专利名称：可见光波段光纤光栅传感器及解调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可见光波段光纤光栅传感器及解调系统。
背景技术：
光纤光栅传感器是无源器件，具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125um)、重 量轻、耐温性好、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达数公里)、耐腐蚀、高灵敏 度、柔韧性好等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术。 同时光纤光栅传感器还被广泛应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿安全等各 个领域及土木工程领域(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等) 的混凝土组件和其他钢结构中，以测定其结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧、智 能化的结构安全在线监测系统。 目前的光纤光栅传感技术是在基于红外宽带光源和光纤红外光检测解调的技术 上发展起来的。光纤光栅传感器主要是以波长的微小偏移为载体，所以传感系统中应有精 密的监测波长或波长变化的装置即解调系统。目前主要的解调方式有四种滤波法、干涉 法、可调窄带光源法和空间色散法。由于运用这些方法构建的波长编码信号解调系统成本 较高，使普通应用领域难以接受，成为阻碍推广应用这一先进技术的主要原因。如何进行有 效的信号解调，是光纤光栅传感系统实用化推广的关键技术问题。采用基于CCD的光谱分 析仪来检测分析传感器的反射光谱信号是较理想的方式。但红外波段的光谱检测由于红外 探测器阵列的密度不容易做高且价格昂贵，很难用红外探测器阵列直接对反射谱作高分辨 谱图成像检测达到可普遍接受的程度。目前大多采用对匹配光栅机电扫描技术实现对反射 谱的检测解调。也有一部分采用干涉法和窄带光源扫描法。这些方法分别由于成本、重复 性、系统的复杂性等问题，使得造价偏高，难以普及应用。因此，研究一种低成本、高可靠、高 灵敏的小型化探测技术以解决光纤光栅传感技术中传感信号解调难题，实现对光纤光栅传 感器大范围、快速实时测量，对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围的光纤光栅传感监 测系统具有重要意义。
发明内容
为了解决现有光纤光栅传感器解调系统成本高昂的技术问题，本发明提供一种可 见光波段光纤光栅传感器及解调系统，基于可见光光纤光栅传感器的解调系统的成本可大 大降低。 本发明解决上述技术问题的技术方案是设定光纤光栅传感器中光栅的工作波长 周期为可见光波长周期 —种可见光波段光纤光栅传感器的解调系统，采用基于CCD的光谱分析仪构成， 所述CCD为高密度线阵CCD。 本发明的技术效果在于本发明将光纤光栅传感器应用于可见光，这样可利用廉 价的高亮度白光二极管作为宽带光源，并利用在可见光区的高密度光栅对光纤光栅传感器反射的光谱作空间色散，采用在可见光区具有最高灵敏度的高密度线阵CCD对光纤光栅传 感器的反射光谱进行检测解调，以CCD在可见光区的高灵敏度部分弥补可见光在光纤中传 输的较高损耗，从而建立起在可见光波段工作的光纤光栅传感器解调检测系统，可大大降 低解调检测系统的成本，可见光光纤光栅传感器及解调检测系统的造价仅是传统的红外系 统造价的五分之一至八分之一，并大幅降低系统的结构复杂程度，提高可靠性，从而突破这 一技术在普及应用时的高昂造价瓶颈，同时有效扩展单根光纤串接光纤光栅传感器数目的 能力。 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明用于可见光FBG传感器的解调系统原理图。
图2为本发明用于可见光LPG传感器的解调系统原理图。
图3为光纤光栅传感器的结构示意图。
具体实施例方式
与传统的红外光纤光栅的制备类似，可见光波段光纤光栅(FBG)传感器也是采用 常规的高功率紫外脉冲激光照射熔融石英相位模板产生一级干涉条纹后投射到裸光敏光 纤上，在光敏光纤的芯部产生周期性折射率调制的方法制备的。具体的做法是根据所采用 的紫外激光波长，先在熔融石英板上刻制具有周期性(周期由选用的可见光工作波长根据 公式A = Ab^/r^f确定)反相位光学厚度差的阵列，当紫外激光投射到相位模板上侧时，
在其相对侧会产生抵消零级光的一级干涉条纹，将裸光纤紧贴于相位模板下，经过适当时 间的照射(可由光谱仪中光纤反射谱的强度确定)，获得设定波长的高反射率的光纤光栅。 对于长周期光栅(LPG)，由于周期较长(数十微米)，则可直接采用幅度模板以相同的方法 制备。 参见图l，图1为本发明用于可见光FBG传感器(检反射光)的解调系统原理图。 图中1为光纤多路耦合器，2为成像凹面反射镜，3为光纤，4为准直凹面反射镜，5为光源时 序控制器，6为高密度平面反射式光栅，7为柱面镜，8为光谱成像系统，9为高密度线阵CCD。 选用波段为500-650nm的高亮度宽带白光LED，分别通过2进一出光纤耦合器将宽带白光 源耦合到M个不同中心反射波长串接而成的可见光光纤光栅FBG传感器列上。视组网规模 需要，将N列光纤光栅传感器通过N进一出的光耦合器组成MXN的光纤光栅传感器阵列。 采用凹面反射镜4作为准直镜，高密度平面反射光栅6作为色散元件，凹面反射镜2作为成 像镜，将高密度线阵CCD9的传感面置于柱面镜7的焦平面上。N列传感器分时进行检测。 通过计算机依时序对N个宽带白光二极管的供电进行控制，就可实现各列传感器的分时测 量。只要M种不同中心波长的FBG(空分)，就可组网实现MXN个传感位置的传感测量(空 分+时分)。考虑到短波长下，光纤光栅传感器中心反射波长的位移亦会响应减小，而可见 光宽带白光源的光谱容易做的更宽，所以可见光波段光纤光栅光谱仪及解调系统可以单根 光纤串接更多的传感器，更容易组成大规模的传感监测网络。 参见图2，图2为本发明用于长周期光栅(LPG)的解调系统原理图(检透射光)。图 中1为光纤多路耦合器，2为成像凹面反射镜，3为光纤，4为准直凹面反射镜，5为光源时序控制器，6为高密度平面反射式光栅，7为柱面镜，8为光谱成像系统，9为高密度线阵CCD。也 可采用可见光波段长周期光栅(LPG)和解调系统构成传感监测网。选用波段为500-650nm 的高亮度宽带白光LED(LED1-LEDN)，分别通过2进一出光纤耦合器将宽带白光源耦合到由 M个不同中心反射波长串接而成的可见光光纤光栅传感器列上。在温度、化学等传感测量 中，本实例有更高的灵敏度。对于长周期光栅，存在多个透射谐振吸收峰。在红外波段每一 个传感器的主峰与次级峰的波长间隔达到了约140nm，在可见光波段，对应波长间隔可达到 60nm。因此可通过仔细设置每一个传感器的中心波长，使第一主峰波长都落在宽带光源的 范围内，其次级波峰落在宽带光源波段范围外，达到抑制次级谐振峰的目的。
本发明的可能应用前景以温度测量的市场为例，光纤光栅传感网络可以用于多 点温度传感。多点温度光纤传感在线监测和报警系统的应用范围包括地下电缆、高压架 空电缆的在线温度检测及过热报警系统；发电厂各种管网的温度检测及过热报警系统，大 中型变压器的整体温度检测及过热报警系统；变电站的环境温度检测及火灾报警系统；发 电机组的温度检测、故障诊断及过热报警系统；煤矿、隧道的火灾防治与温度报警；油库油 罐、粮库、军火库、危险品库、冷库及其他仓库的温度报警系统；大型货轮、油轮的温度报警
系统；各种大中型输油管道的温度检测及过热报警系统；化工原料、摄影材料、食品等生产 过程的温度动态检测；智能大厦、一般民用建筑物内的温度检测及火灾报警系统等等。该传 感器的市场几乎涵盖了国民经济所有领域，其国内市场份额预计超过50亿元人民币。国际 市场销售额现在每年以40%的速度在递增，预计到2010年将超过100亿美元。
以建筑安全检测为例，光纤光栅传感网络可以用于多点应变传感。多点应变光纤 传感在线监测和报警系统的应用范围包括各类大型公共建筑、高层建筑、桥梁、高速公路 的动、静态应变检测与报警。由于国内基础建设的大规模投入正在迅速增长，目前国内市场 份额估计约30亿元人民币，国际市场的年销售额超过100亿美元。 此外，该技术在化学化工、食品安全和环境监测等诸多方面也有广泛的应用，可在 大部分应用领域取代传统的红外技术系统成为未来的主流检测工具。
权利要求
一种可见光波段光纤光栅传感器，其特征在于所述光纤光栅传感器中光栅的工作波长周期为可见光波长周期。
2. —种可见光波段光纤光栅传感器的解调系统，采用基于CCD的光谱分析仪构成，其特征在于所述CCD为高密度线阵CCD。
全文摘要
本发明公开了一种可见光波段光纤光栅传感器及解调系统，光纤光栅传感器中光栅的波长周期为可见光波长周期。基于可见光波段光纤光栅传感器的解调系统采用基于CCD的光谱分析仪，它采用廉价的高亮度白光二极管作为宽带光源，并采用在可见光区具有最高灵敏度的高密度线阵CCD对光纤光栅传感器的反射或透射光谱进行检测解调，大大降低了解调系统的成本，有利于光纤光栅传感检测技术的推广应用。
文档编号G01D5/26GK101709981SQ20091004309
公开日2010年5月19日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者周正贵, 周艳明, 张晓 , 王祝盈, 翦知渐, 谢中, 陈小林 申请人:湖南大学