专利名称：温度调谐光纤光栅传感解调器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤光栅传感器的解调器，特别是一种温度调谐光纤光栅传感解调器，主要用于光纤传感、光学测量、光器件波长调谐的技术领域。
背景技术：
光纤光栅是一种制作在光纤上的具有窄带反射特性的光学滤波器。由于石英光纤的弹性形变、热膨胀特性，以及其热光、弹光效应，它具有对温度和应力的敏感特性。在一定的范围内这一敏感特性是线性的，符合以下的关系Δλε/λ＝ε(1-γ)(1)ΔλT/λ＝(α+e)ΔT(2)式ε为光纤的应变，γ为光纤材料的弹光系数，α为光纤材料的热胀系数，ΔT为温度变化量，e=1ndndT]]>为热光系数。通过利测量波长的变化根据上述的关系就能确定需感知的温度和应力。因此，用光纤光栅作为传感器，精确、快速测量并读出Bragg波长成为实际应用的关键技术，相配的Bragg波长读出装置，即谓称为Bragg波长调谐解调器成为传感应用的关键器件。
在先技术中，对于光纤光栅波长编码的解调过程，传统手段是使用光谱仪、单色仪或者波长计等仪器。除此之外人们已经提出了一些新型的波长信息解调的方案，如马赫-曾德干涉仪法、可调法布里-珀罗滤波器法、匹配光纤光栅滤波器法等。归纳起来，光纤光栅反射光波长的解调技术可以分为以下几种类型1、被检测传感头反射回来的具有一定的光信号直接输入到光谱仪、单色仪或波长计中，直接测量出光纤光栅反射信号的波长位置。如在先技术[1]刘志国等，高灵敏度光纤光栅传感特性测试仪研究，光子学报，1999，28(2)138-141。这种解调方式简单、测量精度高，但是这些仪器昂贵而且不易携带。只适合于实验室使用，不便应用于实际传感系统中。
2、利用可调谐激光器作为测试光源，输出的激光波长在一定的范围内连续扫描，根据光信号在扫描周期中的位置，可以得出被测光纤光栅反射光波长的变化，或者得出测量光纤光栅与参考光纤光栅的反射光波长。如在先技术[2]Soek Hyun Yun，et al.，Interrogation for fiber grating sensor arrays withwavelength-swept fiber laser，Optics Letters，1998，23(11)843-845；和在先技术[3]关柏欧等，一种高分辨率的光纤光栅传感解调技术，光学学报，2000，20(11)1509-1513。这种方法的优点是反射光能量高，而且只要一般的光功率计来作为接受元件，信号易于检测，分辨率高，多路复用的实现简单。但是这种方法的不足是光源的设计制作难度大，成本高。
3、利用宽带光源作为测试光源，利用滤波器或可调谐滤波器作为对于传感光纤光栅反射光信号的解调元件，用光功率计来检测光信号。这种方法又可以分成反射型和透射型两类。前者的原理如下从传感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若与接收端FBG的反射光波长一致，则被反射到探测器上。通过PZT驱动接收FBG进行微调，得到传感FBG的峰值波长。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，对探测端FBG光谱的稳定性要求高。在先技术[4]M.A.Davis，et al.，Matched-filter interrogation technique for fiber Bragggrating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)822-823提出了透射型的测量方案。该方案与反射型的区别在于光电探测器不是放在接收端FBG反射光的位置，而是置于透射光的位置，通过监测透射光的有无来确定是否匹配，从而提高了探测灵敏度。这一方法要求接收端FBG与传感FBG波长接近，传感和解调的波长范围比较小。
4、边缘滤波法，即采用一种具有线宽较大，透过率呈线性变化的滤波器，与传感FBG的反射光波长相卷积，得到的信号同FBG峰值波长的位置成比例，因而可以从信号大小推知FBG波长位置，如在先技术[5]A.D.Kersey，A review ofrecent developments in fiber optic sensor technology，Optical Fiber Technology，1996，2，291-317。这一方法要求解调滤波器线性好，要求系统各个元部件参数稳定。因此使用条件比较苛刻。
由于上述方法存在的缺陷，光纤光栅传感系统中的解调技术成为这一传感技术推广应用的主要障碍之一。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种利用光纤光栅本身的温度调谐特性而制成的温度调谐光纤光栅传感解调器。
本实用新型的基本原理是利用光纤光栅的温度调谐特性，对光纤光栅传感头的光谱特性进行扫描，实现解调。
本实用新型的技术解决方案如下一种温度调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于它是将光纤光栅固定在一微型电阻加热器上，该微型电阻加热器的两端由一对引线与一调制电源相连构成。
所述的微型电阻加热器可以是片状电阻材料微型电阻，也可以是直接制作在光纤表面上的环状金属膜电阻。
所述的温度调谐光纤光栅传感解调器的使用方法，其特征在于它是将多个峰值波长(λ1、λ2、λ3……λn)不同的温度调谐光纤光栅串联后，通过光纤耦合器与待测光信号(λx)光纤相连，该光纤耦合器再连接一光电接收器。
所述的温度调谐光纤光栅传感解调器的使用方法，其特征是待测光信号(λx)光纤通过一多路星形耦合器分路通过光纤耦合器与多个峰值波长(λ1、λ2、λ3……λn)不同的温度调谐光纤光栅相连，每个光纤耦合器连接一光电接收器。
所述的温度调谐光纤光栅传感解调器的使用方法，其特征是它可用于光纤光栅分布式应力或/和温度传感系统。
本实用新型的优点和特点是(1)本实用新型采用可调谐光纤光栅作为传感光波长信号的读出器件。同采用光谱仪、单色仪、波长计的方法相比较，成本低廉得多，便于推广应用。
(2)本实用新型的信号解调装置，全部采用光纤和光纤元器件，是一种全光纤的系统。各器件和元件之间，可以全部用光纤熔接机熔接，构成一个整体。因此，使用稳定可靠，容易实现仪器化。
(3)本实用新型利用光纤光栅的温度敏感特性进行扫描，可以同时测量应变传感头和温度传感头的光纤光栅峰值波长。只要在二种传感光纤光栅的光谱互不重叠，并且串接另一参考光纤光栅，就可以将应变和温度分别测量出来。
(4)本实用新型解调方法是一种光谱扫描方法，能够读出光纤光栅的峰值位置，与一些采用固定滤波器方法和采用干涉原理的方法相比，具有测量范围大的优点。
(5)本实用新型是一种对波长直接测量的方法，而不是从光强间接推算，数据可信度高。
光纤光栅传感器的优点之一，是可以用作为分布式测量系统，可以远距离传感多点的应变和温度信息，具有广泛的应用。本实用新型光纤光栅调谐解调器作为传感测量系统必不可少的关键器件，其使用价值得到充分的体现，具有良好的性价比，预期有很好的市场前景。
图1温度调谐型光纤光栅传感解调器，多波段串联布局；图2温度调谐型光纤光栅传感解调器，多波段并联布局；图3解调器应用于分布式光纤光栅传感系统；具体实施方式
先请参阅图1所示。本实用新型温度调谐光纤光栅解调器的结构是可解调的光纤光栅1被固定在微型电阻加热器2上，该微型电阻加热器2的两端由一对引线3与一调制电源4相连。当调制电源4通过电阻加热器2的一对引线3施加电流时，电阻上流过电流产生的焦耳热加温光纤光栅1，导致光栅波长的变化，实现温度调谐。调谐范围取决于温度变化范围；如果温度按一定周期循环，光栅波长将以同样的周期扫描，如下式所示λ(T)=λ(T0)+∂λ∂T(T-T0)]]>这一解调器可以多个级联使用，以扩大测量范围。图1为串联布局，由四个峰值波长按一定间隔选择的光纤光栅1串联构成。当波长为λx的待测光信号通过光纤耦合器5输入时，解调器中的某一光纤光栅1的峰值波长被扫描到同λx一致时，就会反射到耦合器5，而被光电接收器6探测到。图2为并联布局，输入的光信号经过多路星形耦合器7分路到各个不同峰值波长的光纤光栅1上，同样可以实现多波段同时解调的性能。
本实用新型解调器中的微型电阻加热器2可以是片状电热材料微型电阻，也可以是直接制作在光纤表面上的环状金属膜电阻。前者制作容易，使用方便。后者效率高、调谐速度快。
下面再举一个应用实例，对本实用新型作进一步说明。
本实用新型的解调器可应用于光纤光栅分布式应力或(和)温度传感系统，其典型的光路布局如图3所示。其中10是峰值波长为λε的光纤光栅，它固定在应变(或应力)待测的结构件上，是应变(或应力)的传感头。11是峰值波长为λT的光纤光栅，它固定在温度待测的物体上，是温度传感头。5是一个光纤耦合器，通常分束比为1比1。8为一个宽带光源，其发光光谱范围与所采用的光纤光栅处于同一波段。9是一个隔离器，其作用是防止从传感光纤光栅反射回来的光影响宽带光源8。12是由波长为λ1到λn的n个可调谐光纤光栅1组成的波长解调器。6是光探测器，接收从光源8发出、经应变或(和)温度传感头10、11反射、又经波长解调器12透射的光信号。上述所有元件的光纤接口采用直接熔接方法连接。其中13为长的光缆，以便构成分布式的传感系统。
光纤光栅传感头10和11反射光谱的峰值波长λε和λT随着待测物体的应变和温度而变化，如式(1)和(2)所示。在光探测器6上接收到的光信号的强度是光源、传感头和光谱解调器三个光谱函数的卷积，如下式所示I＝∫f1(λ)f2(λε)f3(λn[c])dλ＝I(λε-λn)(3)I＝∫f1(λ)f2(λT)f3(λn[c])dλ＝I(λT-λn) (4)式中f3(λn[c])是本实用新型解调器的温度调谐光纤光栅滤波器的光谱，其中c代表调谐的控制参数，比如电压、电流，或者电压、电流的相位。根据式(3)和(4)，从测量的光强I和事先测量标定的光谱f3(λn[c])随参数c变化的数据，经过运算，即可求出λε和λT，实现光纤光栅光谱的解调。
权利要求1.一种温度调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于它是将光纤光栅(1)固定在一微型电阻加热器(2)上，该微型电阻加热器(2)的两端由一对引线(3)与一调制电源(4)相连构成。
2.根据权利要求1所述的温度调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于所述的微型电阻加热器(2)可以是片状电阻材料微型电阻，也可以是直接制作在光纤表面上的环状金属膜电阻。
3.根据权利要求1所述的温度调谐光纤光栅传感解调器的使用方法，其特征在于它是将多个峰值波长(λ1、λ2、λ3……λn)不同的温度调谐光纤光栅(1)串联后，通过光纤耦合器(5)与待测光信号(λx)光纤相连，该光纤耦合器(5)再连接一光电接收器(6)。
4.根据权利要求1所述的温度调谐光纤光栅传感解调器的使用方法，其特征是待测光信号(λx)光纤通过一多路星形耦合器(7)分路通过光纤耦合器(5)与多个峰值波长(λ1、λ2、λ3……λn)不同的温度调谐光纤光栅(1)相连，每个光纤耦合器(5)连接一光电接收器(6)。
5.根据权利要求1所述的温度调谐光纤光栅传感解调器的使用方法，其特征是它可用于光纤光栅分布式应力或/和温度传感系统。
专利摘要一种温度调谐光纤光栅传感解调器，其特点它是将光纤光栅(1)固定在一微型电阻加热器(2)上，该微型电阻加热器(2)的两端由一对引线(3)与一调制电源(4)相连构成。它具有结构相对简单、成本低、使用稳定可靠和测量范围大的优点，可同时应用于光纤光栅分布式应力或/和温度传感系统。
文档编号G01B21/32GK2611935SQ0322985
公开日2004年4月14日 申请日期2003年3月28日 优先权日2003年3月28日
发明者方祖捷, 陈高庭, 瞿荣辉, 耿健新, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所