專利名稱：基于ccd和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于電荷耦合器件(CCD)和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感 解調(diào)系統(tǒng)，適用于光纖通信、光纖傳感、交通信息工程及控制技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵傳感器的工作原理是將外界被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴祭癫?長(zhǎng)的變化，因此如何檢測(cè)布拉格波長(zhǎng)的微小變化即對(duì)波長(zhǎng)編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)成 了光纖布拉格光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題。解調(diào)系統(tǒng)就是用來(lái)完成測(cè)量布拉 格波長(zhǎng)的變化。只有通過(guò)解調(diào)系統(tǒng)才能獲取外界被測(cè)量的信息，實(shí)現(xiàn)傳感的價(jià) 值和意義，它在整個(gè)傳感器系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。光纖布拉格光柵傳感具有光纖傳輸系統(tǒng)的不帶電、抗射頻、抗電磁干擾、防 燃、防爆、抗腐蝕、耐高壓、耐電離輻射、重量輕、體積小及具有大信號(hào)傳輸 帶寬等優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感應(yīng)用越來(lái)越廣泛。長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜中， 一部分耦合到包層中，這部分能量為P1，余下的 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵繼續(xù)向前傳播，這部分的能量為P2， Pl+P2就是光源的功 率，長(zhǎng)周期光纖光柵的每個(gè)透射峰的短波長(zhǎng)側(cè)或者長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)是上升的曲線或者 下降的曲線，是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此P1和P2都是波長(zhǎng)的函數(shù)Erdogan T. Fiber grating spectra.[J]. Lightwave Technology, Journal of， 1997， 15(8): 1277-1294.。解調(diào)方法常用的有笨重、價(jià)格昂貴的光譜儀法；采用可調(diào)諧光源以及光纖法布里-珀羅濾波加寬帶光源的解調(diào)方法，這種方法，需要的器件復(fù)雜，成本高； 非平衡馬赫-曾德干涉儀的濾波原理對(duì)傳感信號(hào)的波長(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)化為相位變化量進(jìn)行濾波解調(diào)，Jl定'些差，^^{^|位變化范圍決定其測(cè)量范圍非常有限，并會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的損耗；匹配濾波法是利用另一個(gè)布拉格光柵(參考光柵)， 在驅(qū)動(dòng)元件的作用下借助外差載波技術(shù)來(lái)跟蹤布拉格光柵(傳感光柵)的波長(zhǎng)變 化，使得參考光柵的反射波長(zhǎng)在某個(gè)時(shí)刻或某段時(shí)間內(nèi)和傳感光柵的反射波長(zhǎng) 一致，實(shí)現(xiàn)參考光柵對(duì)傳感光柵信號(hào)的解調(diào)，這種方法掃描速度慢，驅(qū)動(dòng)元件 的非線性嚴(yán)重影響解調(diào)精度。目前也有采用CCD來(lái)解調(diào)的系統(tǒng)，但是采用把端 面的發(fā)射出來(lái)的光采用體光學(xué)元件把出射光分開(kāi)解調(diào)李學(xué)勝.CCD光譜成像技 術(shù)在光纖光柵解調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用[D].黑龍江大學(xué)，2007; Zhou K.， Simpson A.GL， Chen X.， Zhang L， Bennion I. Fiber Bragg grating sensor interrogation system using a CCD side detection method with Superimposed blazed gratings.[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 2004, 16(6): 1549-1551，或者需要附加光路來(lái)消除光 源的波動(dòng)影響。由于上述光纖光柵傳感解調(diào)方法的不足，光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)是發(fā)揮光纖 光柵傳感優(yōu)勢(shì)和加快光纖光柵傳感推進(jìn)的攔路虎。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有的布拉格光柵傳感解調(diào)方法的不足， 提供一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，它是把長(zhǎng)周 期光纖光柵側(cè)面緊貼在CCD的表面,用不透光的盒子把長(zhǎng)周期光纖光柵和CCD 密封在一起，長(zhǎng)周期光纖光柵一端接光電探測(cè)器， 一端接布拉格光柵傳感單元; CCD和控制器電連接，光電探測(cè)器、控制器和信號(hào)處理單元電連接； 光電探測(cè)器探測(cè)的數(shù)據(jù)和CCD控制器獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號(hào)處理單元，處理單元對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移量。
CCD采集耦合到長(zhǎng)周期光纖光柵的包層中的光功率。 光電探測(cè)器釆集經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵透射過(guò)來(lái)的光功率。 信號(hào)處理單元根據(jù)CCD采集耦合到長(zhǎng)周期光纖光柵包層的光功率和光電探 測(cè)器采集透射過(guò)來(lái)的光功率，判斷布拉格光柵傳感單元光源的光功率波動(dòng)。
長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜寬度很寬，可以把部分能量耦合到包層中輻射出去； 布拉格光柵的光譜較窄，能把特定波長(zhǎng)的入射光反射回去。如果傳感單元采用 布拉格光柵反射回來(lái)的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵把部分能量 耦合到包層出來(lái)，部分直接經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵透射出來(lái)；耦合到包層的能量 為P1，直接透射的能量為P2，布拉格光柵反射回來(lái)進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵的能量 為P， P=P1+P2。由于長(zhǎng)周期光纖光柵的透射曲線是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此耦合到包 層的能量Pl和直接透射的能量P2也是波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)耦合到包層的能量Pl增 加時(shí)，直接透射的能量P2就減少，直接透射的能量P2減少的量就是耦合到包 層的能量P1增加的量。因此本發(fā)明可以消除傳感單元的光源功率波動(dòng)的影響。
當(dāng)傳感單元在外界因素作用下，耦合到包層的能量P1由CCD檢測(cè)，耦合到 包層的能量可以得到，通過(guò)CCD測(cè)量得到的能量Pl變化就可以計(jì)算出傳感單 元的波長(zhǎng)變化，實(shí)現(xiàn)了傳感單元波長(zhǎng)解調(diào)。但是有時(shí)候，傳感單元的光源功率 會(huì)發(fā)生波動(dòng)，對(duì)CCD來(lái)說(shuō)，也是功率變化，導(dǎo)致計(jì)算出傳感單元的布拉格光柵 波長(zhǎng)發(fā)生了變化，產(chǎn)生誤報(bào)，但是這是時(shí)候把探測(cè)器測(cè)量的功率P2與CCD測(cè) 量得到的能量P1運(yùn)算，就可以推出是傳感單元的光源波動(dòng)所引起，消除傳感單 元光源波動(dòng)引起的誤差。
本發(fā)明的有益效果采用長(zhǎng)周期光纖光柵耦合到包層的功率變化來(lái)判斷傳感 單元的布拉格光柵的波長(zhǎng)變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低；利用長(zhǎng)周期光纖光柵透射的光功率來(lái)校準(zhǔn)光源的功率波動(dòng)，不需要額外增加光路和光路元件， 減少了額外的開(kāi)銷，并大大提高解調(diào)的精度。這對(duì)降低布拉格光柵解調(diào)成本， 推進(jìn)布拉格光柵傳感應(yīng)用，發(fā)揮布拉格光柵傳感優(yōu)勢(shì)具有重要的意義。


圖1基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)示意圖。 圖2長(zhǎng)周期光纖光柵透射光譜圖。 圖3布拉格光柵反射光譜圖。 圖4長(zhǎng)周期光纖光柵透射光譜圖。 圖5布拉格光柵反射光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 實(shí)施例一
一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，它是把長(zhǎng)周 期光纖光柵1側(cè)面緊貼在CCD 2的表面，用不透光的盒子3把長(zhǎng)周期光纖光柵 1和CCD2密封在一起，長(zhǎng)周期光纖光柵3—端接光電探測(cè)器4， 一端接布拉格 光柵傳感單元7;
CCD 2和控制器5電連接，光電探測(cè)器4、控制器5和信號(hào)處理單元6電連
接；
光電探測(cè)器4探測(cè)的數(shù)據(jù)和CCD2控制器5獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號(hào)處理單 元6，處理單元對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元7布拉格光柵的波長(zhǎng)漂 移量。
布拉格光柵傳感單元7的布拉格光柵反射峰位于長(zhǎng)周期光纖光柵1透射峰的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)，受到被傳感量的作用時(shí)，布拉格光柵反射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，
布拉格光柵傳感單元7反射回來(lái)進(jìn)入長(zhǎng)周期光柵1的能量耦合到包層中的能量 減少，透過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵1的能量進(jìn)入光電探測(cè)器4的能量增加；耦合到包 層的能量P1由CCD檢測(cè)，透過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵的能量P2由光電探測(cè)器4檢測(cè)， CCD檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)和光電探測(cè)器得到的數(shù)據(jù)輸入到信號(hào)處理單元，信號(hào)處理 單元6對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元7布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移量； 實(shí)現(xiàn)傳感解調(diào)。 實(shí)施例二
器件連接同實(shí)施例一。
布拉格光柵傳感單元7的布拉格光柵反射峰位于長(zhǎng)周期光纖光柵1透射峰的 短波長(zhǎng)側(cè)，受到被傳感量的作用時(shí)，布拉格光柵反射波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)， 布拉格光柵傳感元7反射回來(lái)進(jìn)入長(zhǎng)周期光柵1的能量耦合到包層中的能量減
少，透過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵1的能量進(jìn)入光電探測(cè)器4的能量增加；耦合到包層
的能量Pl由CCD檢測(cè)，透過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵的能量P2由光電探測(cè)器4檢測(cè)， CCD檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)和光電探測(cè)器得到的數(shù)據(jù)輸入到信號(hào)處理單元，信號(hào)處理 單元6對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元7布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移量； 實(shí)現(xiàn)傳感解調(diào)。 實(shí)施例三
器件連接同實(shí)施例一。
布拉格光柵傳感單元7的布拉格光柵反射峰位于長(zhǎng)周期光纖光柵1透射峰的 短或長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)，受到被傳感量的作用時(shí)，布拉格光柵反射波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移 動(dòng)，布拉格光柵傳感單元7反射回來(lái)進(jìn)入長(zhǎng)周期光柵1的能量耦合到包層中的 能量減少或增加，透過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵1的能量進(jìn)入光電探測(cè)器4的能量增加或減少；耦合到包層的能量P1由CCD檢測(cè)，透過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵的能量P2由 光電探測(cè)器4檢測(cè)，CCD檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)和光電探測(cè)器得到的數(shù)據(jù)輸入到信號(hào) 處理單元，信號(hào)處理單元6對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到傳感單元7布拉格光柵的波長(zhǎng) 漂移量；實(shí)現(xiàn)傳感解調(diào)。
布拉格光柵傳感單元7受到被傳感量的作用時(shí)，布拉格光柵反射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波 長(zhǎng)方向移動(dòng)，與上述情況下的探測(cè)到的能量變化規(guī)律相反。
圖2長(zhǎng)周期光纖光柵透射光譜圖、圖3布拉格光柵反射光譜圖。說(shuō)明布拉 格光柵傳感單元7在長(zhǎng)周期光柵1上的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)的情況。
圖4長(zhǎng)周期光纖光柵透射光譜圖、圖5布拉格光柵反射光譜圖。說(shuō)明布拉 格光柵傳感單元7在長(zhǎng)周期光柵1上的短波長(zhǎng)側(cè)的情況。
本發(fā)明所使用的器件均為市售器件。
權(quán)利要求
1.一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，特征在于把長(zhǎng)周期光纖光柵(1)側(cè)面緊貼在CCD(2)的表面，用不透光的盒子(3)把長(zhǎng)周期光纖光柵(1)和CCD(2)密封在一起，長(zhǎng)周期光纖光柵(3)一端接光電探測(cè)器(4)，一端接布拉格光柵傳感單元(7)；CCD(2)和控制器(5)電連接，光電探測(cè)器(4)、控制器(5)和信號(hào)處理單元(6)電連接；光電探測(cè)器(4)探測(cè)的數(shù)據(jù)和CCD(2)控制器(5)獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號(hào)處理單元(6)，信號(hào)處理單元對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元(7)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于CCD (2)采集耦合到長(zhǎng)周期光纖光柵(1)的包 層中的光功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于光電探測(cè)器(4)采集經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵(1) 透射過(guò)來(lái)的光功率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于信號(hào)處理單元(6)根據(jù)CCD (2)采集耦合到長(zhǎng) 周期光纖光柵(1)包層的光功率和光電探測(cè)器(4)采集透射過(guò)來(lái)的光功率， 判斷布拉格光柵傳感單元(7)光源的光功率波動(dòng)。
全文摘要
一種基于CCD和長(zhǎng)周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，它是把長(zhǎng)周期光纖光柵(1)側(cè)面緊貼在CCD(2)的表面，用不透光的盒子(3)把長(zhǎng)周期光纖光柵和CCD密封在一起，長(zhǎng)周期光纖光柵一端接光電探測(cè)器(4)，一端接布拉格光柵傳感單元(7)；CCD和控制器(5)電連接，光電探測(cè)器、控制器和信號(hào)處理單元(6)電連接；光電探測(cè)器探測(cè)的數(shù)據(jù)和CCD控制器獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元對(duì)兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移量。信號(hào)處理單元根據(jù)CCD采集耦合到長(zhǎng)周期光纖光柵包層的光功率和光電探測(cè)器采集透射過(guò)來(lái)的光功率，判斷布拉格光柵傳感單元光源的光功率波動(dòng)。
文檔編號(hào)G01D5/353GK101324447SQ20081011720
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者楚 劉, 寧提綱, 帆 張, 朱翀宇, 王春燦, 白宏偉, 鄭晶晶, 馬中秀 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)