一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法与流程

本发明属于曲率传感器解调技术领域，具体涉及一种多芯光纤bragg光栅曲率传感器的解调方法。

背景技术：

曲率是描述物体形状的一个重要参数，通过对曲率的测量可以了解物体形状的变化趋势。曲率传感器在结构体健康监测、表面形状测量等方面具有广泛的应用前景。

基于光纤光栅的曲率传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强和准分布式测量等优点，特别适合大型结构体、恶劣环境下的曲率测量(m.j.gander,“bendmeasurementusingbragggratingsinmulti-corefiber,”electronicsletters36(2),120～121,2000.)。近年来，为进一步改善光纤光栅型曲率传感器的性能，基于多芯光纤光栅的曲率传感器引起了科研人员的广泛关注。如图1所示，现有多芯光纤光栅曲率传感器的结构包括宽带光源、光耦合器1、第一环形器2、第二环行器5、多芯光纤4及光谱仪，多芯光纤4的两个中心对称的纤芯中对应刻有第一光纤bragg光栅和第二光纤bragg光栅；宽带光源与光耦合器1输入端相连；第一环形器2的a端与光耦合器1的第一输出端相连，b端通过多芯光纤4连接器与刻有第一bragg光栅的纤芯相连，c端与光谱仪相连；第二环形器的a端与光耦合器1的第二输出端相连，b端通过多芯光纤4连接器与刻有第二bragg光栅的纤芯相连，c端与光谱仪相连。该多芯光纤光栅曲率传感器在工作时，宽带光源首先由3db光耦合器1分为两路信号，两路信号光分别经第一环形器2和第二环形器的a端进入第一环形器2和第二环形器，然后分别经第一环形器2和第二环形器的b端进入多芯光纤4连接器，分别被多芯光纤4中的两个bragg光栅反射，反射信号再次通过多芯光纤4连接器后由第一环形器2和第二环形器的c端分别输出，通过光谱分析仪测量光纤光栅的反射波长变化量，进而得到光纤光栅处的曲率值，即传感器的性能很大程度上是由光谱分析仪的性能(即频谱分辨率)所决定的，而光谱分析仪昂贵的价格直接导致解调成本增高，并且采用光谱分析仪的解调方式复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种解调方式简单、解调成本低的解调方法。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种多芯光纤bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源将光纤bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，通过测量光纤bragg光栅的反射功率值实现对其中心波长的解调，具体包括以下步骤：

s1、所述余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤bragg光栅和第二光纤bragg光栅的多芯光纤中，利用测得的第一光纤bragg光栅和第二光纤bragg光栅的反射功率，由于光纤bragg光栅的反射功率值随其中心波长的不同呈现余弦变化，可以分别得到弯曲时第一光纤bragg光栅和第二光纤bragg光栅的中心波长。

s2、将弯曲时的第一光纤bragg光栅中心波长和无弯曲时的第一光纤bragg光栅中心波长相减得到第一光纤bragg光栅的中心波长漂移量；将弯曲时的第二光纤bragg光栅中心波长和无弯曲时的第二光纤bragg光栅中心波长相减得到第二光纤bragg光栅的中心波长漂移量；

s3、根据所述第一光纤bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第一纤芯轴向应力，根据所述第二光纤bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第二纤芯轴向应力；

s4、根据所述第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两纤芯间距计算得到曲率值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用余弦型宽带光源，将光纤bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，利用推导出的光纤bragg光栅反射功率与中心波长的关系表达式，通过测量光纤bragg光栅的反射功率计算出对应的中心波长，通过中心波长漂移量计算获得曲率值，实现对曲率传感器的解调，无需使用昂贵的光谱分析仪，使得解调方式大大简化，有效降低解调成本；

(2)本解调方式扩展性强，通过对多对光纤bragg光栅解调，可以实现基于多芯光纤bragg光栅的二维曲率传感和形状传感。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明传感器的结构示意图；

图2为本发明解调方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

一种多芯光纤bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源替换图1中的宽带光源，采用光功率计、光电探测器等能检测到反射功率的仪器替换光谱仪，实现对光纤bragg光栅中心波长的解调，如图2所示，包括以下步骤：

s1、余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤bragg光栅和第二光纤bragg光栅的多芯光纤中，根据余弦型宽带光源输出光谱s(λ)、第一光纤bragg光栅的反射谱f1(λ)及光功率计测得的第一反射功率值p1计算得出弯曲时的第一光纤bragg光栅中心波长λ1，根据余弦型宽带光源输出光谱s(λ)、第二光纤bragg光栅的反射谱f2(λ)及光功率计测得的第二反射功率值p2计算得出弯曲时的第二光纤bragg光栅中心波长λ2；

计算第一光纤bragg光栅中心波长λ1和第二光纤bragg光栅中心波长λ2的公式为：

其中，p为光功率计测得的反射功率值，s0为已知的频谱峰值功率，λi为已知的宽带光源的中心波长，δλi为已知的宽带光源的频谱周期；r为已知的峰值反射率，δλ为已知的光纤bragg光栅的反射谱的半极大全宽度，λ0为光纤bragg光栅的反射谱中心波长，即为待计算值。

化简上述公式得到根据上述已知值，可以计算出弯曲时光纤bragg光栅的反射谱中心波长。

s2、将弯曲时的第一光纤bragg光栅中心波长λ1和无弯曲时的第一光纤bragg光栅中心波长λb相减得到第一光纤bragg光栅的中心波长漂移量δλb1；将弯曲时的第二光纤bragg光栅中心波长λ2和无弯曲时的第二光纤bragg光栅中心波长λb相减得到第二光纤bragg光栅的中心波长漂移量δλb2；

s3、根据第一光纤bragg光栅的中心波长漂移量δλb1计算得到第一纤芯轴向应力εfbg1，根据第二光纤bragg光栅的中心波长漂移量δλb2计算得到第二纤芯轴向应力εfbg2；

第一纤芯轴向应力εfbg1和第二纤芯轴向应力εfbg2的计算公式为：

其中，ε为弯曲所引入的纤芯轴向应力，δλb为光纤bragg光栅中心波长漂移量，λb为无弯曲时光纤bragg光栅的中心波长，pε为弹光系数。

s4、根据第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两个刻有bragg光栅的纤芯的距离计算得到曲率值；

曲率值c的计算公式为：

其中，d为两个刻有bragg光栅的纤芯距离。

该余弦型宽带光源的消光比大于10db，大消光比可以提高传感器的灵敏度。

以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。