高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型一种高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器属于光纤传感技术领域，其结构有广谱光源(1)、光隔离器(2)、第二操作平台(6)、布拉格光纤光栅FBG2、圆柱体(7)和光谱仪(8)，其特征在于，结构还有光耦合器(3)、第一操作平台(4)、布拉格光纤光栅FBG1和折射率匹配液(5)。本实用新型在布拉格波长变化很小的情况下，可实现峰值功率的大幅度变化，进而实现对圆柱体位移的高精度测量，精度比传统的基于测量FBG布拉格波长变化的位移传感器提高了五倍。
【专利说明】
高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种高精度的可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器。
【背景技术】
[0002]位移的测量在一些领域和学科中具有重要意义和广泛的应用价值，如微型制造、微电子机械系统等。布拉格光纤光栅(FBG)具有体积小重量轻、反射峰线宽窄、布拉格波长对外界因素变化感知灵敏、响应速度快、耐化学腐蚀、抗电磁干扰、传输损耗小、便于大规模生产等优点，因此纤布拉格光纤光栅被广泛应用于位移传感技术领域。
[0003]当前的技术中，大多数FBG的位移传感器的测量原理，几乎都是基于位移引起的布拉格波长变化。在这种原理中，当待测的位移非常微小时，引起的布拉格波长变化难以被观测出来，这时FBG位移传感器就无法对这种微小位移进行测量了。因此限制了FBG位移传感器在微小位移领域的测量应用。所以，研发一种能够测量微小位移的FBG位移传感器具有重要的应用价值。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型要解决的技术问题是，克服【背景技术】存在的不足，提供一种高精度的可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器。
[0005]上述的技术问题通过以下的技术方案实现:
[0006]—种高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器，其结构有广谱光源1、光隔离器2、第二操作平台6、布拉格光纤光栅FBG2、圆柱体7和光谱仪8，其特征在于，结构还有光耦合器3、第一操作平台4、布拉格光纤光栅FBGl和折射率匹配液5;所述的广谱光源I的输出端通过光纤与光隔离器2的输入端相连，光隔离器2的输出端通过光纤与光耦合器3的I端口相连接，光耦合器3的2端口通过布拉格光纤光栅FBG2与光谱仪8相连，光耦合器3的3端口与布拉格光纤光栅FBGl相连，光親合器3的4端口的输出光纤置于折射率匹配液5中；在整个结构中，布拉格光纤光栅FBGl和布拉格光纤光栅FBG2分别被固定在第一操作平台4和第二操作平台6上，圆柱体7置于光纤布拉格光栅FBG2的正上方且能够垂直上下移动，初始状态时圆柱体7与布拉格光纤光栅FBG2刚好接触但不受力;所述的光纤均为单模光纤;所述的第一操作平台4是既能固定、又能够沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBGl的装置，所述的和第二操作平台6是既能固定、又能够沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBG2的装置;所述的布拉格光纤光栅FBGl、布拉格光纤FBG2的反射谱和布拉格波长均相同。
[0007]所述的光耦合器3的功率分配比可以是任意的，优选50:50。
[0008]所述的圆柱体7的半径优选0.6cm。
[0009]在光谱仪接收到的布拉格光纤光栅FBG2的透射谱中，在原布拉格波长两侧出现了两个峰，称为左峰和右峰，如附图2。当圆柱体竖直向下压迫布拉格光栅FBG2时，布拉格光纤光栅FBG2就受到了来自圆柱体压力的作用，布拉格光纤光栅FBG2的透射光谱中的两个峰的功率也随之发生变化，左峰功率增加，右峰功率减小，以左峰功率和右峰功率的差值作为传感器输出值，来表征圆柱体向下竖直移动的距离。随着圆柱体持续向下移动，光谱仪8观测的FBG2透射谱双峰中，左峰功率逐渐达到最大，右峰功率逐渐达到最小，当双峰中右峰恰好不能被分辨时，通过第一操作平台4轴向拉动光纤布拉格光栅FBGl，使光谱仪8观测的FBG2透射谱双峰中的图形重新达到附图2时停止。依次循环重复上述过程，这样就可以实现对圆柱体位移的连续测量。
[0010]本实用新型有以下有益效果:
[0011]1、在布拉格波长变化很小的情况下，可实现峰值功率的大幅度变化，进而实现对圆柱体位移的高精度测量。
[0012]2、相较于传统的基于测量FBG布拉格波长变化的位移传感器，本实用新型在精确度上提高了五倍。
【附图说明】
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[0013]图1、本实用新型中高精度的可连续测量的位移传感机制的结构示意图
[0014]图2、本实用新型中高精度的可连续测量的位移传感器的输出光谱示意图。
[0015]图3、在对圆柱体位移的四段连续测量过程中，左峰和右峰的功率差与圆柱体位移之间的变化关系图。
[0016]图4、布拉格光纤光栅FBG2的布拉格波长与圆柱体位移之间的关系图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本实用新型作进一步的说明
[0018]实施例1
[0019]装置如附图1所不，布拉格光纤光栅FBGl和FBG2的布拉格波长λΒ4ΡλΒ2均为1520nm，光耦合器3输出端功率分配比为50:50，光谱仪8波长分辨率为0.1nm，折射率匹配液5可以是任何折射率与本实施例所用光纤相同的无色透明液体，在本实施例中，折射率匹配液5选用甘油水溶液，其中甘油的体积分数为82.14%。布拉格光纤光栅FBG2的透射谱示意图如附图2所示，在原布拉格波长λΒ2的两侧产生了两个峰，右峰和左峰。当圆柱体向下移动时，压迫布拉格光纤光栅FBG2使其受力，这会导致布拉格光纤光栅FBG2的透射谱中左峰功率增加，右峰功率减小，光谱仪8观测的FBG2透射谱双峰中，左峰功率逐渐达到最大，右峰功率逐渐达到最小，当双峰中右峰恰好不能被分辨时，通过第一操作平台4轴向拉动光纤布拉格光栅FBGl，使光谱仪8观测的FBG2透射谱双峰中的图形重新回到附图2时停止。通过这种方法循环上述过程对圆柱体位移进行测量。在连续的四段测量过程中，左峰和右峰的功率差与圆柱体位移之间的关系如附图3所示。在图3中，FBG2透射谱双峰中左峰和右峰的功率差作为输出值，来表征圆柱体的位移量;每段斜线表不一个分段过程，即布拉格光纤光栅FBG2的透射谱中左峰功率增加，右峰功率减小，直至右峰不能被分辨出来的整个过程;相邻两个斜线段表示的过程是:第二操作平台6使布拉格光纤光栅FBG2保持不动，第一操作平台4沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBGl，直至光谱仪8观测的FBG2透射谱双峰中的图形重新达到附图2时停止。
[0020]实施例2
[0021]本实施例是对比实施例，是现有技术布拉格光纤光栅位移传感装置的工作过程。参照附图1，将连接光耦合器3的I端口的光纤与连接光耦合器3的2端口的光纤，通过光纤熔接机进行熔接，撤掉光耦合器3、布拉格光纤光栅FBGl、第一操作平台4和折射率匹配液5，便得到一个传统布拉格光纤光栅位移传感装置。即传统的布拉格光纤光栅位移传感装置结构为:广谱光源1、光隔离器2、布拉格光纤光栅FBG2、光谱仪8顺次连接，其中布拉格光纤光栅FBG2被第二操作平台6固定、圆柱体7置于光纤布拉格光栅FBG2的正上方且能够垂直上下移动。在本实施例中，光谱仪8中可以直接接收到布拉格光纤光栅FBG2的透射谱，测量其布拉格波长λΒ2随圆柱体7位移的变化而变化。布拉格光纤光栅FBG2的布拉格波长与圆柱体位移之间的变化关系如附图4所示。
[0022]通过实施例1测量的结果，如图3所示，可以发现左峰和右峰的功率差与圆柱体位移呈现良好的线性关系。在实施例1中，圆柱体位移的实际精确测量点有19个，传感器的量程为 190μπι，测量精度达到(7.46±0.17)Χ10—2dBm/ym。
[0023]通过实施例2的实验结果，如图4所示，在和实施例1同样的位移测量范围内，布拉格光纤光栅FBG2的布拉格波长变化只有0.1nm左右。而现有的光纤光谱仪的最小波长分辨率都在0.02nm左右(美国Ocean Optics公司生产的光纤光谱仪HR4000和日本Y0K0GAWA公司生产的光纤光谱仪AQ6370C)，所以能够精确测量的位移点只有5个左右。因此，传统的基于布拉格波长变化的FBG位移传感器无法测量微小的位移变化。
[0024]结合实施例1和实施例2，可知在同样的位移测量范围内，实施例2够精确测量得位移点有5个左右，而在实施例1中能够精确测量的点为19个，所以在保留了传统布拉格光栅位移传感器测量范围的同时，本实用新型的位移传感器比传统的以布拉格波长移动变化为参量的位移传感器，在位移的测量上精确度提高了五倍。
【主权项】
1.一种高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器，其结构有广谱光源(I)、光隔离器(2)、第二操作平台(6)、布拉格光纤光栅FBG2、圆柱体(7)和光谱仪(8)，其特征在于，结构还有光親合器(3)、第一操作平台(4)、布拉格光纤光栅FBGl和折射率匹配液(5);所述的广谱光源(I)的输出端通过光纤与光隔离器(2)的输入端相连，光隔离器(2)的输出端通过光纤与光親合器(3)的I端口相连接，光親合器(3)的2端口通过布拉格光纤光栅FBG2与光谱仪(8)相连，光親合器(3)的3端口与布拉格光纤光栅FBGl相连，光親合器(3)的4端口的输出光纤置于折射率匹配液(5)中；在整个结构中，布拉格光纤光栅FBGl和布拉格光纤光栅FBG2分别被固定在第一操作平台(4)和第二操作平台(6)上，圆柱体(7)置于光纤布拉格光栅FBG2的正上方且能够垂直上下移动，初始状态时圆柱体(7)与布拉格光纤光栅FBG2刚好接触但不受力;所述的光纤均为单模光纤;所述的第一操作平台(4)是既能固定、又能够沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBGl的装置，所述的第二操作平台(6)是既能固定、又能够沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBG2的装置;所述的布拉格光纤光栅FBG1、布拉格光纤FBG2的反射谱和布拉格波长均相同。2.根据权利要求1所述的一种高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器，其特征在于，所述的光耦合器(3)的功率分配比是50:50。3.根据权利要求1或2所述的一种高精度可连续测量的布拉格光纤光栅位移传感器，其特征在于，所述的圆柱体(7)的半径为0.6cm。
【文档编号】G01B11/02GK205426077SQ201620255357
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】解瑞军, 徐晓峰, 汤国玉, 杨美超, 王蕾, 乔海术
【申请人】吉林大学