合器一部分光進入第一個光纖布喇格光柵，而另一部分 光經(jīng)光纖隔離器進入第二個光纖布喇格光柵中，第一個光纖布喇格光柵的透射光進入折射 率匹配液中，其反射光經(jīng)耦合器進入第一個光電二極管中，第二個光纖布喇格光柵的透射 光進入第二個光電二極管中；第一光電二極管和第二光電二極管的輸出信號進入信號放大 器中，信號放大器的輸出信號進入數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號被計算機進行處理 和實時顯示。 所述的傳感測量儀測量磁場強度時，長周期光纖光柵作為傳感元件被放入待測磁 場中，第一個光纖布喇格光柵作為解調(diào)元件；第二個光纖布喇格光柵作信號參考元件。 所述的傳感測量儀測量磁場強度時，長周期光纖光柵被放入待測磁場中，長周期 光纖光柵透射譜的諧振損耗峰值波長漂移量與待測磁場強度的平方根呈線性關(guān)系。根據(jù)波 長漂移量隨被測磁場強度的變化關(guān)系，只要在線解調(diào)出波長漂移量，即可得知被測磁場強 度。 所述第一個光纖布喇格光柵為信號解調(diào)元件，根據(jù)其輸出信號可在線解調(diào)出長周 期光纖光柵的波長漂移量。 所述第一個光纖布喇格光柵為經(jīng)過溫度補償封裝的光纖布喇格光柵，其中心波長 不隨環(huán)境溫度變化而變化，以減小因環(huán)境溫度變化而引起的測量誤差。 所述第二個光纖布喇光柵為普通的光纖布喇格光柵，其透射光信號作為參考信 號，以減小因光源輸出光功率波動引起的測量誤差。 系統(tǒng)的傳感元件和信號解調(diào)元件均為光纖元件，可實現(xiàn)磁場強度的實時、動態(tài)在 有益效果 (1)本實用新型實現(xiàn)的全光纖型磁場強度在線傳感測量儀只需三支常用的光纖光 柵就能實現(xiàn)磁場強度的動態(tài)、實時、在線測量，并且不需要專門的波長測試設(shè)備，只需要根 據(jù)光電二極管的輸出值就可以精確的計算出傳感元件_長周期光纖光柵的損耗峰值波長， 再與初始的損耗峰值波長相比較，就可以得出損耗峰值波長的漂移量，從而得知被測磁場的強度。 (2)本實用新型利用長周期光纖光柵主損耗峰單邊實現(xiàn)線性濾波功能和布喇格光 纖光柵的結(jié)合，實現(xiàn)長周期光纖光柵諧振損耗峰值波長的在線實時解調(diào)，具有線性濾波解 調(diào)的解調(diào)速度快、無雙值問題等優(yōu)勢。 (3)本實用新型利用一個光纖布喇格光柵的信號光作為參考光，消除了由于光源 波動對波長解調(diào)造成的影響，提高了測量精度。 (4)本實用新型全部由光纖和光纖無源器件構(gòu)成，性能穩(wěn)定可靠。所有元器件的工 藝水平都已非常成熟，制作方便可行，便于推動光纖光柵傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，可以廣泛 用于各種領(lǐng)域。

圖1是本實用新型傳感系統(tǒng)示意圖； 圖2是長周期光纖光柵透射譜和光纖布喇格光柵反射譜示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本 實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實用新型講授的內(nèi)容 之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申 請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。 如圖1所示，本實用新型實現(xiàn)的可動態(tài)、實時、在線測量磁場強度的傳感測量儀， 其包括寬帶光源1的輸出光進入長周期光纖光柵2。長周期光纖光柵被固化入磁致伸縮 材料鎳中。長周期光纖光柵2的透射光經(jīng)2X2的光纖耦合器3，一部分光進入第一個光纖 布喇格光柵4，而另一部分光經(jīng)光纖隔離器7進入第二個光纖布喇格光柵8中。第一個光纖 布喇格光柵4的透射光進入折射率匹配液5中，而其反射光經(jīng)光纖耦合器3進入第一個光 電二極管6中。第二個光纖布喇格光柵8的透射光進入第二個光電二極管9中；第一光電 二極管6、第二光電二極管9的輸出信號進入信號放大器10中，放大器10的輸出信號進入 數(shù)據(jù)采集卡ll，數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號被計算機12進行處理和實時顯示。傳感元件長周期 光纖光柵2被放入待測磁場13中。 本實用新型實現(xiàn)的可動態(tài)、實時、在線測量磁場強度的傳感測量儀，當(dāng)測量磁場強 度時，長周期光纖光柵2作傳感元件被放入待測磁場13中，在整個系統(tǒng)裝置示意圖中的位 置如圖1中所示的。第一個光纖布喇格光柵4為經(jīng)過溫度補償封裝的光纖布喇格光柵，其 中心波長不隨溫度的變化而漂移，其作為信號解調(diào)元件。第二個光纖布喇格光柵8為普通 的光纖布喇格光柵，作為信號參考光柵。 本實用新型實現(xiàn)的可動態(tài)、實時、在線測量磁場強度的傳感測量儀，所述的兩個布 喇格光纖光柵的布喇格中心波長、帶寬、反射率等參數(shù)應(yīng)匹配，且兩者的布喇格中心波長應(yīng) 與長周期光纖光柵主損耗峰的波長匹配。 本實用新型實現(xiàn)的可動態(tài)、實時、在線測量磁場強度的傳感測量儀的信號解調(diào)原 理圖2為長周期光纖光柵透射譜和布喇格光纖光柵反射譜的示意圖，虛線為布喇格光纖 光柵4的反射譜，實線為長周期光纖光柵的透射譜中的最大諧振損耗峰。損耗峰的強度下降邊(或上升邊)所包含的波長范圍內(nèi)其光強度為線性(線性擬合誤差在10—4量級)的減 小(或增大)，利用這一點可實現(xiàn)長周期光柵對寬帶光源的調(diào)制，產(chǎn)生一個在特定波長范圍 內(nèi)強度為線性變化(下降或上升)的光源(可參見圖2中的最大損耗峰的單邊光強變化)。 經(jīng)長周期光柵調(diào)制后的光在所利用的波長范圍內(nèi)的光譜是線性的。 使光纖布喇格光柵4具有合適的波長，使其中心波長A B處于長周期光纖光柵的 損耗峰的線性區(qū)范圍內(nèi)，并靠近線性區(qū)中間位置，如圖2所示。當(dāng)測量磁場強度時，長周期 光纖光柵2被放入待測磁場中，當(dāng)磁場強度改變而長周期光纖光柵2的損耗峰值波長被調(diào) 制時，其峰值波長將發(fā)生漂移，即光譜線性區(qū)將會平移，但其光譜形狀不隨被測信號改變； 而光纖布喇格光柵4的中心波長不變，其與長周期光纖光柵2損耗峰值波長的相對差值發(fā) 生變化，即布喇格光纖光柵反射峰在光譜線性區(qū)的相對位置發(fā)生變化，則反射的絕對光功 率將線性變化，因此光電探測器的光電流將線性變化，這樣可解調(diào)長周期光纖光柵的峰值 波長變化。這一原理與線性濾波器相似，但光纖解調(diào)元件相對于線性濾波器有兩點明顯優(yōu) 勢，即速度快和代價小。
權(quán)利要求一種全光纖型磁場強度在線傳感測量儀，包括寬帶光源(1)，長周期光纖光柵(2)，2×2的光纖耦合器(3)，第一布喇格光纖光柵(4)，第二布喇格光纖光柵(8)，一個光纖隔離器(7)，第一光電二極管(6)，第二光電二極管(9)，折射率匹配液(5)，信號放大器(10)，數(shù)據(jù)采集卡(11)，計算機(12)，其特征在于所述寬帶光源(1)的輸出光進入長周期光纖光柵(2)，長周期光纖光柵(2)的透射光經(jīng)2×2的光纖耦合器(3)一部分光進入第一個光纖布喇格光柵(4)，而另一部分光經(jīng)光纖隔離器(7)進入第二個光纖布喇格光柵(8)中，第一個光纖布喇格光柵(4)的透射光進入折射率匹配液(5)中，其反射光經(jīng)耦合器(3)進入第一光電二極管(6)中，第二光纖布喇格光柵(8)的透射光進入第二光電二極管(9)中；第一光電二極管(6)和第二光電二極管(9)的輸出信號進入信號放大器(10)中，信號放大器(10)的輸出信號進入數(shù)據(jù)采集卡(11)，數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號被計算機(12)進行處理和實時顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖型磁場強度在線傳感測量儀，其特征在于所述的傳感測量儀測量磁場強度時，長周期光纖光柵(2)作為傳感元件被放入待測磁場(13) 中，第一光纖布喇格光柵(4)作為解調(diào)元件；第二光纖布喇格光柵(8)作信號參考元件。
專利摘要本實用新型涉及一種全光纖型磁場強度在線傳感測量儀，一寬帶光源的輸出光進入一個長周期光纖光柵，該長周期光纖光柵被固化入磁致伸縮材料。長周期光纖光柵的透射光經(jīng)光纖耦合器進入兩個光纖布喇格光柵。長周期光纖光柵作傳感元件，將長周期光纖光柵的光柵區(qū)放入待測磁場中。第一個光纖布喇格光柵作信號解調(diào)元件，其反射光由光電二極管接收，其透射光進入折射率匹配液中。第二個光纖布喇格光柵作信號參考元件，其反射光被光纖隔離器阻擋，其透射光進入第二個光電二極管中。兩個光電二極管的輸出信號進入信號放大器和數(shù)據(jù)采集卡，并由計算機進行處理和實時顯示。本實用新型具有精度高、性價比高、可實時測量特點。
文檔編號G02B6/02GK201477200SQ20092020922
公開日2010年5月19日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者詹亞歌, 邱夷平 申請人:東華大學(xué)