专利名称：高精度多通道光纤光栅传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅传感系统，是一种可实现对温度的高精度、多通道测量的光纤光栅传感系统。
背景技术：
当宽带光源入射到布喇格光纤光栅中时，其反射光是以布喇格波长λB为中心的窄带光，其它光透射出去。当FBG(布喇格光栅)所处环境的温度或应变等物理量发生变化时会导致λB变化，测出布喇格波长的变化量ΔλB即可以得出待测物理量的变化情况，因此，FBG被广泛用于测量温度、应变、应力和位移等物理量。ΔλB在一定范围内与温度的变化量成线性关系，当环境温度变化量为ΔT时，对应的波长漂移量ΔλBT可以表示为ΔλBT＝λB(α+ξ)ΔT其中α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。对于普通石英光纤，在λB1550nm时，波长随温度变化的灵敏度系数约为11.1pm/℃，即温度每变化1℃，布喇格波长漂移11.1pm。上述特性决定了普通光纤光栅在温度变化时波长漂移很小，这使得许多光纤光栅温度传感器的灵敏性和分辨率较低。
本发明中利用金属(铝)槽对光栅进行增温敏封装。实验研究证明，光纤布喇格光栅经铝槽封装后，中心波长的漂移量与温度仍有较好的线性关系，而且回程差较小，重复性较好，其温度灵敏度性达到了39.6pm/℃，与普通裸光栅相比，提高了3.6倍。金属封装提高了光纤布喇格光栅的温度灵敏系数，这有利于实现高精度测量。
与传统机电类传感器相比，光纤光栅传感技术具有可实现无损测量、测量精度高、测量空间分辨率高、实时性好等优势；另外，在光纤光栅传感中，一些被测对象的关键点往往不是一点，而是几个点，为了获得这一类被测对象的比较完整的信息，需要采用多通道复用式的光纤传感测量系统。因此，研究多通道复用光纤光栅传感系统具有重要意义。本发明以多通道复用光纤光栅温度传感系统为例进行研究。对多通道复用的光纤光栅温度传感系统的研究的重点是，通过改善每个通道的测量精度而改善整体的复用系统的测量性能。
在光纤光栅传感技术中，由于被测信号是波长编码的，如何简单、快速、精确的将微小的波长移动量精确的解调出来，是光纤光栅传感系统中至关重要的问题。为了解决此问题，研究人员相继开发了一些波长解调技术，主要有干涉解调技术、可调谐光源解调技术、线性边缘滤波解调技术、可调谐滤波解调技术、匹配滤波解调技术。上述解调方法对多通道光纤光栅传感测量系统的而言，都存在某些方面的缺陷，均不适合多通道光纤光栅传感测量系统的解调。因此针对多通道测量的需要，本发明提出了一种新的光纤光栅多通道信号同时解调的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度多通道光纤光栅传感系统，该系统采用两种光纤光栅在传感系统中的布局结构，实现一个长周期光纤光栅解调多路传感信号，简化结构并降低了成本。
本发明的高精度多通道光纤光栅传感系统，包括宽带光源、长周期光纤光栅、1×n的分路器、2×2的耦合器、光纤布喇格传感光栅、光电二极管、折射率匹配液、数据采集卡和计算机。宽带光源的输出光经单模光纤进入长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的透射光进入1×n的分路器，经分路器均分后分别进入n个通道。在每一个通道中，从分路器传输到2×2的耦合器的光信号，一部分进入光纤布喇格传感光栅中，另一部分进入参考光路中的光电二极管中，传感光栅的反射光进入信号光路中的光电二极管中，传感光栅的透射光分别进入折射率匹配液中，所有光电二极管的输出信号被输入数据采集卡和计算机，由计算机进行数据的实时分析、处理、显示。
所述的长周期光纤光栅是一个经过温度补偿封装的长周期光纤光栅，其透射谱的形状及透射谱谐振损耗峰的峰值波长均不受温度影响。
所述的1×n的分路器，可将光源的光进行n份的均分，并可根据测量目标确定n的具体值。
所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，在每个通道中均有一个光纤布喇格传感光栅、两个光电二极管。
所述的光纤布喇格传感光栅经过温度增敏封装，其温度灵敏系数增大。
所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，参考光路中的光电二极管接收参考信号，信号光路中的光电二极管接收由传感光栅反射的传感信号。
当通道数为n(n为整数，且n＞2)时，该系统的具体构成是一个宽带光源的输出光直接进入含有一个长周期光纤光栅的光纤，长周期光纤光栅的透射光经光纤和1×n的分路器，而后光被均分为n份并分别进入n个通道中。在每个通道中，可由2×2的耦合器均分的接收光源的光能量，耦合器的输出光一部分进入传感元件FBG，另一部分光进入对应的光电二极管(PD)作为信号参考用。每个通道中的传感元件FBG的反射光和透射光分别进入到对应的光电二极管(PD)和折射率匹配液中。所有通道中的传感信号和参考信号均经放大、模/数(A/D)转换后输入计算机(Computer)，进行实时的分析、处理、显示。其中的长周期光纤光栅经过温度补偿封装，其透射谱及其吸收损耗峰不随温度变化而改变。
所述的高精度、多通道温度测量光纤光栅传感系统，可根据测量目标，改变n的值，增加或减少复用的通道数。
设计多通道复用光纤光栅传感系统应考虑两个最重要问题(1)频带利用问题，即应保证各个复用的光纤光栅都有足够的光源谱宽可以利用，以保证复用传感光栅的信号解调可以互不影响。本发明采用并联方法，使得传感光栅的反射谱均直接与长周期光纤光栅的透射谱相对应和相匹配，各个通道的反射谱互不影响，因此很容易地解决了频带利用问题。(2)功率均衡问题，即应保证各个复用的光纤光栅都有足够的光源功率的可以利用，并尽量保证各个传感光栅间的功率大小基本一致，以利于信号解调。本发明采用一个1×n的均分路器的方法，实现了光源功率的均衡。以四通道为例，图1是四通道光纤光栅传感系统的示意图。
宽带光源的输出光首先经过长周期光栅的调制，然后经过1×4的分路器均分进入四个通道，每个通道均有一个布喇格传感光栅，每个布喇格光栅的中心波长均与长周期光栅的主损耗峰峰值波长匹配。布喇格传感光栅反射的光信号分别被对应的光电探测器探测，光电探测器输出的电信号被数据采集卡采集，其后被计算机进行数据处理、分析和显示。复用的通道数还可以增加，例如，当C0为1×8的分路器时，可实现八个通道复用，当C0为1×n的分路器时，可实现n个通道复用。
本发明提供了一种可实现对温度的高精度、多通道测量的光纤光栅传感系统，当复用的通道数较多时，可实现对温度的准分布式测量。
本发明中利用热膨胀系数较大的材料对光纤布喇格光栅进行温度增敏封装，使光栅的温度灵敏系数提高了3.6倍，这有利于提高光纤光栅温度测量系统的测量精度。
本发明利用具有负温度膨胀系数的材料对长周期光纤光栅进行温度补偿封装，使作为解调元件的长周期光纤光栅的透射谱及其峰值波长不受温度的调制和影响，因而大大减小了测量误差。
本发明中通过巧妙设计两种光纤光栅在传感系统中的布局结构，实现了利用一个长周期光纤光栅解调多路传感信号，这简化了多通道传感系统，降低了测量成本。
本发明的有益效果是1)本发明的设计有效地解决了频带利用和功率均衡两个问题。系统利用一个长周期光纤光栅作为线性滤波器，来解调n个传感布喇格光栅反射光的波长，n个通道的解调可同时进行并互不干扰，这节约了系统成本，并提高了系统的效率。这是一种新的复用解调技术，实验结果表明该技术具有响应速度快、测量精度高等优点，并可简化多通道传感系统的结构；2)本发明中n个传感头的输入光是同一宽带光源被同一个长周期光栅调制后的具有相同光谱和光强分布的光信号，这样使得各个通道的信号处理具有相同的基础，简化了信号处理和解调计算等方面的工作；3)本发明中利用热膨胀系数较大的材料(铝槽，也可用毛细钢管等)封装传感光栅，使光栅有较大的温度灵敏系数，即温度的微小变化可引起传感光栅波长有较大漂移，这是最直接和有效的提高光纤光栅温度传感分辨率和测量精度的方法；4)本发明高精度多通道光纤光栅温度传感系统，全部由光纤和光纤无源器件构成，使用稳定可靠。所有的元器件的工艺水平都已经非常成熟，制作方便可行，便于推动光纤光栅传感技术的产业化进程，可以广泛用于各种领域。
图1高精度多通道光纤光栅传感系统示意图.
图2长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱示意3系统实验结果图具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明可实现高精度、多通道温度测量的光纤光栅传感系统实施例装置示意图，该系统的特征构成是一宽带光源(1)的输出光经连接光纤进入长周期光纤光栅(2)。长周期光纤光栅(2)的透射光进入1×n的分路器(3)均分地进入n个通道中。从分路器传输到2×2的耦合器(4；9；14；19)的光信号，一部分进入光纤布喇格传感光栅(7；12；17；22)中，另一部分进入参考光路中的光电二极管(6；11；16；21)中。传感光栅的反射光进入信号光路中的光电二极管(5；10；15；20)中，传感光栅的透射光分别进入折射率匹配液(8；13；18；23)中。所有光电二极管的输出信号被输入数据采集卡(24)和计算机(25)；由计算机(25)进行数据的实时分析、处理、显示。
本发明可实现高精度、多通道温度测量的光纤光栅传感系统复用的通道数还可以随1×n分路器的n值的改变而改变，可以根据具体的测量目标，改变n值，较为灵活。
利用较大热膨胀系数的材料封装布喇格光纤光栅，使得布喇格光纤光栅的温度灵敏系数大大提高，所述的材料可为铝或钢等，光栅被槽状或毛细管状的上述材料封装，传感头尺寸大小适当。
所述的长周期光纤光栅(2)是利用负温度膨胀系数的材料封装的，封装后长周期光纤光栅的透射谱峰值波长不随温度而变化。当环境温度改变时，不会因解调元件长周期光纤光栅的谱改变或漂移而带来较大的测量误差。
本发明可实现高精度、多通道温度测量的光纤光栅传感系统，信号的传输过程是这样的宽带光源(1)的输出光经长周期光纤光栅(2)调制后，经1×n的分路器(3)进入n个通道中。通过2×2的耦合器(4；9；14；19)进入布喇格光纤光栅(7；12；17；22)和参考用的光电二极管(6；11；16；21)中。而光纤布喇格光栅(7；12；17；22)的反射光和透射光分别进入接收传感信号的光电二极管和折射率匹配液中(8；13；18；23)。所有光电二极管的输出信号被输入数据采集卡(24)和计算机(25)；由计算机(25)进行数据的实时分析、处理、显示。
本发明可实现高精度、多通道温度测量的光纤光栅传感系统，n个通道的解调原理是相同的。以其中第一个通道为例，信号解调原理关于长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱，如图2所示，虚线为布喇格光纤光栅(7)的反射谱，实线为长周期光纤光栅(2)的透射谱中的主损耗峰的部分光谱。主损耗峰的强度下降边(或上升边)所包含的波长范围内其光强度为线性(线性拟合误差在10-4量级)的减小(或增大)，利用这一点可实现长周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在特定波长范围内强度为线性变化(下降或上升)的光源(可参见图(2)中的最大损耗峰的单边光强变化)。经长周期光栅调制后的光在所利用的波长范围内的光谱是线性的。
使光纤布喇格光栅(7；12；17；22)具有合适的波长λB，使各个λB均处于长周期光栅透射谱的主损耗峰线性区范围内，并靠近线性区的中间位置，如图(2)所示。当传感光栅(7；12；17；22)的波长被传感信号调制时，其反射峰在线性区的位置发生变化，但其谱型不随被测信号改变，则反射的绝对光功率将线性变化，因此光电二极管的光电流将线性变化，这样可根据各个二极管输出信号的大小解调各个对应的布喇格光栅的波长变化。这一原理与线性滤波器相似，但长周期光栅相对于线性滤波器有两点明显优势，即速度快和代价小。
根据各个光电二极管的输出值变化就能解调出对应的布喇格传感光栅(7；12；17；22)的中心波长漂移量，从而得知各个通道中被测量的大小。具体的数据处理参见文献“詹亚歌，光纤光栅传感及其信号解调技术的研究，博士论文，2005，69-72，79-80”中的处理方法。光电探测器(6；11；16；21)接收到的光强作为参考光强以消除光源波动对系统解调精度的影响。
系统的实验结果如图3所示，根据系统的噪声和图3中的数据，系统在在110C的范围内实现了0.02℃的测量分辨率和0.03℃的测量精度，并且可实现四通道同时测量。
权利要求
1.一种高精度多通道光纤光栅温度传感系统，包括宽带光源(1)、长周期光纤光栅(2)、1×n的分路器(3)、2×2的耦合器(4；9；14；19)、光纤布喇格传感光栅(7；12；17；22)、光电二极管(5；6；10；11；15；16；20；21)、折射率匹配液(8；13；18；23)、输入数据采集卡(24)和计算机(25)，其特征是宽带光源(1)的输出光经单模光纤进入长周期光纤光栅(2)，长周期光纤光栅(2)的透射光进入1×n的分路器(3)，分路器将光能量均分为n份后分别进入n个通道。在每一个通道中，从分路器传输到2×2的耦合器(4；9；14；19)的光信号，一部分进入光纤布喇格传感光栅(7；12；17；22)中，另一部分进入参考光路中的光电二极管(6；11；16；21)中，传感光栅的反射光进入信号光路中的光电二极管(5；10；15；20)中，传感光栅的透射光分别进入折射率匹配液(8；13；18；23)中，所有光电二极管的输出信号被输入数据采集卡(24)和计算机(25)，由计算机(25)进行数据的实时分析、处理、显示。
2.根据权利要求1所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，其特征在于长周期光纤光栅(2)是一个经过温度补偿封装的长周期光纤光栅，其透射谱的形状及透射谱谐振损耗峰的峰值波长均不受温度影响。
3.根据权利要求1所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，其特征在于1×n的分路器(3)，可将光源的光进行n份的均分，并可根据测量目标确定n的具体值。
4.根据权利要求1所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，其特征在于在每个通道中均有一个光纤布喇格传感光栅、两个光电二极管。
5.根据权利要求1或5所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，其特征在于光纤布喇格传感光栅(7；12；17；22)经过温敏封装，其温度灵敏系数增大。
6.根据权利要求1或5所述的高精度多通道光纤光栅温度传感系统，其特征在于光电二极管(6；11；16；21)接收参考信号，光电二极管(5；10；15；20)接受传感信号。
全文摘要
一种高精度多通道光纤光栅温度传感系统，包括宽带光源(1)、长周期光纤光栅(2)、1×n的分路器(3)、2×2的耦合器(4；9；14；19)、光纤布喇格传感光栅(7；12；17；22)、光电二极管(5；6；10；11；15；16；20；21)、折射率匹配液(8；13；18；23)、输入数据采集卡(24)和计算机(25)，通过长周期光纤光栅和布喇格光纤光栅的结合，实现高精度、多通道的温度传感测量。通过两种光纤光栅尤其是长周期光纤光栅在传感系统中的布局结构，实现了利用一个长周期光纤光栅解调多(n)路传感信号，简化了光纤光栅多通道传感系统的结构，降低了系统的成本。本发明具有测量精度高、实时性好、系统简捷、成本低、实用的特点，并可实现多通道同时测量。
文档编号G01K11/32GK101021443SQ20071003814
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者詹亚歌, 杨沁玉, 薛绍林 申请人:东华大学