专利名称：：光纤光栅传感装置及其电路的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及测量领域，特别是涉及光纤光栅传感装置及其电路。
背景技术：
：光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。与传统的电信号传感相比，它具有不受电》兹干扰、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、重量轻、灵敏度高、容易实现对被测信号的远距离监控等特点。现有技术光纤光栅传感系统一般包括宽带光源、光分束器、光纤光栅、光探测器以及波长解调装置。其中宽带光源为半导体超辐射发光管，或者掺辨光纤放大器自发辐射光源。波长解调装置一般为可调谐FP腔构成的可调谐滤波器或者微型光谱仪。宽带光源和波长解调装置都是价格昂贵的器件，因此如何降低光源和解调器的成本成为推广光纤光栅传感器应用的关^:。其中，波长可调谐激光器集光源和解调器的功能于一身，可以大大简化系统的构成，比如美国专利6,836,578，描述了一种利用微机电技术制作的波长可调谐面发射激光器构成的光纤光栅传感系统。但由于利用微机电技术的光纤光栅传感系统需要集成《殷机电装置，导致成本的升高。另外，申请号为200610109382.7的中国专利申请利用DFB激光器作光源，可以降低系统的成本，但DFB激光器波长的变化范围比较小，而且需要采用温度调谐的方法，调谐速度慢。
实用新型内容为解决现有技术利用DFB激光器作光源的光纤光栅传感系统的需要采用温度调谐而导致调谐速度慢的技术缺陷，本实用新型提供一种光纤光栅传感装置及其电路，可以在低成本的基础上实现较高的波长调谐速度。本实用新型的一个方面是提供一种光纤光栅传感装置，包括激光器光源、传感光纤光栅以及光探测器，所述激光器光源的发光面与所述传感光纤光栅一端耦合，所述传感光纤光栅另一端与所述光探测器的探测端对应设置，所述激光器光源是波长可通过电流调谐的面发射激光器光源，还包括输出可变工作电流到所述激光器光源对其进行波长调谐的驱动电源、连接所述光探测器和驱动电源以获得外界传感量的的控制电路。较优实施方式中，进一步包括对所述传感光纤光栅进行定标参考光纤光栅，所述参考光纤光栅一端与所述激光器光源的发光面耦合，另一端与所述光探测器的^:测端对应设置。较优实施方式中，进一步包括保持所述激光器光源和参考光纤光栅温度稳定的温度控制电路。较优实施方式中，进一步包括设置于所述激光器光源发光面与光纤光栅之间的光隔离器。较优实施方式中，进一步包括设置于所述激光器光源发光面与传感光纤光栅之间的光分束器，所述光分束器的出光口至少与一个所述传感光纤光栅耦合。较优实施方式中，所述激光器光源的波长变化范围大于所有传感光纤光栅总的波长变化范围。较优实施方式中，所述激光器光源的工作模式为单横模和单纵模。本实用新型的另一个方面是提供一种光纤光栅传感电路，包括输出可变工作电流到面发射激光器光源进行波长扫描的驱动电源，在所述扫描波长与传感光纤光栅中心波长匹配时记录下此时驱动电源输出电流值的记录单元，在驱动电源输出电流值、传感光纤光栅中心波长与外界传感量之间的关系数据中查询所述记录的驱动电源输出电流值得到对应传感量的查询单元。较优实施方式中，进一步包括利用参考光纤光栅对所述传感光纤光栅中心波长进行定标的定标单元。较优实施方式中，进一步包括控制所述面发射激光器温度的温度控制单元。本实用新型的有益效果是区别于现有技术利用DFB激光器作光源的光纤光栅传感系统的波长变化范围小、需要采用温度调谐而导致调谐速度慢的技术缺陷，本实用新型将现有DFB激光器更换为输出波长随驱动电流的变化实现波长扫描的面发射激光器光源，同时搭配相应的驱动电源及控制电路，因此仫f又通过电流扫描的方式就可以让面发射激光器出射光波长覆盖光纤光栅波长的变化，而且由于采用电流调谐的方式，面发射激光器响应速度可以很快，又由于电流的扫面步长可以做得很小，因而调谐精度高，可以在低成本的基础上实现较高的波长调谐速度，并具有波长解调原理简单、成本低、响应速度块、尺寸小等优点。图l是本实用新型光纤光栅传感装置第一实施方式的原理框图；图2是本实用新型光纤光栅传感装置第二实施方式的结构示意图；图3是图2中面发射激光器光源工作电压、背光电流、传感光纤光栅反射信号与扫描电流关系图4是不同温度下传感光纤光栅反射信号与扫描电流关系图；图5是本实用新型光纤光栅传感电路第一实施方式的原理框图；图6是本实用新型光纤光栅传感电路第二实施方式的原理框图。具体实施方式以下结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明。请参考图1，是本实用新型光纤光栅传感装置第一实施方式的原理框图。所述光纤光栅传感装置包括以下元件激光器光源、传感光纤光栅以及光探测器。所述激光器光源的发光面与所述传感光纤光^f册一端耦合，所述传感光纤光栅另一端与所述光探测器的探测端对应"i殳置。所迷激光器光源是波长可通过电流调谐的面发射激光器光源。还包括输出可变工作电流到所述激光器光源对其进行波长调谐的驱动电源、连接所述光探测器和驱动电源以获得外界传感量的控制电路。其中，所述控制电路包括存储单元和处理单元。所述存储单元保存测试过程中面发射激光器发光波长与工作电流之间的第一关系数据、光探测器检测到光语峰值时驱动电源输出的工作电流值、在第一关系数据中查询所述光语峰值时驱动电源输出的工作电流值得到的所述传感光纤光栅的中心波长值、传感光纤光栅中心波长与外界传感量之间的第二关系数据、以及所述光谱峰值时驱动电源输出的工作电流值与所述第二关系数据之间的第三关系数据。所述处理单元用于在所述第三关系数据中查询进行测量过程中光探测器检测到光谱峰值时驱动电源输出的工作电流值，输出查询得到的外界传感量数值。本实施方式区别于现有技术利用DFB激光器作光源的技术方案，而是将现有DFB激光器更换为输出波长随驱动电流的变化实现波长扫描的面发射激光器光源，同时搭配相应的驱动电源及控制电路对测量的相关数据进行简单计算即可得到测量的传感量。由于面发射激光器的波长变化范围一般超过2nm,那么本实施方式仅仅通过电流扫描的方式就可以让面发射激光器出射光波长覆盖光纤光栅波长的变化，而且由于采用电流调谐的方式，面发射激光器响应速度可以很快，又由于电流的扫面步长可以做得很小，因而调谐精度高。可以在低成本的基础上实现较高的波长调谐速度，具有波长解调原理简单、成本低、响应速度块、尺寸小等优点。图2是本实用新型光纤光栅传感装置第二实施方式的示意图。本实施方式进一步包括对所述传感光纤光栅进行定标的参考光纤光栅6,所述参考光纤光栅6—端与所述激光器光源1的发光面耦合，另一端与所述光探测器的探测端对应设置，所述处理单元进一步计算所述传感光纤光栅的中心波长与所述参考光纤光栅的波长误差之间的差值，得到最终的传感光纤光栅中心波长值。还进一步包括保持所述激光器光源和参考光纤光栅温度稳定的温度控制电路9、设置于所述激光器光源1发光面与光纤光栅5之间的光隔离器3、设置于所迷激光器光源1发光面与光纤光栅5之间的光分束器4，所述光分束器4的出光口至少与一个光纤光栅5耦合。所述激光器光源1的波长变化范围大于所有传感光纤光栅总的波长变化范围。所述激光器光源在单横模，单纵模形态下工作。下面详细描述本实施方式。面发射激光器1通过光纤耦合输出光，输出的光通过光隔离器3进入1X(N+1)光分束器4，光隔离器3可以防止反射回的光进入到面发射激光器1影响面发射激光器的单模特性。分束器4连接到(N+1)个1X2光分束器4，分束器4再接入各自的传感光纤光栅5和参考光纤光栅6。标号7为N路传感用光纤光栅。图2表示的是反射式的光纤光栅，反射光通过1X2光分束器4的另外一个臂进入光栅^Jt透射信号探测用PD8。如果是透射式的光纤光栅，则将传感光纤光栅5的透射输出端接入各自的PD8。PD8输出的信号接入控制电路10。面发射激光器可以不对背光进行检测，而是在面发射激光器1的输出光纤端再加一个1X2的光分束器，分出部分光用于面发射激光器1光功率监控。控制电路10同时提供温度控制信号给面发射温度控制电路9控制面发射激光器的温度。控制电路10同时提供电流扫描信号给电流扫描电路2，控制面发射激光器1的电流扫描。另外标号12纸显示屏。整个测量过程如下面发射激光器的电流^使用一定的频率扫描，扫描频率可以从几Hz到几百Hz，扫描电流从0或者阈值电流以上的某个点变化到最大工作电流。电流扫描时面发射激光器1的波长发生变化，同时其输出功率也发生改变，假定通过传感光纤光栅5反射或者透射的光功率经探测器检测到的光电流为IFBG,面发射激光器1本身的背光探测电流为IMPD,那么反射率或者透射率为Ifbg/Impd。通过电流扫描，可以得到不同扫描电流下的反射率或者透射率，通过计算求出反射率或者透射率峰值下对应的电流值，然后才艮据面发射激光器1的波长和电流的关系，求出相应电流下的波长值，这个波长值对应传感光纤光栅5的中心波长。所有N+1路传感光纤光栅中心波长通过N+1路探测电路同时求出，并且根据求出的参考光纤光栅6的中心波长和其事先标定的参考中心波长的差异，求出波长系统误差。然后所有求出的传感光纤光栅5中心波长都减去这个系统误差得到最终光纤光栅中心波长值。最后根据事先定标好的每个传感光纤光栅传感量和中心波长的关系求出应变或者温度、应力等传感量的大小，最后通过显示屏显示(图未示)。这里面发射激光器1的波长可以与传感光纤光^f册的波长匹配，波长的变化范围可以覆盖所有传感光纤光栅的变化范围。面发射激光器1可以工作在单横模和单纵模状态。面发射激光器输出的功率通过分束器分束。传感光纤光栅5反射后到达探测器的功率可以高于探测器所能探测到的最小值。在事先校准面发射激光器1的波长随其工作电流变化时，可以保持面发射激光器1在工作时的温度一致并保持恒定，温度的稳定可以通过半导体制冷片实现。目前单^t工作的面发射激光器典型波长有850nm，980nm,1310nm,1550nm等。由于光纤光栅的波长一般位于C波段1525-1565nm的范围，因此一般采用1550nm左右波长的面发射激光器1,单模出纤功率超过lmW,边模抑制比大于30dB。面发射激光器1的驱动电源可以采用恒流驱动方式，扫描电流可以为线性变化的锯齿波信号，电流从O或者阈值电流扫描到面发射激光器1的最大驱动电流。lx(N+1)的光分束器5—般采用熔融拉锥型光纤耦合器，可以由1X2，1X3,1X4分束器等组合而成。在更具体的实施方式中，其中N-1。使用的面发射激光器1为1550nm单模同轴封装带尾纤面发射激光器，阈值电流为3mA,最大工作电流为19mA.。当电流/人5mA变化到15mA时，波长从1545.09nm变到1548.07nm，变化范围为3nm。出纤功率从0.28mW变化到1.377mW.边模抑制比在电流从4-15mA范围变化时，都大于40dB,表明面发射激光器l都工作在单模状态。面发射激光器l波长随电流的变化可以通过一个公式拟合得出波长=0.007778*12+0.153333*1+1544.03，其中I为注入电流，单位为mA。上述结果为室温下的测试值。使用的光纤光栅型号为FTS-IOO，为反射式温度传感器，光纤光栅温度与波长的关系为T=-10*(X-X0)A2+100*OX0)+25,人0为室温下参考光纤光栅6的中心波长。实验中使用的参考光纤光栅6标称i(H1545.5nm，测量的温度范围为-20-140度，在此温度范围内波长变化范围为1545.3到1547.18nm，位于面发射激光器1的波长变化范围内。实施方式中扫描电流从0-25mA变化，电流扫描步长为0.25mA，面发射激光器1的温度保持在室温，传感光纤光栅5测试一个被加热的小铝块的温度。铝块下有个洞用来插入传感光纤光栅5，同时还有一个更小的洞用来插入热电偶温度计测量铝块的温度加以比较。首先在室温下测量传感光纤光栅5的反射信号，测量得到的反射率出现峰值位置的电流在6.5mA。经过计算此时对应的光纤光栅峰值波长为1545.35nm,说明光纤光栅的标称波长与实际波长有差异，这个可能是由于光纤光栅制作的不一致性造成的。因此，实施方式中传感光纤光栅室温下的波长值修正为1545.35nm。本实施方式中面发射激光器1和参考光纤光栅6均保持在室温，测试所得的9波长系统误差几乎为零。图3为铝块温度为167°C时，反射信号和面发射激光器1背光检测信号以及面发射激光器1电压信号与电流的关系图，从图中可以看出在扫描电流为11.5mA时，反射信号出现一个峰值，由面发射激光器1波长与电流关系可以计算出对应的波长，这个波长减去系统误差即为传感光纤光栅5中心波长，根据传感光纤光4册5温度和中心波长的关系可以计算出传感光纤光栅5温度为150°C。图4为不同温度下传感光纤光栅5的反射信号曲线图。表1为计算得到的温度(也就是面发射激光器1构成的光纤光栅传感装置测量的温度)和热电偶测试结果的比较，在温度较高时本实用新型光纤光栅传感装置测试得到的温度要低于热电偶测试的温度，并且温度越高，与热电偶测试的温度差别越大，主要原因可能在于放置光纤光栅的孔比较大，光纤光栅没有与铝块紧密接触，因而光纤光栅测试的温度没有铝块自身温度那么高。另外一个原因是电流的扫描步长较大，为0,25mA,计算出的温度分辨力在6°C左右，如果要提高测温精度到1。C，可以将电流测试步长减小到0.04mA左右。表l:计算得到的温度和热电偶测试结果的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>综上所述，本实用新型针对现有技术的不足，采用面发射激光器作为光纤光栅传感装置中的可调谐光源，它不需要集成微机电装置，波长的改变通过注入电流的改变实现，波长调谐范围大，调谐速度快。这种面发射激光器构成的光纤光栅传感装置具有波长解调原理简单、成本低、响应速度块、尺寸小等优点。由于面发射激光器的激光腔腔长很短，激射波长随电流的变化可以超过0.3nm/mA,比传统的DFB激光器电流调谐效率高30倍以上，传统的DFB化范围内波长总的变化一般小于lnm，但面发射激光器的波长变化超过2nm，由于传感用的光纤光栅波长变化范围一般在1.5-2纳米左右，因此仅仅通过电流扫描的方式面发射激光器就可以覆盖光纤光栅波长的变化，适合用作光纤光栅传感器的光源。但DFB激光器除了电流扫描外，还需要加上温度的改变，导致调谐速度变慢，调谐精度差。由于面发射激光器采用电流调谐的方式，因而响应速度可以很快，又由于电流的扫面步长可以做得很小，因而调谐精度高。面发射激光器可以采用同轴封装方式，成本低廉同时体积很小，由面发射激光器构成的光纤光栅传感装置完全可以做成手持式的小型化传感装置。另一方面，本实用新型对面发射激光器采取温度稳定的措施，这可以通过半导体制冷片控温来实现，但仅仅采取温度稳定措施仍可能不能获得高的测试精度。由于面发射激光器的波长随温度的变化大概为0.08nm/。C,如果温度的稳定范围为+-1。C，那么波长的漂移为+-0.0811111。又由于光纤光栅波长随温度的变化大概为0.01nm/。C,因此如果没有参考光纤光栅，温度的测试误差将达到+-8°C,误差很大，因此在装置中增加了参考光纤光栅，参考光纤光栅保持恒定的温度、应变、应力等，以保证参考光纤光栅的中心波长在外界环境变化时保持稳定，从而提供一个恒定的参考波长。比如参考光纤光栅的中心波长为XO。假定温度稳定范围为+-1。C,那么参考波长的稳定度为X0+-0.01nm。假定此时面发射激光器测试得到的参考光纤光栅的波长为"，波长误差为入1-X0，就说明面发射激光器的真实波长需要在原来的基础上减去这个波长误差XO。通过这样的校准，温度测试的精度原理上和参考光纤光栅温度稳定度相同。由于光纤光栅均为单模工作，因此要求面发射激光器也为单横模、单纵模工作。本实用新型一个实施方式中共用一个面发射激光器光源，通过光分束器分成N+1路，N+1个传感之路中的每一路可以串连一个或者多个光纤光栅传感器，串连的光纤光栅中心波长不同，并联的支路光纤光栅中心波长相同，面发射激光器的波长变化范围可以大于任意支路串接的所有光纤光栅测试范围内总的波长变化范围。由于光纤光栅的波长变化范围一般为2nm，因此如果只串连一个光纤光栅，要求面发射激光器的波长变化范围大于2nm，如果串连2个，要求面发射激光器的波长变化范围大于4nm。面发射激光器电流调谐时不但波长改变，同时输出功率也改变，输出功率可以通过面发射激光器封装的背光检测PD检测，或者通过光分束器分出部分光作为功率检测用，可以根据需要将光纤光栅的反射或者透射谱除以面发射激光器的输出功率得到精确的反射或者透射谱。参阅图5，另外，本实用新型还提供一种光纤光栅传感电路，包括输出可变工作电流到面发射激光器光源进行波长扫描的驱动电源，在所述扫描波长与传感光纤光栅中心波长匹配时记录下此时驱动电源输出电流值的记录单元，在驱动电源输出电流值、传感光纤光栅中心波长与外界传感量之间的关系数据中查询所述记录的驱动电源输出电流值得到对应传感量的查询单元。所述扫描波长可以是面发射激光器在变化输入电流情况下的变化波长，所述扫描波长与传感光纤光栅中心波长匹配可以指面发射激光器的出射光进入传感光纤光栅中之后，光探测器检测到传感光纤光栅光谱峰值。所述驱动电源输出电流值、传感光纤光栅中心波长与外界传感量之间的关系数据，可以是在正式测量前预先获得的数据，具体获取方法参见上述本实用光纤光斥册传感装置实施方式。参阅图6，在另一实施方式中，可以进一步包括利用参考光纤光栅对所述传感光纤光^"中心波长进行定标的定标单元。还参阅图6，在另一实施方式中，可以进一步包括控制所述面发射激光器温度的温度控制单元。以上对本实用新型所提供的一种光纤光栅传感装置及其电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。权利要求1.一种光纤光栅传感装置，包括激光器光源、传感光纤光栅以及光探测器，所述激光器光源的发光面与所述传感光纤光栅一端耦合，所述传感光纤光栅另一端与所述光探测器的探测端对应设置，其特征在于，所述激光器光源是波长可通过电流调谐的面发射激光器光源，还包括输出可变工作电流到所述激光器光源对其进行波长调谐的驱动电源、连接所述光探测器和驱动电源以获得外界传感量的控制电路。2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感装置，其特征在于进一步包括对所述传感光纤光栅进行定标的参考光纤光栅，所述参考光纤光栅一端与所述激光器光源的发光面耦合，另一端与所述光探测器的探测端对应设置。3.根据权利要求2所述的光纤光栅传感装置，其特征在于进一步包括保持所述激光器光源和参考光纤光栅温度稳定的温度控制电路。4.根据权利要求1至3任一项所述的光纤光栅传感装置，其特征在于进一步包括设置于所述激光器光源发光面与光纤光栅之间的光隔离器。5.根据权利要求1至3任一项所述的光纤光4册传感装置，其特征在于进一步包括设置于所述激光器光源发光面与光纤光栅之间的光分束器，所述光分束器的出光口至少与一个所述传感光纤光栅耦合。6.根据权利要求5所述的光纤光栅传感装置，其特征在于所述激光器光源的波长变化范围大于所有传感光纤光栅总的波长变化范围。7.根据权利要求1至3任一项所述的光纤光栅传感装置，其特征在于所述激光器光源的工作模式为单横模和单纵模。8.—种光纤光^H专感电路，其特征在于，包括输出可变工作电流到面发射激光器光源进行波长扫描的驱动电源，在所述扫描波长与传感光纤光栅中心波长匹配时记录下此时驱动电源输出电流值的记录单元，在驱动电源输出电流值、传感光纤光栅中心波长与外界传感量之间的关系数据中查询所述记录的驱动电源输出电流值得到对应传感量的查询单元。9.根据权利要求8所述的光纤光栅传感电路，其特征在于进一步包括利用参考光纤光^^对所述传感光纤光栅中心波长进行定标的定标单元。10.根据权利要求8或9所述的光纤光栅传感电路，其特征在于进一步包括控制所述面发射激光器温度的温度控制单元。专利摘要本实用新型公开一种光纤光栅传感装置及其电路。所述光纤光栅传感装置，包括激光器光源、传感光纤光栅以及光探测器，所述激光器光源的发光面与所述传感光纤光栅一端耦合，所述传感光纤光栅另一端与所述光探测器的探测端对应设置，所述激光器光源是波长可通过电流调谐的面发射激光器光源，还包括输出可变工作电流到所述激光器光源的驱动电源、连接所述光探测器和驱动电源的控制电路。面发射激光器光源输出波长随驱动电源输出电流的变化进行波长扫描，当扫描波长与光纤光栅中心波长匹配时，根据此时的电流值计算出对应的中心波长，再根据所述中心波长与传感量的对应关系，可以对温度、压力、应力等参数进行低成本高效率的测量。文档编号G01D5/26GK201322624SQ20082021424公开日2009年10月7日申请日期2008年11月27日优先权日2008年11月27日发明者陈志标申请人:世纪晶源科技有限公司