专利名称：一种线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感系统，尤其涉及一种线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统。
背景技术：
光纤光栅传感器不受电磁干扰，传输信号安全，可实现非接触测量，可做成光纤传光型及传感型的各式各样的传感器，它具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度，适应各种恶劣环境下使用以及非接触、非破坏和使用简便等特点。在传统FBG传感系统研究当中，通常采用宽谱光源或波长可调光纤激光器为整个系统提供光信号，然而宽谱光源存在较多缺陷，比如输出功率较低。由于输出的功率较低导致FBG在进行远距离传感时信噪比较低，可探测功率不高，从而造成高功耗；在用波长可调激光器对FBG进行扫描时，又因FBG反射谱带宽较宽，顶部较平坦，而不易于精准确定FBG 中心波长所处的位置。目前，基于以上所述的缺陷，人们逐渐将目光转向光纤激光器。但是， 现有的这类传感系统研究全部集中于单个光栅的传感，无法实现对腔内多个FBG的阵列传感。且这些方案结构及原理复杂，不能够体现FBG准分布式的特点，不利于分布式传感的设计。单个光栅传感没有将温度补偿的因素考虑在内，传感精度受到严重影响。对于两个或两个以上FBG的基于光纤激光器的传感系统的研究，未获得较高的信噪比，每个波长输出信噪比仅为25dB，传感系统稳定性较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是构建一种线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，克服现有技术传感系统稳定性差的技术问题。本发明的技术方案是构建一种腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，包括由多个光纤布拉格光栅串联连接构成的光纤布拉格光栅阵列、波分复用器、泵浦源、掺馆光纤、 偏振控制器、耦合器、单模光纤、1/4波片、波长解调装置，所述泵浦源连接所述波分复用器的端口 a，所述光纤布拉格光栅阵列连接所述波分复用器的端口 b，所述波分复用器的端口 c与所述掺馆光纤的一端相连，所述掺馆光纤另一端连连接所述偏振控制器的一端，所述偏振控制器的另一端连接所述耦合器的端口 C，所述耦合器的端口 a和端口 b连接所述单模光纤和所述1/4波片以构成非线性环形环境，所述耦合器的端口 d接到所述波长解调装置上， 所述光纤布拉格光栅阵列的光纤布拉格光栅受到应力或温度的作用时，所述波长解调装置解调出所述光纤布拉格光栅阵列反射中心波长的变化。本发明的进一步技术方案是所述光纤布拉格光栅阵列包括多对光纤布拉格光栅，每对光纤布拉格光栅的其中一个用于应力传感。本发明的进一步技术方案是所述光纤布拉格光栅阵列包括多对光纤布拉格光栅，每对光纤布拉格光栅的其中一个用于对传感光栅进行温度补偿。本发明的进一步技术方案是所述光纤布拉格光栅阵列中增加串联的光纤布拉格光栅。本发明的进一步技术方案是所述耦合器为能量对称的耦合器。本发明的技术效果是提供一种线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，在激光谐振腔内引入多个FBG，把激光器本身作为传感系统应用，获得了较传统方案更高的信噪比，温度传感精度和应力传感精度都较好，除此之外，系统结构简单可行，此传感方案可同时对多个光栅进行传感测量，可实现远距离传感，有利于光纤光栅的复用。
图I为本发明的结构示意图。
图2为本发明四波长激光器输出光谱。
图3为本发明激光器输出谱线随温度测量变化。
图4为本发明激光输出随温度线性变化曲线。
图5为本发明激光器输出谱线随测量应力变化。
图6为本发明激光输出波长随应力变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图I所示，本发明具体实施方式
是构建一种腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，包括:由多个光纤布拉格光栅串联连接构成的光纤布拉格光栅阵列15、波分复用器5、
泵浦源6、掺饵光纤7、偏振控制器8、耦合器9、单模光纤10、1/4波片11、波长解调装置12、 计算机13，所述泵浦源6连接所述波分复用器5的端口 a，所述光纤布拉格光栅阵列15连接所述波分复用器5的端口 b，所述波分复用器5的端口 c与所述掺饵光纤7的一端相连，所述掺饵光纤7另一端连连接所述偏振控制器8的一端，所述偏振控制器8的另一端连接所述耦合器9的端口 C，所述耦合器9的端口 a和端口 b连接所述单模光纤10和所述1/4波片11以构成非线性环形环境，所述耦合器9的端口 d接到所述波长解调装置12上，所述光纤布拉格光栅阵列15的光纤布拉格光栅受到应力或温度的作用时，所述波长解调装置12 解调出所述光纤布拉格光栅阵列反射中心波长的变化。本发明优选实施方式中，所述光纤布拉格光栅阵列I包括多对光纤布拉格光栅， 图I中，包括两对光纤布拉格光栅(2、3),每对光纤布拉格光栅的其中一个用于应力传感, 每对光纤布拉格光栅的另一个用于对传感光栅进行温度补偿。如图I所示，本发明具体实施例中，光纤激光器为线性腔结构，其中采用单向 1480nm的泵浦(Amonics ALD1480-400-B-FA)作为激励源，增益介质7采用11米长掺杂浓度为4. 0*10-4cnT3高掺杂掺铒光纤(Nufern EDFL-980-HP)，非线性光纤环镜包括一段10公里长的单模光纤10，一个四分之一波片11，和一个2X2端口 50/50的定向耦合器9组成。 单模光纤是按照一定的扭绞率绕起来的，10公里单模光纤的扭绞为3转/米。波长解调装置12为光谱仪。如图I所示，本发明具体实施过程如下采用单向1480nm的泵浦6作为激励源，然后1480/1550nm的波分复用器5将1480nm的泵浦光耦合进腔内进入掺饵光纤7中，当功率到达一定阈值后，产生粒子束反转，铒离子受激辐射由激光上能级跃迁至基态，产生受激辐射，输出波长处于1550nm左右的激光,光信号向右通过偏振控制器8,调制偏振控制器8的过程中实现控制系统输出的稳定度，光信号在通过偏振控制器8后就进入了非线性光纤环镜，光信号到达50 : 50的稱合器9后，由能量对称稱合器9的端口 c输入,稱合器9分别将50%的能量耦合进端口 a和端口 b，由端口 a进入的50%的入射光沿顺时针方向传播，由端口 c进入的50%的入射光沿逆时针方向传播。传播方向不同的两路光在非线性光纤环镜 (10，11)中传播一周后所积累的非线性偏振旋转效应不同，在能量对称型耦合器9的端口 c 和端口 d分别输出50%的激光，端口 a输出的50%的光最终由分辨率为O.Olnm的光谱仪进行解调，并利用虚拟仪器技术通过计算机13来记录光谱仪上的数据，并对记录的数据做进一步处理。与此同时，另外由端口 c输出的50%的光，通过偏振控制器8，再经过掺饵光纤7再次放大进入波分复用器5的端口 C，由波分复用器5的端口 b输出，而后经过多个中心波长不同的光纤布拉格光栅反射,此时光纤布拉格光栅作为波长选择反馈兀件对光波进行了波长选择，反射光由波分复用器5的端口 b进入，然后和泵浦光一起，由端口 c输出，传输完成全部过程，持续震荡。此过程中光纤布拉格光栅作为光纤激光器的反馈原件起到滤波的作用的同时，还作为敏感原件，如图I所不，光纤布拉格光栅对(2、3), —个光纤布拉格光栅作温度补偿用，用于消除环境影响；另一个作为传感，既可以用于传感温度，又可以用于传感应力，当其受到应力或者温度的作用时，其反射中心波长发生会微小变化，由光谱仪解调出波长的微小变化，从而实现温度或者应力传感功能。为了具体测试传感系统的性能，下面介绍利用本系统完成的实验首先选定了中心波长分别1552nm 1550nm 1548nm 1546nm的四个光纤布拉格光栅，然后首先在实验室环境下对激光输出光谱进行了监测。附图2为激光器输出的较稳定的四个波长的光谱。由图可知，通过四个FBG滤波后输出的四个波长的激光，中心波长分别为 1545. 97810nm、1548. 01425nm、1549. 87108nm 和 1552. 05601nm，所对应的单波长增益分别为-12. 076dBm、-5. 448dBm、_13. 467dBm和-5. 647dBm，可见四个波长的增益并不相同，主要原因为模式竞争较剧烈，增益低的波长的光在腔内传输损耗大于增益高的波长的光。然而， 四个波长的波峰处均较圆滑，可见非线性光纤环镜引入的强度相关损耗和强度无关损耗特性有效抑制了室温下烧孔效应。另外，四个波长的3dB带宽也均为O. Inm左右，这同样对提高系统传感精度提供了有利条件。图2中背景噪声电平约为_40dBm，则系统信噪比可由四波长分别对应的增益减去背景噪声功率得到。可知系统信噪比约为30dB，相对于传统的应用宽谱光源和可调激光器光源进行传感的方法相比，此腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统在阵列传感方面信噪比具有很大优势。在实验室环境下对激光输出的稳定性进行了监测，测得半个小时内波长的漂移状况如表I所示表I 一小时内波长漂移数据统计
权利要求
1.一种线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，其特点在于，包括由多个光纤布拉格光栅串联连接构成的光纤布拉格光栅阵列、波分复用器、泵浦源、掺饵光纤、偏振控制器、 耦合器、单模光纤、1/4波片、波长解调装置，所述泵浦源连接所述波分复用器的端口 a，所述光纤布拉格光栅阵列连接所述波分复用器的端口 b，所述波分复用器的端口 c与所述掺饵光纤的一端相连，所述掺饵光纤另一端连连接所述偏振控制器的一端，所述偏振控制器的另一端连接所述耦合器的端口 C，所述耦合器的端口 a和端口 b连接所述单模光纤和所述 1/4波片以构成非线性环形环境，所述耦合器的端口 d接到所述波长解调装置上，所述光纤布拉格光栅阵列的光纤布拉格光栅受到应力或温度的作用时，所述波长解调装置解调出所述光纤布拉格光栅阵列反射中心波长的变化。
2.根据权利要求I所述线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，其特点在于，所述光纤布拉格光栅阵列包括多对光纤布拉格光栅，每对光纤布拉格光栅的其中一个用于应力传感。
3.根据权利要求I所述线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，其特点在于，所述光纤布拉格光栅阵列包括多对光纤布拉格光栅，每对光纤布拉格光栅的其中一个用于对传感光栅进行温度补偿。
4.根据权利要求I所述线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，其特点在于，所述光纤布拉格光栅阵列中增加串联的光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求I所述线性腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，其特点在于，所述耦合器为能量对称的稱合器。
全文摘要
本发明涉及一种腔内光纤布拉格光栅阵列传感系统，在激光谐振腔内引入四个FBG，把激光器本身作为传感系统应用，较传统方案更高的信噪比，获得了较传统方案更高的信噪比，温度传感精度和应力传感精度都较好，除此之外，系统结构简单可行，此传感方案可同时对多个光栅进行传感测量，有利于光纤光栅的复用。
文档编号G01D5/26GK102589585SQ20121000863
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者丛山, 姚勇, 孙云旭, 梁影, 潘利峰 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院