专利名称：多光纤光栅传感器解调仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器解调仪，尤其是涉及一种多光纤光栅传感器解调仪，
特别适用于测量光纤光栅传感器的特性。
背景技术：
光纤光栅是一种新型光纤无源器件，自1978年问世至今，世界上许多科研和工 程技术人员投身到光纤光栅的研制和应用工作中，与其相关的各种技术得到了很大发展。 1989年研究成功的基于掩膜板的紫外写入制作技术使光纤光栅的批量化生产和工业化应 用成为可能。现在，光纤光栅已经广泛的应用于光纤通信和传感领域之中。在传感器领域 中，光纤光栅传感器具有(1)基于光波波长和带宽为传感机制，使测量信号不受光源强度 波动、光纤弯曲、光纤连接损耗和探测器灵敏度变化等因素影响；(2)可以使用波分复用技 术在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器，同时对多个测量点、多个物理量进行准分布测 量；(3)体积小、重量轻、不受电磁干扰、本质安全。所以，光纤光栅已被应用于制作高精度、 高可靠性的温度、应变、压力、位移、振动、声音和磁场等传感器，在航空、船舶、电力、石油化 工和医学等多个领域中发挥着重要的作用。 光纤光栅传感器对各种物理量的测量是基于光纤光栅的反射谱或透射谱的特性 随物理量的改变这一特性来实现的。因此，制作光纤光栅传感器解调仪，对光纤光栅的反 射谱或透射谱特性进行测量并将其特性参数解调成所测物理量的值是光纤光栅传感器系 统中一项不可避免的重要技术。目前，人们已经用多种方法设计制作出光纤光栅传感器解 调仪。然而，这些解调仪有的是专门针对光纤布拉格光栅传感器设计的，不适用于长周期 光纤光栅传感器的测量。而且针对光纤布拉格光栅传感器设计的解调仪一般只测量光栅的 波长，而不测量光栅的带宽，所以不适用于那些基于带宽随被测物理量变化为机理的啁啾 光纤光栅传感器。有的是专门针对长周期光纤光栅传感器设计的，不适用于光纤布拉格光 栅传感器和啁啾光纤光栅传感器的测量。通用的光谱分析仪可以测量光纤布拉格光栅传感 器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器的波长和带宽，但是其测量速度慢，只适 用于测量传感器的静态性能。因此，目前的光纤光栅传感器解调仪还没有同时具备测量光 纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器的静态和动态性能的 功能。
发明内容为了达到一台光纤光栅传感器解调仪同时具备测量光纤布拉格光栅传感器、啁啾 光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器的静态和动态性能的目的，本实用新型提供一种 新型光纤光栅传感器解调仪，用同一解调仪测量传感器中光纤光栅的波长和带宽，用一台 解调仪同时可以测量光纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感 器的静态和动态性能。 本实用新型为了达到上述的目的，提供一种多光纤光栅传感器解调仪它包括为激光光源，与激光光源光束输出端以光束连接的前级光纤耦合器，分别与前级光纤耦合器光 束输出端以光束连接的光隔离器和光电探测器，与光电探测器电连接的数据采集卡，与数 据采集卡输出端相连接的计算机处理器，与计算机处理器输出端相连接的显示器，与光隔 离器光束输出端相连接以光束连接的光束输出端上置有测试端口的后级光纤耦合器，以及 传感器测试端口 ；还包括置于前级光纤耦合器与光电探测器之间的光路上的波长判定器， 所述激光光源为可调光纤激光器，所述光电探测器至少有4个，所述后级光纤耦合器至少 有4个，所述传感器测试端口至少有4个。 所述传感器测试端口包括光纤布拉格光栅传感器测试端口 ，啁啾光纤光栅传感器 测试端口和长周期光纤光栅传感器测试端口 。 本实用新型与现有的光纤光栅传感器解调仪相比有显著的效益。，如上述的结构，本实用新型的传感器解调仪，包括至少4个光电探测器，至少4个
后级光纤耦合器，至少4个传感器测试端口 。在所述传感器测试端口中包括光纤布拉格光
栅传感器测试端口 ，啁啾光纤光栅传感器测试端口和长周期光纤光栅传感器测试端口 。所
以本实用新型传感器解调仪同时可以测量光纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和
长周期光纤光栅传感器的特性。即在同一台传感器解调仪上可以同时测量多个的光纤布拉
格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器。
如上述的结构，本实用新型的传感器解调仪包括置于前级光纤耦合器与光电探 测器之间的光路上的波长判定器，所述激光光源为可调光纤激光器。所以本实用新型传感 器解调仪的波长和周期均可调节，不仅具有高信噪比、高分辨力、高测量频率和大的动态测 量范围这些优点，在达到较高测量频率的同时，还具有很高的动态测量范围，可以用来精确 测量光纤光栅传感器的静态和动态性能。
如上述的结构，本实用新型的传感器解调仪也不同于通用的光谱仪，本实用新型
的传感器解调仪不仅可以测量光纤光栅的静态参数，也可以测量动态参数。
如上述的结构，本实用新型传感器解调仪的激光光源为可调光纤激光器并配有
波长判定器，在提高传感器解调仪精度的同时，也简化了传感器解调仪中计算机处理器对
波长的处理程序。
图1是本实用新型的多光纤光栅传感器解调仪一实施例的结构示意图； 图1中l为激光光源；2为前级光纤耦合器；3为光波长判定器；4为光隔离器；5、
6、7、8为后级光纤耦合器；9、 10、 11 、 12为传感器测试端口 ，其中9为光纤布拉格光栅传感器 测试端口， 10为光纤啁啾光栅传感器测试端口， 11为长周期光纤光栅传感器测试端光输出 口 ， 12为长周期光纤光栅传感器测试端光输入口 ； 13、 14、 15、 16为光电探测器；17为数据采 集卡；18为计算机处理器；19为显示器。 图2是本实用新型的多光纤光栅传感器解调仪中可调光纤激光器一实施例的结 构示意图； 图2中20为泵浦激光器，21为波分复用器，22为掺铒光纤，23为光纤耦合器，24 为窄带可调光纤滤波器，25为前端光隔离器，26为后端光隔离器，27为窄带可调光纤滤波 器驱动器。CN 201463922 U 图3是本实用新型的多光纤光栅传感器解调仪中光波长判定器一实施例的结构 示意图； 图3中28为第一光纤耦合器，29为通带中心波长为短波长的短波光纤滤波器，30 为通带中心波长为长波长的长波光纤滤波器，31为第二光纤耦合器。 图4是本实用新型的光纤光栅传感器解调仪在应用于测试光纤光栅传感器特性 测试一实施例的连接示意图； 图4中32为光纤布拉格光栅传感器，33为光纤布拉格光栅传感器，34为光纤布 拉格光栅传感器，35为啁啾光纤光栅传感器，36为啁啾光纤光栅传感器，37为啁啾光纤光 栅传感器，38为长周期光纤光栅传感器，39为长周期光纤光栅传感器，40为长周期光纤光 栅传感器。
具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型多光纤光栅传感器解调仪的结构特征。 如图1所示，本实用新型的多光纤光栅传感器解调仪包括为激光光源l，与激光光
源1光束输出端以光束连接的前级光纤耦合器2，分别与前级光纤耦合器2光束输出端以光
束连接的光隔离器4和波长判定器3，与波长判定器3光束输出端以光束连接的光电探测
器15，与光电探测器15电连接的数据采集卡17，与数据采集卡17输出端相连接的计算机
处理器18，与计算机处理器18输出端相连接的显示器19 ; 如图l所示，在本实施例中包括4个光电探测器13、14、15、16 ;4个后级光纤耦合 器5、6、7、S ;4个传感器测试端口 9、 10、 11、 12，其中11和12共同组成一个长周期光纤光栅 传感器的测试端口。其中后级光纤耦合器5以光束与光隔离器4的光束输出端相连接，后 级光纤耦合器6以光束与后级光纤耦合器5的光束输出端相连接，后级光纤耦合器7、8分 别以光束与后级光纤耦合器6相连接；传感器测试端口 9为光纤布拉格光栅传感器测试端 口与后级光纤耦合器8以光束相连接；传感器测试端口 IO为光纤啁啾光栅传感器测试端口
与后级光纤耦合器7以光束相连接；传感器测试端口 11为长周期光纤光栅传感器测试端光 输出口与后级光纤耦合器5以光束相连接；传感器测试端口 12为长周期光纤光栅传感器测
试端光输入口与光电探测器16以光束相连接；光电探测器13与后级光纤耦合器8以光束 相连接；光电探测器14与后级光纤耦合器7以光束相连接；光电探测器13、14、15、16)均与 数据采集卡17电连接。 如图1所示，在本实施例中，所述长周期光纤光栅传感器的周期在60iim 1000 ii m之间；所述光纤布拉格光栅传感器和啁啾光纤光栅传感器的周期为1 P m量级，是 短周期。 在本实施例中，所述激光光源1为可调光纤激光器。如图2所示的结构。 激光光源1发出的光经过前级光纤耦合器2，一部分进入光波长判定器3，另一部 分通过光隔离器4进入后级光纤耦合器5 ;通过光隔离器4到后级光纤耦合器5的光被分 为两部分，一部分进入后级光纤耦合器6，另一部分由长周期光纤光栅传感器测试端光输出 口 11出射到解调仪外，作为测试长周期光纤光栅传感器特性的光源。后级光纤耦合器6将 进入的光分为两部分，其中一部分光进入后级光纤耦合器7，通过啁啾光纤光栅传感器测试 端口 10出射到解调仪外，作为测试啁啾光纤光栅传感器特性的光源；另一部分光进入后级光纤耦合器8，通过光纤布拉格光栅传感器测试端口 9出射到解调仪外，作为测试光纤布拉 格光栅传感器光源；在测试光纤布拉格光栅传感器时，传感器的一端接在仪器的光纤布拉 格光栅传感器测试端口 9。光纤布拉格光栅传感器的作用是将入射到光栅中的某些特定波 长的光反射回去使其不再向前传输，如果一宽带的光入射到光纤布拉格光栅中，则波长处 于光栅反射带宽内的光被反射，其他波长的光可通过光栅继续向前传输，将光栅反射的所 有光的强度按波长顺序显示就形成光栅的反射谱。传感器测试端口 9出射的光也是带宽很 窄的激光，可以近似看做单一波长的光，光的波长随时间周期性线性逐渐增加。如果某一 时刻内出射的光波长处于光纤布拉格光栅反射带宽内，则该波长的光由于光栅的作用被反 射，通过后级光纤耦合器8入射到光电探测器13，这时光电探测器13接收到的光强度较高。 如果某一时刻内出射的光波长不在光栅反射带宽内，则该波长的光不受光栅的影响继续向 前传输，这一时刻在光电探测器13的光强度为很弱。光电探测器13将接受到的光信号转 换为电信号后被数据采集卡17(在本实施例中为A/D转换器)采集并将模拟信号转换成数 字信号输入到计算机处理器18内。把一个周期内输入到计算机处理器中所有时刻的电信 号的强度按时间顺序显示，则可以得到光纤布拉格光纤光栅传感器的反射谱，因为电信号 的强度对应光的强度，时刻对应光的波长。 在测试啁啾光纤光栅传感器时，传感器的一端接在仪器的啁啾光纤光栅传感器测 试端口10。啁啾光纤光栅的作用是将入射到光栅中的某些特定波长的光反射回去使其不再 向前传输，如果一宽带光入射长周期光纤光栅中，则波长处于光栅反射带宽内的光被反射， 其他波长的光可通过光栅继续向前传输，将光栅反射的所有光的强度按波长顺序显示就形 成光栅的反射谱。 一般来说，与光纤布拉格光栅相比，啁啾光纤光栅的反射带宽要大。传感 器测试端口 10出射的光也是带宽很窄的激光，可以近似看做单一波长的光，光的波长随时 间周期性线性逐渐增加。如果某一时刻内出射的光波长处于啁啾光纤光栅反射带宽内，则 该波长的光由于光栅的作用被反射，通过后级光纤耦合器7入射到光电探测器14，这时光 电探测器14接收到的的光强度较高。如果某一时刻内出射的光波长不在光栅反射带宽内， 则该波长的光的不受光栅的影响继续向前传输，这一时刻在光电探测器14的光强度为很 弱。光电探测器14将接受到的光信号转换为电信号后被数据采集卡17采集并将模拟信号 转换成数字信号输入到计算机处理器18内。把一个周期内输入到计算机处理器中所有时 刻的电信号的强度按时间顺序显示，则可以得到光纤啁啾光纤光栅传感器的反射谱，因为 电信号的强度对应光的强度，时刻对应光的波长。 在测试长周期光纤光栅传感器特性时，传感器的一端接在仪器的长周期光纤光栅 传感器测试端光输出口 ll，另一端接在仪器的长周期光纤光栅传感器测试端光输入口 12。 长周期光纤光栅的作用是将入射到光栅中的某些特定波长的光从光纤纤芯耦合到光纤包 层从而损耗掉不再向前传输，如果一宽带光入射长周期光纤光栅中，则波长处于光栅作用 带宽内的光被损耗，其他波长的光可通过光栅继续向前传输，在光栅后将所有光的强度按 波长顺序显示就形成光栅的透射谱。传感器测试端口 11出射的光是带宽很窄的激光，可以 近似看做单一波长的光，光的波长随时间周期性线性逐渐增加。如果某一时刻内出射的光 波长处于长周期光纤光栅作用带宽内，则该波长的光的由于光栅的作用被损耗，在这一时 刻由端口 12入射到光电探测器16的光强度跟端口 11出射时的光强相比很弱。如果某一 时刻内出射的光波长不在长周期光纤光栅作用带宽内，则该波长的光的不受光栅的影响继续向前传输，在这一时刻由端口 12入射到光电探测器16的光强度较强，跟端口 11出射时 的光强相近。光电探测器16将接受到的光信号转换为电信号后被数据采集卡17采集并 将模拟信号转换成数字信号输入到计算机处理器18中，把一个周期内输入到计算机处理 器中所有时刻的电信号的强度按时间顺序显示，则可以得到长周期光纤光栅传感器的透射 谱，因为电信号的强度对应光的强度，时刻对应光的波长。经测试得到了光纤光栅传感器的 透射谱或反射谱后，就可以得出光纤光栅传感器的特性参数为中心波长和带宽。对于光纤 布拉格光纤光栅或啁啾光纤光栅传感器，在其反射谱中光强度值处于最高点和最低点中间 的两点的波长差就是传感器的反射带宽，处于这两点中心的点对应的波长就是传感器的中 心波长。对于长周期光纤光栅传感器，在其透射谱中光强度值处于最高点和最低点中间的 两点的波长差就是传感器的透射带宽，处于这两点中心的点对应的波长就是传感器的中心 波长。这样，就测试到了光纤布拉格光纤光栅、啁啾光纤光栅光栅和长周期光纤光栅传感器 的的中心波长和带宽，显示在解调仪的显示器19上，测试的频率与可调光纤激光器扫描的 频率相同。 一般而言，光纤布拉格光栅传感器和长周期光纤光栅传感器是基于光栅的中心 波长随被测物理量变化的机理来设计的，啁啾光纤光栅传感器是基于光栅的反射带宽随被 测物理量变化的机理来设计的。在测试得到了光栅的中心波长或带宽后，就可以传感器中 光纤光栅特性参数与被测物理量的关系，计算出被测物理量的值。 图2是本实用新型的多光纤光栅传感器解调仪中可调光纤激光器一实施例的结 构示意图。如图2所示，在本实施例中，所述激光光源1为可调光纤激光器。所述可调光纤 激光器1包括泵浦激光器20，波分复用器21，掺铒光纤22，光纤耦合器23，带有驱动器27 的窄带可调光纤滤波器24，前、后端光隔离器25、26 ;由泵浦激光器20发射的激光束经过波 分复用器21进入掺铒光纤22，掺铒光纤22产生的宽带自发辐射光经波分复用器21和光 纤耦合器23进入窄带可调光纤滤波器24，通过窄带可调光纤滤波器24的窄带光经过前端 光隔离器25后再次进入掺铒光纤22，出射为光纤激光器的激励光，最后从后端光隔离器26 输出窄带激光光束。 如图2的结构，由掺铒光纤22产生的宽带自发辐射光经波分复用器21和光纤耦 合器23进入窄带可调光纤滤波器24，在窄带可调滤波器通带带宽内的窄带光通过该滤波 器24向前传输，其他的光均被损耗掉。通过滤波器24的窄带光经前端光隔离器25再次进 入掺铒光纤，成为了光纤激光器的激励光。这样，由激励光、泵浦激光和有源物质掺铒光纤 就构成了可调光纤激光器。由可调光纤激光器发出的是高能量密度的窄带光，光的波长与 激励光的波长相同，即与窄带可调滤波器的通带波长相同。光纤激光器发出的激光大部分 经光纤耦合器23、后端光隔离器26输出，小部分再由窄带可调光纤滤波器、光隔离器和波 分复用器回到掺铒光纤作为激励光。通过光纤滤波器驱动器27可以调节窄带可调光纤滤 波器24的通带波长，从而调节光纤激光器的输出波长，形成波长可调的光纤激光器。可调 光纤激光器发出激光的波长随时间由设定的短波长逐渐线性增加到设定的长波长，然后再 由设定的长波长回到设定的短波长，如此周期性循环扫描。这里称设定的短波长为激光器 扫描的初始波长，设定的长波长为激光器扫描的截止波长，扫描的周期就是解调仪测量的 频率。 图3是本实用新型的多光纤光栅传感器解调仪中光波长判定器一实施例的结构 示意图。如图3所示，所述波长判定器3包括第一、第二光纤耦合器28、31，短波光纤滤波器29和长波光纤滤波器30 ;光束从第一光纤耦合器28射出，经过短波光纤滤波器29或长波 光纤滤波器30滤波后通过第二光纤耦合器31射出。 如图3所示，通带中心波长为长波长的为长波光纤滤波器30 ;通带中心波长为短 波长的为短波光纤滤波器29。无论是短波光纤滤波器29的通带中心波长A s和长波光纤滤 波器30的通带中心波长A,均处于可调光纤激光器扫描的光波长范围内，并且分别靠近激 光器扫描波长的初始波长和截止波长。在本实施例中，通带中心长波长A ^为1560-1568nm ; 通带中心短波长入5为1522-1530nm。如果可调光纤激光器发出光通过第一光纤耦合器28 后同时进入短波光纤滤波器29或长波光纤滤波器30，如果光的波长不在两个滤波器的通 带带宽内，那么光不能通过滤波器，第二光纤耦合器31就没有光输出。如果光的波长在短 波光纤滤波器29的通带带宽内，那么光可以通过短波光纤滤波器29，并由第二光纤耦合器 31输出。如果光的波长在长波光纤滤波器30的通带带宽内，那么光可以通过长波光纤滤 波器30，并由第二光纤耦合器31输出。由光波长判定器输出的光被光电探测器15转换为 电信号后被数据采集卡17采集经模拟信号转换成数字信号到计算机处理器18中，计算机 处理器根据这一信号来判定可调光纤激光器在每一时刻发出光的波长。这里把可调光纤激 光器发出激光通过短波光纤滤波器29后被计算机处理器通过采集卡得到的时刻标记为^， 通过长波光纤滤波器30并被计算机处理器得到的时刻标记为、。则在ts和、之间的时刻 t，可调光纤激光器发出的波长A为
^一 ^ 义-义s+(,-f》/ s
L S 0 图4是本实用新型的光纤光栅传感器解调仪在应用于测试光纤光栅传感器特性
测试一实施例的连接示意图。如图4所示，在传感器测试端口 9上以光束连接着光纤布拉
格光栅传感器32、光纤布拉格光栅传感器33、光纤布拉格光栅传感器34等；在传感器测试
端口 10上以光束连接着啁啾光纤光栅传感器35、啁啾光纤光栅传感器36、啁啾光纤光栅传
感器37等；传感器测试端口 11、12以光束连接着长周期光纤光栅传感器38、长周期光纤光
栅传感器39、长周期光纤光栅传感器40等。由图4可看出，本实用新型内的一个传感器测
试端口可同时串联测量多个同一种的光栅传感器，在同一台传感器解调仪上可以同时测量
多个的光纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器。 总之，本实用新型所提供的基于可调光纤激光器的多光纤光栅传感器解调仪实现
可同时对长周期光纤光栅传感器、光纤布拉格光栅传感器和啁啾光纤光栅传感器的特性进
行动态测量、解调的功能，为光纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光
栅传感器提供了一种高性能的新型解调仪。
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权利要求一种多光纤光栅传感器解调仪，包括激光光源，与激光光源光束输出端以光束连接的前级光纤耦合器，分别与前级光纤耦合器光束输出端以光束连接的光隔离器和光电探测器，与光电探测器电连接的数据采集卡，与数据采集卡输出端相连接的计算机处理器，与计算机处理器输出端相连接的显示器，与光隔离器光束输出端以光束连接的后级光纤耦合器以及传感器测试端口，其特征在于包括置于前级光纤耦合器与光电探测器之间的光路上的波长判定器，所述激光光源为可调光纤激光器，所述光电探测器至少有4个，所述后级光纤耦合器至少有4个，所述传感器测试端口至少有4个。
2. 根据权利要求1所述的多光纤光栅传感器解调仪，其特征在于所述传感器测试端口 包括光纤布拉格光栅传感器测试端口 、啁啾光纤光栅传感器测试端口和长周期光纤光栅传 感器测试端口。
3. 根据权利要求1所述的多光纤光栅传感器解调仪，其特征在于所述波长判定器包括 第一、第二光纤耦合器，短波光纤滤波器和长波光纤滤波器；光束从第一光纤耦合器射出， 经过短波光纤滤波器或长波光纤滤波器滤波后通过第二光纤耦合器射出。
4. 根据权利要求1所述的多光纤光栅传感器解调仪，其特征在于所述可调光纤激光器 包括泵浦激光器，波分复用器，掺铒光纤，光纤耦合器，带有驱动器的窄带可调光纤滤波器， 前、后端光隔离器；由泵浦激光器发射的激光束经过波分复用器进入掺铒光纤，掺铒光纤 产生的宽带自发辐射光经波分复用器和光纤耦合器进入窄带可调光纤滤波器，通过窄带可 调光纤滤波器的窄带光经过前端光隔离器后再次进入掺铒光纤，出射为光纤激光器的激励 光，最后从后端光隔离器输出窄带激光光束。
专利摘要一种多光纤光栅传感器解调仪，包括可调光纤激光器，波长判定器，前级光纤耦合，光隔离器，至少4个光电探测器，至少4个后级光纤耦合器，至少4个传感器测试端口，数据采集卡，计算机处理器和显示器。传感器测试端口中包括光纤布拉格光栅传感器测试端口，啁啾光纤光栅传感器测试端口和长周期光纤光栅传感器测试端口。在同一台传感器解调仪上可以同时测量多个的光纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器。
文档编号G01D18/00GK201463922SQ20092007829
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者韦占雄 申请人:韦占雄