專利名稱：基于長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器的雙參量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器的雙參量測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代傳感中，對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的參量同時(shí)測(cè)量的情況非常普遍。韓國(guó)的Y.G.Han在不同直徑的光纖上寫(xiě)入兩段布拉格光柵，該兩段光柵的頻譜反射峰位置對(duì)溫度變化敏感度相同，但對(duì)應(yīng)變敏感度不同，通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)反射峰位置的變化，同時(shí)解調(diào)出溫度和應(yīng)變信號(hào)。在建筑物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，同時(shí)能對(duì)溫度和應(yīng)變(或者彎曲)進(jìn)行測(cè)量的傳感器及其查詢方法非常有用而且市場(chǎng)廣闊。
在光纖傳感領(lǐng)域，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)(Long-Period fibre GratingPair，簡(jiǎn)稱LPGP)由于其對(duì)彎曲、溫度、應(yīng)力、折射率變化非常敏感，而成為業(yè)內(nèi)一個(gè)十分重要的傳感器件。利用第一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵將光纖芯層光能量耦合一半到光纖包層，經(jīng)過(guò)一段路程的傳播再由第二個(gè)光柵耦合回芯層，與另一半經(jīng)過(guò)芯層的光匯合，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)事實(shí)上構(gòu)成了一個(gè)以光纖芯層和包層為兩臂的馬赫-曾德(M-Z)干涉儀。由于彎曲將導(dǎo)致長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中包層模式光能量的泄漏，而其中單個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜損耗峰位置(即耦合到包層那部分光能量的中心波長(zhǎng)位置)與溫度有關(guān)，事實(shí)上，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器對(duì)曲率和溫度兩個(gè)重要傳感參量敏感。但是目前還沒(méi)有一個(gè)高效廉價(jià)的方案對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)的傳感器的溫度和曲率同時(shí)測(cè)量的方案。
本發(fā)明的方法包括以下步驟1、選用波長(zhǎng)范圍覆蓋長(zhǎng)周期光柵透射損耗峰的寬帶光源，光源帶寬范圍20～60nm；寬帶光經(jīng)過(guò)單向隔離器，進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)后得到一個(gè)引入光程差的信號(hào)光，所述光程差是利用長(zhǎng)周期光纖光柵能把光纖芯層的光能量耦合到包層這一特性，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器通過(guò)第一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵把一半光能量耦合到光纖包層，經(jīng)過(guò)一段光程的傳播后，被第二個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵耦合回芯層，與通過(guò)芯層的另外一半光能量匯合，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器中的光信號(hào)的光程差為OPD＝Δn·L (1)其中Δn表示光纖芯層與包層的有效折射率差，L表示長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器中光柵中心距離。單向隔離器的作用主要是防止反射光對(duì)光源的破壞作用。
2、信號(hào)光進(jìn)入一個(gè)3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號(hào)分成等光強(qiáng)的兩束；兩束等光強(qiáng)的信號(hào)光分別通過(guò)光纖準(zhǔn)直器入射到反射鏡上并反射耦合回光纖；通過(guò)控制其中一個(gè)反射鏡以速度V移動(dòng)，使兩路信號(hào)光之間引入另一個(gè)光程差，并產(chǎn)生掃描，從而補(bǔ)償長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器引入的光程差。
3、補(bǔ)償后的兩路光信號(hào)在3-dB耦合器中匯合干涉，干涉信號(hào)經(jīng)3-dB耦合器的一臂，由光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡采集，得到時(shí)間序列的干涉信號(hào)。所述的時(shí)間序列的干涉信號(hào)可用下式表示I(t)=D+Acos(2π·2Vλ0·t+φ)---(2)]]>其中I表示干涉信號(hào)，D表示其直流分量，A表示交流分量的包絡(luò)，代表干涉的強(qiáng)度，V是反射鏡掃描速度，λ0是長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)，φ是相位項(xiàng)。
4、時(shí)間序列的干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器，可獲得交流分量A。由于彎曲會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中包層模式的光能量泄漏，減弱干涉強(qiáng)度。所以干涉強(qiáng)度A與長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)曲率信號(hào)C成線性關(guān)系A(chǔ)＝nC+m。A與C的線性關(guān)系可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)獲得。在溫度恒定的條件下，彎曲選定的長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)，在不同的曲率條件下，獲得對(duì)應(yīng)的干涉強(qiáng)度，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，即可獲得n和m值5、時(shí)間序列的數(shù)據(jù)通過(guò)傅氏變換，獲得長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)λ0，該波長(zhǎng)位置與外界溫度成線性關(guān)系λ0＝pT+q。λ0與T的線性關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)獲得。在長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)曲率恒定的條件下，改變長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)環(huán)境溫度，在不同的溫度下，獲得對(duì)應(yīng)的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)λ0，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，即可獲得p和q值。
6通過(guò)測(cè)量交流分量A和中心波長(zhǎng)λ0，利用第4步和第5步的線性關(guān)系，獲得曲率C和溫度T。
對(duì)于不同參數(shù)長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)確定其對(duì)應(yīng)的n，m，p和q值，實(shí)用測(cè)量時(shí)只需要利用測(cè)得的交流分量A和中心波長(zhǎng)λ0以及線性關(guān)系即可確定曲率C和溫度T。本發(fā)明主要適用于溫度與曲率的雙參量測(cè)量，測(cè)量精度高。通過(guò)反射鏡掃描，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。利用不同光柵中心距離的長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)產(chǎn)生不同的光程差，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的復(fù)用和解調(diào)。同時(shí)相比那些光譜儀等頻域測(cè)量?jī)x器，具有成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適合集成化和儀器化。


圖1為本發(fā)明的示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器3輸入端通過(guò)單向隔離器2與寬帶光源光信號(hào)連接，輸出端和光電二極管7的輸入端與3-dB光纖耦合器4的一邊兩端光信號(hào)連接，光電二極管7的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡8電連接。3-dB光纖耦合器4的另-邊兩端分別與兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器5光信號(hào)連接，對(duì)應(yīng)兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器5設(shè)有兩個(gè)反射鏡6，其中一個(gè)反射鏡可以來(lái)回移動(dòng)。將長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器3作為曲率和溫度傳感器預(yù)埋在被監(jiān)測(cè)建筑物中，寬帶光源1和信號(hào)解調(diào)部分都在監(jiān)測(cè)中心，寬帶光通過(guò)單模光纖進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器3，控制其中一個(gè)反射鏡以速度V移動(dòng)，再由單模光纖將信號(hào)光傳回監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行信號(hào)處理。
獲得的干涉信號(hào)可用下式表示I(t)=D+Acos(2π·2Vλ0·t+φ)---(2)]]>其中I表示干涉信號(hào)，D表示其直流分量，A表示交流分量的包絡(luò)，代表干涉的強(qiáng)度，V是反射鏡掃描速度，λ0是LPGP中長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)，φ是相位項(xiàng)。
時(shí)間序列的干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器，可獲得交流分量A。由于彎曲會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中包層模式的光能量泄漏，減弱干涉強(qiáng)度。干涉強(qiáng)度A與LPGP曲率信號(hào)C成線性關(guān)系。對(duì)該線性關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。在溫度恒定(27℃)的條件下，彎曲選定的LPGP(光柵長(zhǎng)度15mm，光柵中心距離90mm，光柵周期428μm)，在不同的曲率條件下，利用圖1中的裝置獲得對(duì)應(yīng)的干涉強(qiáng)度，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可獲得A(mV)與C(m-1)的關(guān)系，如圖2所示A＝-24.35C+77.19，(3)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)通過(guò)傅氏變換，獲得長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)λ0，該波長(zhǎng)位置與外界溫度成線性關(guān)系。對(duì)該線性關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。在LPGP曲率恒定(C＝0)的條件下，改變LPGP環(huán)境溫度，在不同的溫度下，利用圖1中的裝置獲得對(duì)應(yīng)的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)λ0，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2


對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可獲得中心波長(zhǎng)λ0(nm)與溫度T(℃)的關(guān)系，如圖3所示λ0＝-0.316T+1557.27，(4)雖然彎曲對(duì)波長(zhǎng)位置的影響和溫度對(duì)干涉強(qiáng)度的影響都很小，但為了提高測(cè)量精度，可以運(yùn)用矩陣法來(lái)消除這種參量間的測(cè)量干擾。
ΔAΔλ0=a11a12a21a22·ΔCΔT,---(5)]]>式(5)中ΔA，Δλ0，ΔC，ΔT分別是指干涉強(qiáng)度、中心波長(zhǎng)、曲率和溫度的變化量，a12和a21分別表征了溫度對(duì)干涉強(qiáng)度的干擾和彎曲對(duì)波長(zhǎng)位置的干擾，a12和a21也可以通過(guò)定標(biāo)擬合得到。a11和a22根據(jù)式(3)和式(4)分別為-24.35和-0.316。由式(5)可以得到ΔCΔT=a11a12a21a22-1·ΔAΔλ0,---(6)]]>根據(jù)式(6)，由測(cè)量得到的干涉強(qiáng)度的變化和中心波長(zhǎng)的移動(dòng)可以精確還原曲率和溫度信號(hào)。
本方法對(duì)測(cè)量裝置要求簡(jiǎn)單，具有測(cè)量精度高、成本低廉、適合集成儀器化的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.基于長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器的雙參量測(cè)量方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)選用波長(zhǎng)范圍覆蓋長(zhǎng)周期光柵透射損耗峰的寬帶光源，寬帶光經(jīng)過(guò)單向隔離器進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)后，得到一個(gè)引入光程差的信號(hào)光；(2)信號(hào)光進(jìn)入一個(gè)3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號(hào)分成等光強(qiáng)的兩束，兩束等光強(qiáng)的信號(hào)光分別通過(guò)光纖準(zhǔn)直器入射到反射鏡上并反射耦合回光纖；通過(guò)控制其中一個(gè)反射鏡以速度V移動(dòng)，使兩路信號(hào)光之間引入另一個(gè)光程差，并產(chǎn)生掃描，從而補(bǔ)償長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器引入的光程差；(3)補(bǔ)償后的兩路光信號(hào)在3-dB耦合器中匯合干涉，干涉信號(hào)經(jīng)3-dB耦合器的一臂，由光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡采集，得到時(shí)間序列的干涉信號(hào)，表示為I(t)=D+Acos(2π·2Vλ0·t+φ);]]>(4)時(shí)間序列的干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器，獲得表示干涉強(qiáng)度的交流分量A，其與長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)曲率信號(hào)C成線性關(guān)系A(chǔ)＝nC+m，該線性關(guān)系中的n和m值通過(guò)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)確定；(5)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)通過(guò)傅氏變換，獲得長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)中長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜損耗峰中心波長(zhǎng)λ0，其與外界溫度T成線性關(guān)系λ0＝pT+q；該線性關(guān)系中的p和q值通過(guò)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)確定；(6)通過(guò)測(cè)量交流分量A和中心波長(zhǎng)λ0，利用第(4)步和第(5)步的線性關(guān)系，獲得曲率C和溫度T。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)傳感器的雙參量測(cè)量的方法。目前還沒(méi)有人提出一種高效廉價(jià)的LPGP傳感器的雙參量測(cè)量方法。本發(fā)明中寬帶光通過(guò)LPGP，產(chǎn)生一個(gè)由光纖芯層包層折射率差引起的光程差，該光程差被一個(gè)可掃描的麥克爾遜干涉儀補(bǔ)償并得到干涉條紋。干涉條紋的強(qiáng)度主要對(duì)LPGP的曲率敏感，對(duì)干涉條紋進(jìn)行傅氏變化可得到LPGP中長(zhǎng)周期光纖光柵光譜損耗峰的中心波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)位置主要對(duì)溫度信號(hào)敏感。從而完成LPGP傳感器的雙參量信號(hào)獲取。另外通過(guò)利用矩陣法來(lái)消除參量之間的交叉影響。本發(fā)明具有成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適合集成化和儀器化。
文檔編號(hào)G01D5/353GK1776374SQ20051006169
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者管祖光, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)