专利名称：光纤布拉格光栅传感波长解调过程中的波长标定方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤布拉格光栅传感波长解调过程中对波长进行在线和实时标定的方法，属光纤传感测量技术领域。
背景技术：
光纤布拉格光栅(简称FBG)是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件。FBG已被越来越广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，使用寿命长，体积小，可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。近年来，随着FBG传感技术的不断发展，其应用范围也在日益扩大，并开始在有些领域取代传统的传感系统。
目前限制FBG传感进一步普及应用的主要问题是与传统传感系统相比其价格过高。FBG传感系统由FBG传感器和波长解调两个主要部分构成。随着FBG制造技术和工艺水平的不断发展和完善，FBG传感器的制造成本在不断下降，有望达到与传统传感器相当的价格水平。因此，决定FBG传感系统价格的关键因素是波长解调仪的价格。波长解调仪的功能即通过光谱分析确定每个FBG传感器对应的布拉格波长及其变化。目前较为成熟和使用较为普遍的方法是采用可调谐扫描光纤滤波器和色散光栅加线阵CCD两种技术。采用这些技术可实现3pm或更高的波长分辨率，但由于器件特性以及外界环境等因素的影响，实现pm量级的波长精度和稳定性，则需要一些特殊技术，这是造成FBG波长解调仪成本难以下降的主要原因。而良好的波长分辨率、波长精度和稳定性对于FBG传感系统用于长期监测是至关重要的。
提高FBG传感系统波长精度和稳定性的常用方法之一是采用标准气体盒。利用已知标准气体的特征吸收谱对所要检测的布拉格波长进行校准或标定。这种标准气体盒具有极高的波长稳定性，其温度稳定性可达0.01pm/℃。由于标准气体盒的价格高，所以一般只用于高精度光谱分析仪器。此外，使用标准气体盒需单独提供一套光电检测系统，这无疑会使FBG传感波长解调系统进一步复杂化，使其制造成本增加。
发明内容
本发明的目的就是为光纤布拉格光栅传感提供一种波长标定方法。该方法具有简单、易于实现以及成本低等显著特点，为从根本上降低FBG传感波长解调系统的造价，从而为普及其应用创造条件。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，依据串接的光纤布拉格光栅的反射的布拉格波长在光谱上互不重叠性，在三端光环行器的第一端连接宽带光源，第二端连接光纤布拉格光栅传感器，第三端连接波长解调仪，实现对该光纤布拉格光栅传感波长解调过程中的波长标定方法，其特征在于包括以下过程采用一个光纤布拉格光栅作为波长参考器件，与光纤布拉格光栅传感器串接，所述光纤布拉格光栅波长参考器件被封装在恒温槽中，所述恒温槽由温度控制电路控制，恒温槽的温度稳定精度为±0.1度，则参考器件的反射的布拉格波长在光谱上显示具有稳定性，故以该波长参考器件的布拉格波长为基准，将其置于光纤布拉格光栅传感器的布拉格波长显示光谱的上端、或下端，便能标定出光纤布拉格光栅传感波长解调过程中的波长。
本发明的理论依据是光纤布拉格光栅反射的布拉格波长λB＝2neffΛ是其所受应变及其感受温度的函数，这是FBG作为传感器的原理和基础。由温度变化引起的布拉格波长的相对改变可表示为ΔλBλB=(α+β)ΔT,]]>其中，α是光纤材料的热膨胀系数，β是光纤材料的相对热光系数。对于石英材料的普通光纤，其热膨胀系数α＝5.5×10-7/℃，相对热光系数β＝8.6×10-5/℃。由此可计算出光纤布拉格光栅的相对温度灵敏度系数约为7×10-6/℃。在λB＝1550nm的情况下，1℃的温度变化将导致约11pm的布拉格波长的变化。当光纤布拉格光栅作为温度传感器时可以采用一定的封装材料和封装方式增大其温度灵敏度。相反，若将光纤布拉格光栅进行恒温控制，则可将其用作波长参考器件。如温度控制稳定度在±0.1度，则波长稳定度优于±1pm。
本发明方法具有简单、易于实现以及成本低特点，为从根本上降低FBG传感器波长解调系统的造价，从而为普及其应用创造条件。
图1为实现本发明的装置框图。图1中，101为宽带光源；102为三端光环行器；103为置于恒温槽中的光纤布拉格光栅；104为光纤布拉格光栅波长参考器件；105为恒温槽温度控制电路；106为波长解调仪；107为传输光纤；108、109为光纤布拉格光栅传感器。
图2为光纤布拉格光栅波长参考器的结构示意图。图2中，201为输入输出光纤；202为环氧树脂；103为光纤布拉格光栅；203为作为温度调节器件的半导体致冷器；204为固定光纤光栅的金属板；205为恒温槽金属外壳；206为热敏电阻。
图3为光谱特性波形曲线。图3中，301为波长参考器件光纤光栅的波长反射峰；302、303为光纤布拉格光栅传感器的波长反射峰。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。如附图1所示，由宽带光源101发出的宽谱光首先经环行器102，传到波长参考器件104，再经传输光纤107传至串接在一起的光纤布拉格光栅传感器108和109。波长参考器件104、光纤布拉格光栅传感器108和109具有不同的布拉格波长，并且在测量过程中相互不重叠。如附图2所示，波长参考器件104由光纤光栅103、半导体致冷器203，金属板204和金属外壳205组成。热敏电阻206靠近光纤光栅103安装，由环氧树脂202将其固定在金属板204表面。热敏电阻206的输出信号接温度控制电路105，由温度控制电路105的输出控制半导体致冷器203的电流，形成闭环反馈控制，使恒温槽104的温度恒定在设置的温度。此时光纤布拉格光栅202的反射波长稳定在固定值，而不随外界环境温度的变化而改变。
波长解调仪106探测到的由波长参考器件104、FBG传感器108和109反射光信号的的光谱如附图3所示。反射峰301对应波长参考器件104，反射峰302和303分别对应光纤布拉格光栅传感器108和109。波长解调仪106在对反射峰302和303测量过程中，是以反射峰301为基准而进行的。因此，实现了波长解调过程中对波长的实时在线标定，降低了对波长解调仪106的波长稳定性的要求，故可使用低成本的波长解调器件实现，从而可从根本上降低波长解调仪的成本。波长参考器件104在使用下的绝对波长值可用已有的波长标定方法进行标定。
实现本发明所涉及的波长标定方法的关键是对作为波长参考器件光纤布拉格光栅202温度的控制，使用而现有温度控制技术完全可以达到±0.1度的温度控制稳定度。
权利要求
1.一种光纤布拉格光栅传感波长解调过程中的波长标定方法，该方法依据串接的光纤布拉格光栅的反射的布拉格波长在光谱上互不重叠性，在三端光环行器的第一端连接宽带光源，第二端连接光纤布拉格光栅传感器，第三端连接波长解调仪，实现光纤布拉格光栅传感波长解调过程中的波长标定，其特征在于包括以下过程采用一个光纤布拉格光栅作为波长参考器件，与光纤布拉格光栅传感器串接，所述光纤布拉格光栅波长参考器件被封装在恒温槽中，所述恒温槽由温度控制电路控制，恒温槽的温度稳定精度为±0.1度，则参考器件的反射布拉格波长在光谱上显示具有稳定性，故以该波长参考器件的布拉格波长为基准，将其置于光纤布拉格光栅传感器的布拉格波长显示光谱的上端、或下端，便能标定出光纤布拉格光栅传感器波长解调过程中的波长。
全文摘要
本发明公开了一种光纤布拉格光栅传感波长解调过程中对波长进行在线和实时标定的方法，属光纤传感测量技术领域。在三端光环行器的第一端连接宽带光源，第二端连接光纤布拉格光栅传感器，第三端连接波长解调仪，实现对该光纤布拉格光栅传感波长解调过程中的波长标定的过程采用一个光纤布拉格光栅作为波长参考器件，与光纤布拉格光栅传感器串接，参考器件被封装在恒温槽中，恒温槽的温度稳定精度为±0.1度，则参考器件的反射的波长在光谱上具有稳定性，以其为基准，并置于光纤布拉格光栅传感器的布拉格波长显示光谱的上端、或下端，从而标定出光纤布拉格光栅传感器波长解调过程中的波长。本发明方法具有简单、易于实现以及成本低特点。
文档编号G01D5/26GK1844855SQ20061001372
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月17日 优先权日2006年5月17日
发明者李恩邦 申请人:国家纳米技术与工程研究院