專利名稱：一種基于光纖光柵的大氣壓力計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光纖光柵的大氣壓カ計，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。在航空航天中，氣壓是一個重要的參數(shù)，氣壓表可以對很多其他導(dǎo)航儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的氣壓表已經(jīng)不能完全滿足航空航天中對于儀表的防燃防爆防電磁干擾的需要，研制一種體積小巧且抗干擾能力強(qiáng)的氣壓表成為迫切需要。
光纖光柵是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新型光電子器件，經(jīng)過10多年的發(fā)展，光纖光柵的制作技術(shù)日趨成熟，系統(tǒng)應(yīng)用不斷拓展。由于光纖光柵的敏感變化參量為光的波長，與其他光纖傳感器相比，它有許多獨特的優(yōu)勢，例如在一根光纖上可串接多個光柵傳感器或在一根光纖上可以同時刻多個光柵，単獨尋址；抗電磁干擾能力強(qiáng)；不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對光強(qiáng)度變化的干擾；體積小，可以置于結(jié)構(gòu)內(nèi)；它的測量是絕對值，不需要校零；靈敏度高；抗潮濕、抗腐蝕能力強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境中長期使用。光纖光柵測氣壓方面的專利較少，現(xiàn)有的中國專利CN102147311A “光纖光柵氣壓傳感器”介紹了利用邊孔光柵的空氣孔使光纖光柵發(fā)生應(yīng)變，從而引起反射波長變化，從而計算出周圍的氣壓。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對光纖光柵造成橫向應(yīng)變，靈敏度低，并沒有從工程應(yīng)用上進(jìn)行整體傳感系統(tǒng)的設(shè)計與軟硬件的實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服已有的技術(shù)局限，將光纖光柵傳感器引入氣壓測量領(lǐng)域，提供了一種匹配型光纖布拉格光柵大氣壓強(qiáng)傳感系統(tǒng)的方案，該系統(tǒng)具有檢測精度高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗震性好的特點。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于光纖光柵的大氣壓カ計，包括真空膜盒，光纖布拉格光柵，可調(diào)諧匹配光柵濾波器，光電探測器，Y型光纖耦合器，光隔離器，ASE寬帶光源和信號放大與處理系統(tǒng)；其中光纖布拉格光柵由膠緊固在真空膜盒表面，所述ASE寬帶光源，3dB帶寬30nm ;所述ASE寬帶光源經(jīng)過光隔離器與Y型光纖耦合器的A端ロ相連接；Y型光纖率禹合器的B端ロ與可調(diào)諧匹配光柵濾波器相連，Y型光纖稱合器的C端ロ與光纖布拉格光柵相連接；所述ASE寬帶光源輸出的光通過光隔離器，從Y型光纖耦合器的A端ロ進(jìn)C端ロ出，到達(dá)光纖布拉格光柵，符合其光柵中心波長的光被光纖布拉格光柵反射后，又從C端ロ返回Y型光纖稱合器，一半的光從端ロ A出射后被光隔離器阻隔,另一半的光從B端ロ輸出，進(jìn)入可調(diào)諧匹配光柵濾波器，光信號經(jīng)其濾波后進(jìn)入光電探測器，可調(diào)諧匹配光柵濾波器的電壓和光電探測器輸出的電信號同時進(jìn)入信號放大與處理系統(tǒng)進(jìn)行處理求得大氣壓值。其中光纖布拉格光柵通過502膠緊固在真空膜盒表面,通過光纖布拉格光柵測量
真空膜盒的形變量。
所述ASE寬帶光源為ASE寬帶光源，中心波長1550nm，3dB帶寬30nm。所述Y型光纖稱合器為3dB光纖稱合器,分光比為50:50。所述可調(diào)諧匹配光柵濾波器要與光纖布拉格光柵相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬參數(shù)要基本一致。 所述的光電探測器為半導(dǎo)體PIN型光電ニ極管電路。本發(fā)明的原理在于本發(fā)明利用匹配光柵解調(diào)發(fā)法，解調(diào)波長漂移的信息，從而求得光纖光柵的應(yīng)變大小，即真空膜盒的形變程度，最終得到大氣壓カ值。檢測的是光波長而非光功率，光波長信息不受光傳輸過程中光功率損耗的影響，因而檢測精度更高、分辨カ更大，噪聲更小。本 發(fā)明靈敏度高，應(yīng)變分辨カ強(qiáng)，而且光纖傳感器抗電磁干擾、抗震動、抗潮濕、抗腐蝕等能力很強(qiáng)，使得此套系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中也能長期正常地使用，并且本發(fā)明質(zhì)量輕、體積小。本發(fā)明與傳統(tǒng)的氣壓表相比優(yōu)點在于I、光纖光柵傳感器粘貼于空氣膜盒表面，直接測量真空膜盒由于氣壓變化而產(chǎn)生的應(yīng)變，省略了復(fù)雜的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上提高了精度以及靈敏度。2、由于用光纖傳感器代替了金屬的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，提高了氣壓計的抗震性能和抗電磁干擾性能，適用于航空航天工程的復(fù)雜環(huán)境。3、所用的可調(diào)諧光纖光柵濾波器與粘貼在膜盒上的光纖光柵傳感器處于同一溫度場中，由于溫度產(chǎn)生的中心波長漂移相同，本發(fā)明可以自動實現(xiàn)溫度補償。


圖I是基于光纖光柵的大氣壓カ計的原理框圖；圖中，真空膜盒1，光纖布拉格光柵(FBG) 2，可調(diào)諧匹配光柵濾波器3，ASE寬帶光源7,光隔離器6, Y型光纖稱合器5,光電探測器4,信號放大與處理系統(tǒng)8。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時,這些描述在這里將被忽略。如圖I所示，本發(fā)明包括真空膜盒1，光纖布拉格光柵(FBG)2，可調(diào)諧匹配光柵濾波器3, ASE寬帶光源7,光隔離器6, Y型光纖稱合器5,光電探測器4,信號放大與處理系統(tǒng)8 ;其中FBG 2由膠緊固在真空膜盒I表面。所述ASE寬帶光源7，3dB帶寬30nm ；ASE寬帶光源7經(jīng)過光隔離器6與Y型光纖耦合器5的A端ロ相連接；Y型光纖耦合器5的B端ロ與可調(diào)諧光纖光柵3相連，Y型光纖耦合器5的C端ロ與FBG傳感器相連接；ASE寬帶光源7輸出的光通過光隔離器6，從Y型光纖耦合器5的A端ロ進(jìn)C端ロ出，到達(dá)FBG2，符合光柵中心波長的光被FBG 2反射后,又從C端ロ返回Y型光纖稱合器5, —半的光從端ロ A出射后被光隔離器6阻隔，另一半的光從B端ロ輸出，進(jìn)入可調(diào)諧匹配光柵濾波器3，光信號經(jīng)其濾波后進(jìn)入光電探測器4，可調(diào)諧匹配光柵濾波器3的電壓和光電探測器4輸出的電信號同時進(jìn)入信號處理模塊進(jìn)行處理。所述寬帶光源7為ASE (放大自發(fā)輻射)寬帶光源。寬帶光源是以摻雜光纖中増益介質(zhì)超熒光譜為基礎(chǔ)的光源，它的激勵源完全來自于受激原子的自發(fā)輻射，雖然光纖放大器中沒有諧振腔鏡，這些自發(fā)輻射不能形成激光束，但是，如果發(fā)生在光纖中的自發(fā)輻射能沿光纖傳導(dǎo)，自發(fā)輻射就能被放大，就產(chǎn)生ー種背景噪聲，成為放大自發(fā)輻射，從而形成ASE光源。它有著易于和光柵傳感系統(tǒng)耦合、溫度穩(wěn)定性好、3dB譜寬寬、模式好等一系列優(yōu)點。本發(fā)明所用的寬帶光源I在光譜范圍內(nèi)平坦性好，3dB帶寬為30nm。所述Y性光纖耦合器5為3dB光纖耦合器，即分光比為50:50。光通過隔離器6進(jìn)入Y型光纖耦合器5后全部從C端ロ輸出而不進(jìn)入B端ロ。而由光纖光柵傳感器2返回的光信號進(jìn)入C端ロ，被均勻等功率地分為兩束。一束通過可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器3，另一束被隔離器阻擋6。所述可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器3，要與傳感光纖布拉格光柵2相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數(shù)應(yīng)基本一致。這樣，只要調(diào)諧光纖光柵濾波器3的中心波長使其與光纖光柵傳感器2的中心波長一致,就可以在光電探測器的輸入端檢測到最小光信號。光電探測電路將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，是整個系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵之一。本實施 例所述的傳感系統(tǒng)，光信號從寬帶光源7經(jīng)過一系列光纖通路、器件、接ロ后，光功率損耗比較大，入射到光電探測器4的光功率通常很低；本實施例又要求高頻高精度的光電轉(zhuǎn)化。本實施例中用半導(dǎo)體InGaAs PIN光電ニ極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，它具有偏置電壓低、頻率響應(yīng)高、光譜響應(yīng)寬、光電轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好、噪聲小等優(yōu)點。信號放大與處理系統(tǒng)8，將光電轉(zhuǎn)化后的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，數(shù)字化的電信號進(jìn)入主處理器進(jìn)行運算分析處理。主處理器一般由CPLD、FPGA或DSP以及存儲器等電子器件和寫入的軟件程序組成。信號放大與處理系統(tǒng)8的上述功能是本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易根據(jù)實際需要實現(xiàn)的，可利用如下的關(guān)系進(jìn)行分析處理光纖光柵反射中心波長與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為Λ λ/λΒ = (α +ζ) ΔΤ+(I-Pe)Δ ε，對于這種溫度自補償?shù)墓饫w光柵匹配解調(diào)裝置而言，光纖光柵傳感器的中心波長改變只與其應(yīng)變量有關(guān)，公式可簡化為Δλ = kA e，k為I. 2pm/μ ε。大氣壓強(qiáng)的改變會引起真空膜盒的形變，真空膜盒I的形變直接使粘貼在上面的傳感光纖光柵2產(chǎn)生應(yīng)變。從上面的公式可以看出，光纖光柵應(yīng)變量與中心波長的變化量可以看作簡單的線性關(guān)系。利用傳感器處真空膜盒的變形量與大氣壓強(qiáng)之間的函數(shù)關(guān)系即可求得大氣壓值。本發(fā)明采用透射式光纖光柵濾波器法進(jìn)行解調(diào)?？烧{(diào)諧匹配光柵濾波器3是ー個可調(diào)諧的光纖參考光柵，它固定在壓電陶瓷(PZT)上，壓電陶瓷由線性電壓驅(qū)動，從而可以對參考光纖布拉格光柵3的諧振波長進(jìn)行調(diào)諧，其波長的變化范圍能夠覆蓋光纖布拉格光柵(FBG) 2的波長變化區(qū)間。可調(diào)諧匹配光柵濾波器3的電壓與波長關(guān)系通過標(biāo)定后有確定的關(guān)系。在透射式結(jié)構(gòu)中，當(dāng)可調(diào)諧匹配光柵濾波器3的反射波長和光纖布拉格光柵2的反射波長匹配時，光電探測器探測到的光強(qiáng)出現(xiàn)最小值，從而可以測量出光纖布拉格光柵2的反射波長，進(jìn)而計算出光纖布拉格光柵2發(fā)生的應(yīng)變變化。盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光柵的大氣壓力計，其特征在于包括真空膜盒(I)，光纖布拉格光柵(2)，可調(diào)諧匹配光柵濾波器(3)，光電探測器(4)，Y型光纖耦合器(5)，光隔離器(6)，ASE寬帶光源(7)和信號放大與處理系統(tǒng)(8);其中光纖布拉格光柵(2)由膠緊固在真空膜盒表面，所述ASE寬帶光源(7)，3dB帶寬30nm ;所述ASE寬帶光源(7)經(jīng)過光隔離器(6)與Y型光纖耦合器(5)的A端口相連接；Y型光纖耦合器(5)的B端口與可調(diào)諧匹配光柵濾波器(3)相連，Y型光纖耦合器(5)的C端口與光纖布拉格光柵(2)相連接；所述ASE寬帶光源(7)輸出的光通過光隔離器(6),從Y型光纖I禹合器(5)的A端口進(jìn)C端口出，到達(dá)光纖布拉格光柵(2),符合其光柵中心波長的光被光纖布拉格光柵(2)反射后,又從C端口返回Y型光纖I禹合器(5), —半的光從端口 A出射后被光隔離器(6)阻隔,另一半的光從B端口輸出，進(jìn)入可調(diào)諧匹配光柵濾波器(3)，光信號經(jīng)其濾波后進(jìn)入光電探測器(4)，可調(diào)諧匹配光柵濾波器(3)的電壓和光電探測器(4)輸出的電信號同時進(jìn)入信號放大與處理系統(tǒng)(8)進(jìn)行處理求得大氣壓值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵的大氣壓力計，其特征在于其中光纖布拉格光柵(2 )通過502膠緊固在真空膜盒(I)表面，通過光纖布拉格光柵(2 )測量真空膜盒(I)的形變量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵的大氣壓力計，其特征是所述ASE寬帶光源(7)為ASE寬帶光源，中心波長1550nm，3dB帶寬30nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵的大氣壓力計，其特征是所述Y型光纖耦合器(5)為3dB光纖I禹合器,分光比為50:50。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵的大氣壓力計，其特征是所述可調(diào)諧匹配光柵濾波器(3)要與光纖布拉格光柵(2)相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬參數(shù)要基本一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵的大氣壓力計，其特征是所述的光電探測器(4)為半導(dǎo)體PIN型光電二極管電路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于光纖光柵的大氣壓力計，包括真空膜盒，光纖布拉格光柵，可調(diào)諧匹配光柵濾波器，寬帶光源，光隔離器，Y型光纖耦合器，光電探測器和信號放大與處理系統(tǒng)；其中光纖布拉格光柵由膠緊固在真空膜盒表面，本發(fā)明利用匹配光柵解調(diào)方法，解調(diào)波長漂移的信息，從而求得光纖光柵的應(yīng)變大小，即真空膜盒的形變程度，最終得到大氣壓力值。檢測的是光波長而非光功率，光波長信息不受光傳輸過程中光功率損耗的影響，因而檢測精度更高、分辨力更大，噪聲更小。本發(fā)明靈敏度高，應(yīng)變分辨力強(qiáng)。而且光纖傳感器抗電磁干擾、抗震動、抗潮濕、抗腐蝕等能力很強(qiáng)，使得此套系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中也能長期正常地使用。
文檔編號G01L11/02GK102680162SQ20121018764
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者周亞光, 李成貴, 王釗, 魏鵬 申請人:北京航空航天大學(xué)