專利名稱：準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器及檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器及檢測儀。
背景技術(shù)：
溫度、應(yīng)力的實時監(jiān)測在工程上有重要的意義。密集的溫度、應(yīng)力信息采集可以應(yīng)用于大型建筑的健康狀況分析與維護；也可以用于某些大型機械設(shè)備的性能監(jiān)測，如飛機、 輪船；還可以用于對地殼活動的監(jiān)測。傳統(tǒng)的利用光纖的時域后向散射實現(xiàn)的分布式傳感可以實現(xiàn)分布式測量，且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但很難獲得足夠高的靈敏度。近來有報道基于光纖后向散射光的相位變化實現(xiàn)的分布式應(yīng)力、溫度傳感，達到了非常高的靈敏度，然而這種方法對光源的穩(wěn)定性要求極高，信號處理過程中需要大量工作來消除噪聲和干擾，難以作為一種實用的解決方案。另外，基于布拉格光纖光柵FBG串聯(lián)構(gòu)成的準分布式應(yīng)力溫度傳感器已經(jīng)得到了廣泛研究。但是利用FBG對形成的法布里-珀羅F-P諧振腔來實現(xiàn)準分布式傳感卻幾乎沒有。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高的溫度、應(yīng)力傳感器及其檢測儀。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高的溫度、應(yīng)力傳感器， 其原理是，不同腔長的F-P諧振腔的反射率曲線在光譜范圍內(nèi)會出現(xiàn)周期性變化，變化周期取決于腔長，利用這一特點可以區(qū)分所串聯(lián)的每一對FBG，簡單地實現(xiàn)信號的解調(diào)。由一
個FBG對構(gòu)成的F-P諧振腔，反射系數(shù)為 [。。。6] + ⑴其中λ為某一波長，Γι(λ)、ι·2(λ)分布為在該波長處兩個FBG的反射率，在本發(fā)明里可以視為相等，S (λ)為該波長處F-P諧振腔對應(yīng)的相位厚度，決定于兩個FBG之間的光纖長度，并受外界所施加的應(yīng)力和溫度影響。根據(jù)上式做出反射系數(shù)在光源光譜范圍內(nèi)的曲線，由于eiS(A)因子的存在，反射率有一個周期性的變化，變化周期與腔長近似成反比。基于上述原理，本發(fā)明的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器，包括至少兩個串行的布拉格光纖光柵，其特征在于，兩個相鄰的布拉格光纖光柵構(gòu)成的一個法布里-珀羅諧振腔， 一個法布里-珀羅(F-P)諧振腔為一個傳感單元。進一步的，所述法布里-珀羅諧振腔為多個，每個法布里-珀羅諧振腔的長度均不相等。更加優(yōu)化的，所述布拉格光纖光柵的柵區(qū)長度大于一個光柵周期、小于1毫米。
所述傳感單元直接通過相位掩膜法刻寫在普通單模光纖上。本發(fā)明還提出了一種運用所述光纖溫度、應(yīng)力檢測儀，其特征在于，光源經(jīng)過環(huán)形器連接所述基于布拉格光纖光柵的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器上的各個傳感單元，所述環(huán)形器的另一端接光譜分析儀，所述光譜分析儀的輸出端連接計算機，所述計算機對光譜分析儀輸出的光譜進行傅里葉變換得到光譜的頻譜，此頻譜的峰值個數(shù)與復(fù)用的F-P腔的個數(shù)相同。當(dāng)外界對傳感單元的有效傳感區(qū)域施加作用后，該傳感單元對應(yīng)的頻譜峰值將發(fā)生偏移，作用量的大小可以通過偏移量的大小計算得到各個傳感單元的溫度、應(yīng)力的變化值。本發(fā)明利用不同腔長的F-P腔的反射率曲線在光譜范圍內(nèi)具有的不同變化周期實現(xiàn)準分布式傳感，具有抗干擾能力強、可靠性高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，有廣泛的應(yīng)用前景。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。圖1 本發(fā)明檢測儀的結(jié)構(gòu)圖。圖2 本發(fā)明所用傳感單元圖。圖3 用于制作F-P腔的擋板。圖4 一個實例，20個F-P腔串接時，光譜分析儀探測到的光譜。圖5 :20個F-P腔串接時，對光譜分析儀探測到的光譜進行傅里葉變換的結(jié)果。其中，1、寬譜光源(ASE)，2、環(huán)形器，3、傳感單元，4、光譜分析儀，5、計算機，6、低反射率FBG，7、F-P諧振腔長度，8、柵區(qū)長度，9、金屬擋板，10、擋板上的透光孔。
具體實施例方式在單模光纖上刻寫光柵時，將圖2所示的金屬擋板，例如鋁片，置于相位掩模板前方，即可得到所需腔長的F-P腔；因為柵區(qū)長度是一定的，通過調(diào)整紫外激光的掃描速度， 得到適合的FBG反射率。利用這種方法，改變擋板兩個透光孔之間的距離，可以在同一根單模光纖上刻寫上一系列不同腔長的F-P干涉儀。工作時，把傳感光纖埋入需要監(jiān)測溫度、應(yīng)力的區(qū)域中，光譜光源發(fā)出的光通過環(huán)形器到達傳感光纖上的各個F-P腔并被反射回環(huán)形器到達光譜分析儀。把光譜分析儀探測到的反射光光譜信息送入計算機進行處理。對光譜進行傅里葉變換得到一個頻譜圖，該頻譜圖的峰值個數(shù)與參與復(fù)用的F-P腔個數(shù)相等，且一一對應(yīng)。當(dāng)某個傳感單元收到外界所用時，如溫度、應(yīng)力變化引起了改諧振腔的相位長度變化，其反射譜的在頻率域上的中心將發(fā)生偏移，偏移的大小和受到外界作用的大小存在近似線性的關(guān)系，通過觀察每一個頻譜峰中心處的漂移情況，即可得到每一個傳感處的溫度，應(yīng)力變化情況，從而實現(xiàn)了準分布式的溫度、應(yīng)力傳感。以下給出一個運用本發(fā)明建立的一個準分布式傳感器的實例。光源在1520nm到 1570nm波長范圍內(nèi)發(fā)出寬譜光，通過環(huán)形器達到傳感光纖并被傳感光纖上的每一個F-P對反射回環(huán)形器，被光譜分析儀接收，光譜分析儀將探測到的結(jié)果傳至計算機，計算機對反射光的光譜進行傅里葉變換得到光譜的頻譜，此頻譜的峰值個數(shù)與復(fù)用的F-P腔的個數(shù)相同。當(dāng)外界對傳感單元的有效傳感區(qū)域施加作用后，該傳感單元對應(yīng)的頻譜峰值將發(fā)生偏移，作用量的大小可以通過偏移量的大小計算得到。在1毫米到3厘米之間等比地取20個值作為F-P腔腔長，對這20個腔進行復(fù)用， 光譜分析儀探測到的光譜如圖4所示，對此光譜進行傅里葉變換，得到頻譜如圖5所示，可以看出，頻譜上對應(yīng)了 20個峰值，與所復(fù)用的傳感單元一一對應(yīng)，觀察每個峰點的頻率漂移情況，即可獲知每個傳感單元受到的應(yīng)力、溫度作用，實現(xiàn)準分布傳感。本發(fā)明所用的傳感光纖制作方法為在一根普通單模光纖上，用紫外激光器寫入幾個不同腔長的F-P干涉儀，構(gòu)成F-P干涉儀的兩個FBG具有很低的反射率，因而能達到很高的復(fù)用數(shù)。實驗時入射寬譜光，并用光譜分析儀獲得反射光的光譜。當(dāng)外界對傳感器的有效傳感區(qū)域施加應(yīng)力或溫度后，諧振腔的相位厚度發(fā)生改變，由反射系數(shù)的計算公式知道，反射率-波長曲線的周期發(fā)生改變，這個改變反應(yīng)到反射率的傅里葉變換后的曲線上，為峰值點的平移，可以方便地檢測出來。由于在單模光纖上刻寫TOG技術(shù)已經(jīng)成熟，所述傳感纖的制作簡單，所采用的設(shè)備均為常規(guī)設(shè)備，因此實現(xiàn)方法簡單，價格低廉，并且能實現(xiàn)高靈敏度的溫度、應(yīng)力監(jiān)測，具有很好的實用價值。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器，包括至少兩個串行的布拉格光纖光柵，其特征在于，兩個相鄰的布拉格光纖光柵構(gòu)成的一個法布里-珀羅諧振腔，一個法布里-珀羅諧振腔為一個傳感單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器，其特征在于，所述法布里-珀羅諧振腔為多個，每個法布里-珀羅諧振腔的長度均不相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器，其特征在于，所述布拉格光纖光柵的柵區(qū)長度大于一個光柵周期、小于1毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器器，其特征在于，所述傳感單元直接通過相位掩膜法刻寫在普通單模光纖上。
5.一種運用權(quán)利要求1所述的溫度、應(yīng)力檢測儀，其特征在于，光源經(jīng)過環(huán)形器連接所述基于布拉格光纖光柵的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器上的傳感單元，所述環(huán)形器的另一端接光譜分析儀，所述光譜分析儀的輸出端連接計算機，所述計算機對光譜分析儀輸出的光譜進行傅里葉變換得到光譜的頻譜，所述頻譜的偏移量反映傳感單元所感知到外部的溫度、應(yīng)力的變化值。
6.一種運用權(quán)利要求4所述的溫度、應(yīng)力檢測儀，其特征在于，光源經(jīng)過環(huán)形器連接所述基于布拉格光纖光柵的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器上的各個傳感單元，所述環(huán)形器的另一端接光譜分析儀，所述光譜分析儀的輸出端連接計算機，所述計算機對光譜分析儀輸出的光譜進行傅里葉變換得到若干個頻譜，所述頻譜的偏移量分別反映各個傳感單元所分別感知到外部的溫度、應(yīng)力的變化值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于低反射率FBG構(gòu)成的F-P干涉儀復(fù)用的準分布式光纖溫度、應(yīng)力傳感器。傳感單元為為由兩個FBG所構(gòu)成的F-P諧振腔，寬譜光源經(jīng)過環(huán)形器連接傳感光纖，光纖上可根據(jù)需要刻寫多個傳感單元，環(huán)形器的另一端接光譜分析儀，光譜分析儀探測結(jié)果輸出到計算機上進分析與解調(diào)。本發(fā)明測量抗干擾能力強、可靠性高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01K11/32GK102169027SQ20111000673
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者劉德明, 孫琪真, 張杰君, 張滿亮, 李曉磊 申請人:華中科技大學(xué)