专利名称：用线型传感器探测物理量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用线型传感器探测物理量的方法，特别是借助光纤和光纤光栅进行 探测的传感器，探测物理量变化的方法，这个物理量可以是温度等等，该方法属于传感 技术领域。
背景技术：
我们知道，光纤是传导光信号的通道，由于其结构特点，光纤对所处的环境十分敏 感，如温度的变化，使光纤收縮，结果导致它发生容易探测到的变化，如光信号的衰减 增加。当光纤受到机械应力、压力变化、电场或磁场变化时，也会发生上述的变化，因 此，许多已知的传感器，用光纤探测物理量的变化。在一部分这种传感器中使用了光纤 光栅，比较典型的是布拉格光栅。以下我们将光纤光栅称为布拉格光栅，但并不是将本 发明的应用仅仅限于布拉格光栅。
布拉格光栅作为一种波长选择反射器，反射光谱的波长(即反射波长带)会受应力 变化的影响而产生移动，通过对反射波长带移动的监测即可知道物理量的变化情况。现 有的布拉格光栅测试方法是利用波分复用技术在一根光纤上制作多个不同光栅常数的 布拉格光栅进行分布式多点测量，但是这种方法需要昂贵的仪器进行解调，包括宽带光 源和可调谐滤波器，使得该方法难以在实际工程应用中得到推广。
发明内容
本发明的目的是制定一种使用具有光纤光栅(如布拉格光栅)的传感器的方法，以避 免上述缺陷。
为此，本发明提出了一种用线型传感器探测一个物理量在所述传感器的多个测量点 处的变化的方法，所述传感器有一条光纤，有众多沿着所述光纤分布并各自位于一个测 量点处的光纤光栅，所述光纤光栅在无应力作用的情况下具有基本相同的选择性作用波 长带，
其特征在于，它包括下述步骤
一从光纤的称为入射端的一端注入一个探测光信号，所述探测光信号的波长不在所述 的选择性作用波长带内，并与选择性作用波长带有预设波长差值，
一当某个测量点处的物理量变化达到一定量值时，该测量点处的光纤光栅的选择性 作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖了所述 探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的 作用，探测光信号的一部分反射或耗散掉，在光纤的称为入射端的另一端，即出射端则探 测到探测光信号强度的变化，从而探测到所述物理量的变化。
本发明的探测受监测物理量变化的方法，是利用了透射光信号的变化，确定所述测量 点的物理量的变化如果在一个光纤光栅附近的受监测的物理量发生了变化，且发生的变 化达到了我们关心的程度，这时光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了预设波长差值， 从而使该选择性作用波长带至少覆盖了探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的 光纤光栅就对探测光信号产生了一定的作用，即探测光信号的一部分反射到入射端或耗散 掉，从出射端探测到探测光信号强度的变化，从而探测到所述物理量的变化。
在实际工程中，我们常常只需要获取一部分物理量变化的数据，就可以达到我们的目标，如火灾温度报警系统中，对在25'C以下时的温度状态我们不是迫切需要了解，我 们只需设定一个监测报警温度，如65'C，然后在作为传感器的光纤上分布设置基本相同 的光纤光栅，测量出该光纤光栅在65'C时的选择性作用波长带并选取一个波长作为探测 光信号的波长，所述光纤光栅在常温(如20'C)时，其选择性作用波长带与选定的探测 光信号的波长有波长差，将该传感器安装在监测的地方，如仓库等，在通常情况下，环 境温度一般不会达到65°C,所以注入传感器光纤中的探测光信号通过光纤和光纤光栅 后，进入出射端的探测器得到光强，并以该光强作为基准。这时只有正常的光路损耗， 只有当某个测量点处的温度接近或达到65'C时，该测量点的光纤光栅选择性作用波长带 就会漂移并与探测光信号的波长带交叉重叠，并对探测光信号产生相当的反射或耗散， 这时，出射端的探测器就探测到光强的变化，从而触发了火灾温度报警条件，达到了监 测的目的。
上述事例，也可以用宽光源和可调谐滤波器组成的系统来实现，该系统会获得从常温 到报警温度间基本连续的温度下所有光纤光栅的数据，然后某测量点的温度在接近或达到 报警温度时报警，可以看出该系统测试获得了大量意义不大的数据，昂贵的仪器对维护要 求也是较高的。所以在类似事例中，用宽光源和可调谐滤波器组成的监测系统，相对于采 用本发明方法的监测系统显然是不经济的。
在实际工程条件下，仅监测物理量的一个量值常常是不够的，所以可以设置波长不同 的多个探测光信号，每个探测光信号的波长均与光纤光栅的选择性作用波长带有一定的波 长差，这样就可以监测物理量的多个量值，同时就可以看出某个测量点物理量变化的趋势， 以便更好的监测。
为了提高监测灵敏度，每个注入的探测光信号由两个相继的脉冲构成两个光脉冲的 波长差不小于所述选择性作用波长带宽的一半，且不大于所述光纤光栅选择性作用波长带 宽，物理量变化的是通过两个不同波长的反射光信号的强度的比值来确定，这两个波长均 在漂移后的反射波长带内，这样实现的探测灵敏度会提高一倍。
只要事先正确地标定传感器，就可以将出射光强度的幅度的变化与光纤光栅的光纤光 栅选择性作用波长带的相应变化(也就是所监测物理量的变化)联系起来。
通过下面对本发明的一个探测装置和一种方法的描述，可以了解本发明的其他特征和 优点，这些方法和装置只是示意性的，绝不是限制性的。
图1为一个布拉格光栅的反射光谱、 一个探测光信号的光谱及两者的关系； 图2为一个长周期光纤光栅的透射光谱、 一个探测光信号的光谱及两者的关系； 图3为一个光纤光栅式传感器的示意图，它包括用于按照本发明进行所希望的探测的 有关必要设备；
在所有的图中，相同的部分具有相同的标号。
图1中的曲线1示意性地表示了一个布拉格光栅的反射光谱，入！和入2分别是该布拉 格光栅反射波长的下限和上限波长，在这两个波长内所有的波长都是布拉格光栅可以反射 的波长，这里称为反射波长带。曲线2示意性地表示了一个探测光信号的光谱，入3和入4
分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，A 2和入3之间的距离就是所述的预设波长差。
图2中的曲线14示意性地表示了一个长周期光纤光栅的透射光谱，X,和、分别是 该长周期光纤光栅的耦合衰减波长的下限和上限波长，长周期光纤光栅对在这两个波fe内 所有的波长都是有衰减的，这里称为耗散波长带。曲线2示意性地表示了一个探测光信号的光谱，^3和^4分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，入2和^3之间的距离就是所述 的预设波长差。
图3示意性地显示了一个用于探测物理量变化的传感器10,它有一条作为探测器的 单模光纤3，在光纤3上设有布拉格光栅4，它们相互之间是相同的，也就是说，具有基 本相同的反射波长带。
光纤3上每个布拉格光栅4构成一个测量点，即一个对受监测的物理量的变化敏感的 点，使得传感器10可以行使它的功能。
如监测温度，在用传感器10作为温度探测器时，只要将光纤光栅安置在受监测物体 附近就可以，为防止外部机械干扰，可将光纤光栅装在一个保护管内。
另外，传感器10具有一个激光光源5，它与光纤3的一端11耦合。为了探测受监测 物理量的变化，光源5向光纤3发射光脉冲7的探测信号。
传感器10中还包括一个探测器8，它与光纤3的另一端12耦合，以便接受通过光纤 的入射脉冲7的响应信号。探测器8与显示器9 (如显示屏)连接，以便显示透过信号的 光强。
我们现在来介绍根据本发明，用传感器10探测一个物理量(如温度)的变化方法。 例如，传感器10平行地紧靠在要测量局部发热的动力电缆旁，电缆的局部发热将影 响它的正常工作。在传感器l O中，光纤3承受到了温度的变化，这样，在对应的位于 温度变化处的布拉格光栅的反射波长带就漂移。通过光源5，我们有规律地发射光脉冲7 的探测光信号，当龟缆的局部发热的温度上升到我们关心的温度时，对应的位于温度变 化处的布拉格光栅的反射波长带就漂移到了能够至少覆盖探测光脉冲7的波长带的一部 分，从而布拉格光栅就对探测光脉冲7产生了反射，这时，探测器探测到透射光强的减 少，而对应没有发生温度变化或温度变化没有达到我们关心的程度处的布拉格光栅不对 光脉冲7的探测光信号反射。
这样，通过简单的观察显示器9上光强变化，就可以探测到温度的变化。 在实际工程条件下，我们常常需要监测物理量的多个量值，所以可以设置波长不同的 多个探测光信号，.类似光脉冲7的探测光信号，就是波长不同，重复上述过程，就可以监 测物理量的多个量值，同时就可以看出物理量变化的趋势，以便更好的监测。
为了提高监测灵敏度，每个注入的探测光信号由两个相继的脉冲构成两个光脉冲 入5和入6的波长差不小于所述反射波长带宽的一半，且不大于所述反射波长带宽，当物理 量(如温度)变化到一定值时，入5和A6就位于受物理量变化(如温度)影响而漂移后的 布拉格光栅反射波长带内，这时可以得到两个探测光信号的强度，我们计算两个脉冲信号 的透射信号强度的比值的不同，则探测到了受监测物理量的变化，如果事先进行适当的标 定，还可以测量这个变化的大小。
如果希望测量探测到的关心的温度附近变化的情况，只需事先对传感器IO进行标定， 将关注温度附近的每个变化同对应透射脉冲的最大幅值联系起来。
在传感器10中，用长周期光纤光栅替换布拉格光栅并不影响传感器10的功能，在实
际监测中可以获得相同的效果。
可见，根据本发明的探测的方法比现有技术的方法简单。
当然，本发明并不限于前面所介绍的实施例和方法，我们可以将整个装置用另一种等 价装置代替，而不超出本发明的范围。 z
权利要求
1.用线型传感器探测一个物理量在所述传感器的多个测量点处的变化的方法，所述传感器有一条光纤，有众多沿着所述光纤分布并各自位于一个测量点处的光纤光栅，所述光纤光栅在无应力作用的情况下具有基本相同的选择性作用波长带，其特征在于，它包括下述步骤一从光纤的称为入射端的一端注入一个探测光信号，所述探测光信号的波长不在所述的选择性作用波长带内，并与选择性作用波长带有预设波长差值，一当某个测量点处的物理量变化达到一定量值时，该测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖了所述探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射或耗散掉，在光纤的称为入射端的另一端，即出射端则探测到探测光信号强度的变化，从而探测到所述物理量的变化。
2. 根据权利要求1所述的用线型传感器探测物理量的方法，其特征在于从光纤的称为入 射端的一端注入多个探测光信号，其波长均不在所述选择性作用波长带内，并与选择性作用 波长带有不同的预设波长差，从而可以探测出测量点处物理量变化的多个量值。
3. 根据权利要求1或2中任意一项所述的方法，其特征在于每个探测光信号由两个相继 的光脉冲组成，两个光脉冲的波长差不小于所述选择性作用波长带宽的一半，且不大于所述 选择性作用波长带宽，物理量变化的是通过两个不同波长的透射光信号的强度的比值来确 定。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于为了测量所述物理量的变化， 事先要进行标定，以便将所述透射光信号的强度的所有幅值与所述物理量的一个相应的幅值 联系起来。
全文摘要
本发明涉及一种用线型传感器探测物理量在传感器多个测量点处变化的方法。传感器有一条光纤，有众多沿着光纤分布并各自位于一个测量点处的光纤光栅，光纤光栅在无应力作用下具有基本相同的选择性作用波长带，它包括下述步骤从光纤的入射端注入一个探测光信号，其波长不在选择性作用波长带内；当某个测量点处的物理量变化达到一定量值时，该测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带漂移到使该选择性作用波长带与探测光信号的波长带交叉重叠，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射或耗散，在出射端探测到光强变化，从而探测到所述物理量的变化。
文档编号G01D5/353GK101598576SQ20081010006
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者兵 杜 申请人:西安金和光学科技有限公司