专利名称：一种fbg传感器的解调方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种FBG传感器的解调方法及装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
光纤光栅传感器可靠性高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀。特别的，其波长编码特性以及单光纤上的准分布式测量优点是其它传感器所无法比拟，具有广阔的应用前景。但目前限制光纤光栅传感器大规模实际应用的最主要障碍之一是对光纤光栅传感器波长信号的解调。经历二十多年的发展，光纤光栅传感领域出现多种光纤光栅解调技术。典型解调技术包括光谱仪检测法、匹配光栅解调法、非平衡马赫一曾德尔干涉法、可调谐F-P滤波解调法和可调谐窄带激光解调法等。众多解调技术中，系统结构各异，性能不一，但从信噪比、 分辨率、光谱范围、解调速度和容量等方面综合比较，惟有可调谐窄带激光解调法具备显著优势，工程实用性强。现有大范围可调谐窄带激光器包含核心部件可调谐F-P滤波器。可调谐F-P滤波器由于器件本身制造工艺的限制，在反复扫描时，受电磁感应和电荷迟滞等的影响，不可能每次扫描都精确重合，由此产生的系统误差严重降低整个解调系统的检测精度。另外，可调谐F-P滤波器的压电陶瓷容易受到外界环境温度和使用时间的影响发生偏移，这也会对系统的检测精度造成不利影响。为了避免这种情况，需要一个不受环境温度、应力等外界条件影响的精确参考光栅，对可调谐F-P滤波器的扫描波长进行校准，保证解调系统对待测传感光栅的检测精度。通过波长校准，可精确确定解调系统的解调精度和测量范围。参考光栅在扫描周期内的位置固定不变，将待测传感光栅在扫描周期的位置与之相对比，即可通过计算获得该待测传感光栅的反射光波的中心波长，实现精确检测。理想情况下，解调系统使用的参考光栅为两个。根据待测传感光栅的波长分布情况，选取其光谱范围两端为参考光栅的中心波长，并且使参考光栅保持恒定的环境温度和无应变，确保参考光栅的中心波长不发生漂移。将参考光栅的中心波长与系统的扫描电压进行线性拟合使中心波长的位置与扫描电压一一对应，根据电压值可计算出此时测得的待测传感光栅的中心波长。但实际上，中心波长的位置和扫描电压并不是简单的线性关系，采用两个参考光栅方法的误差仍较大。为了进一步提高解调系统的检测精度，可以将参考光栅的数目从两个增加到五个、九个乃至更多的参考光栅，即梳状滤波器。尽管从理论上来讲参考光栅的数目越多，将扫描电压划分的区间越多，参考光栅波长与扫描电压的拟合关系式越接近实际，检测精度越高。但是实际操作中使用更多参考光栅时，参考光栅需要被串联并进行恒温和无应变封装，大大增加了复杂程度。因此，不可能为了提高测量精度而无限制地增加参考光栅的数目。一个可行的解决方法是采用基于F-P滤波器的光纤梳状滤波器，避免多个独立参考光栅串联和封装的复杂性，如文献《高速大容量光纤光栅解调仪的研究》(光学学报，2012年第32卷第3期)所述。梳状滤波器，即光谱形状像梳子一样的滤波器，其种类颇多。常见梳状滤波器主要有马赫一曾德尔干涉仪梳状滤波器、F-P干涉仪梳状滤波器和光纤光栅梳状滤波器。马赫一曾德尔干涉仪梳状滤波器虽然结构简单，成本低廉，但其温漂系数较大，插入损耗大，一般不作为光纤光栅解调仪的波长参考器件。由于F-P干涉仪的梳状滤波器技术成熟，商用程度高，在光纤光栅解调仪中得到广泛应用。F-P滤波器由平行放置的两块平板P1、P2组成，在两平板相对的面上镀有高反射率的膜。通常将两平板间距离固定的F-P滤波器称为F-P标准具。但是，F-P干涉仪的梳状滤波器的精密程度高，制作过程较为复杂，同样需要使用恒温电路使其保持恒温，否则作为波长参考器件时将严重降低了解调仪的测量精度。光纤光栅技术发展至今已有三十年，技术成熟，可靠性高。米用光纤光栅技术同样可以制作出多种梳状滤波器，且具有结构紧凑，谱形可定制，灵活性大，制作相对简单等优点。文献《光纤光栅梳状滤波器及其在新型可选波长激光器中的应用》(光学学报，2004年第24卷第6期)报导了一种基于光纤光栅的梳状滤波器，具有八个反射谱，反射率一致性 好。因此，通过改进基于光纤光栅技术的梳状滤波器的制作工艺，可为光纤光栅解调仪提供具备良好波长参考能力的高性能光纤光栅梳状滤波器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种FBG传感器的解调方法及装置。它可以提高FBG传感器的解调精度，且可以降低FBG传感器的解调装置的制作难度。本发明的技术方案一种FBG传感器的解调方法，其特点是，包括使用计算机控制波长扫描激光器产生波长连续变化的窄带扫描激光，再通过对波长扫描激光器产生的窄带扫描激光进行分束，分束后的窄带扫描激光分别经光纤耦合器进入待测的FBG传感器和带温度补偿封装(包括但不限于双金属材料机械结构补偿和恒温装置补偿)的反射式FBG梳状滤波器后，产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器反射谱各个峰的波长，并以这个波长对FBG传感器的反射谱进行标定，计算出FBG传感器的绝对波长值。上述的FBG传感器的解调方法，还包括再多分一路波长扫描激光器产生的窄带扫描激光，这路窄带扫描激光经光纤耦合器进入参考FBG，或直接将参考FBG与反射式FBG梳状滤波器串联，参考FBG产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出参考FBG反射谱各个峰的波长，根据反射式FBG梳状滤波器带温度补偿封装后与参考FBG温度灵敏度不同，选取反射式FBG梳状滤波器某一反射峰作为基准，当波长扫描激光器连续扫描时，计算出该反射峰基准与参考FBG反射峰之间波长差Λ λ，即记录下激光扫描到参考FBG反射峰时刻反射式FBG梳状滤波器被扫描到的波长位置，及激光扫描到反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰时刻的波长位置，两者之差即为Λ λ (由于反射式FBG梳状滤波器与参考FBG的温度灵敏度不同，差距明显，因此，不同温度下两者的Λ λ不一样，如图4的Λ入 和Λ λΤ2所示)；通过FBG梳状滤波器的标尺功能，测量出不同温度下的反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰与参考FBG的Λ λ，得出Λ λ与当前温度的一次线性函数，在实际解调过程中，根据得到的当前Λ λ值，即可反推出当前的温度，继而根据反射式FBG梳状滤波器的温度响应曲线得出当前该温度下反射式FBG梳状滤波器的精确波长，从而实现对反射式FBG梳状滤波器的实时精确温度补偿。前述的FBG传感器的解调方法中，所述反射式FBG梳状滤波器为通过光纤光栅技术在同一根光纤内设置多个周期不同的FBG，其反射谱呈梳状光谱。反射式FBG梳状滤波器的制作方法可以是重叠写入光栅法、振幅采样光栅法和相位采样光栅法等。重叠写入光栅法是利用通用光纤光栅制作技术(掩模板法、双光束干涉法)在光纤的同一段区域内写入多个不同周期的光栅，以获得反射谱具有多个波长的梳状光谱的光纤光栅器件，该器件即可作为反射式FBG梳状滤波器。振幅采样光栅法和相位采样光栅法是利用通用光纤光栅制作技术，在制作光栅时使光栅的振幅或相位沿着长度方向产生周期性的折射率分布，其反射谱轮廓可看作是折射率分布函数的傅立叶变换，反射光谱呈现梳状光谱，则该光栅可作为反射式FBG梳状滤波器。
前述的FBG传感器的解调方法中，将所述反射式FBG梳状滤波器替换为透射式LPG(长周期光纤光栅)梳状滤波器，透射式LPG梳状滤波器产生的透射谱直接进入光电探测器；或者替换为串联式FBG梳状滤波器，且温度补偿封装转移到参考FBG上。在原理上对反射式FBG梳状滤波器或参考FBG进行温度补偿封装均可，但由于串联式FBG梳状滤波器，串联后难以实现温度补偿封装，所以只能对参考FBG进行温度补偿封装。前述的FBG传感器的解调方法中，所述透射式LPG梳状滤波器为通过光纤光栅技术在同一根光纤内设置两个相距几毫米至几厘米的透射率约50%的LPG，其透射谱呈梳状光谱。前述的FBG传感器的解调方法中，其特征在于所述串联式FBG梳状滤波器由两个以上的反射式FBG梳状滤波器的串联扩展而成。实现前述方法的一种FBG传感器的解调装置，其特点是包括波长扫描激光器，波长扫描激光器的激光出射端连接有功率分束器，功率分束器分出的多路通道分别经过50:50光纤耦合器与带温度补偿的反射式FBG梳状滤波器、参考FBG和待测FBG传感器相连，或者反射式FBG梳状滤波器和参考FBG串联，共用功率分束器分出的一路通道，反射式FBG梳状滤波器、参考FBG和待测FBG传感器的反射端通过光电探测器和放大电路与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连，且数据采集卡与波长扫描激光器的输入端相连。前述的FBG传感器的解调装置中，所述反射式FBG梳状滤波器替换为透射式LPG梳状滤波器，透射式LPG梳状滤波器的投射端与光电探测器相连。使用透射式LPG梳状滤波器时，不采用透射式LPG梳状滤波器和参考FBG串联的方法。前述的FBG传感器的解调装置中，所述反射式FBG梳状滤波器扩展为两个以上的反射式FBG梳状滤波器串联的串联式FBG梳状滤波器，且串联式FBG梳状滤波器无温度补偿封装，参考FBG带温度补偿封装。与现有技术相比，本发明通过采用光纤光栅制作的梳状滤波器(包扩反射式FBG梳状滤波器、透射式LPG梳状滤波器及串联式FBG梳状滤波器)，可以减小梳状滤波器的插入损耗，提高参考波长的信噪比；而且采用光纤光栅制作梳状滤波器，技术成熟，工艺可靠，降低梳状滤波器的制作难度，提高梳状滤波器的谱形定制能力；基于光纤光栅的光谱锁定技术，可提高FBG传感器解调仪的测量精度，同时使得解调装置在不同波长范围内实现高精度成为可能。本发明还利用带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器和参考FBG来计算不同温度下反射式FBG梳状滤波器的绝对参考波长的方法，即对状滤波器实现精确温度补偿，进一步提高FBG传感器的解调装置的测量精度。
图I是本发明实施例I基于反射式FBG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置结构示意图；图2是实施例I的反射式FBG梳状滤波器的结构示意图；图3是实施例I的反射式FBG梳状滤波器的反射光谱模拟图；图4是实施例I中反射式FBG梳状滤波器和参考FBG的温度响应示意图； 图5是实施例2基于透射式LPG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置结构示意图；图6是实施例2的透射式LPG梳状滤波器的结构示意图；图7是实施例2的透射式LPG梳状滤波器的透射光谱模拟图；图8是实施例3基于串联式FBG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。实施例。一种FBG传感器的解调方法包括使用计算机控制波长扫描激光器产生波长连续变化的窄带扫描激光，再通过对波长扫描激光器产生的窄带扫描激光进行分束，分束后的窄带扫描激光分别经光纤耦合器进入待测的FBG传感器和带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器后，产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器反射谱各个峰的波长，并以这个波长对FBG传感器的反射谱进行标定，计算出FBG传感器的绝对波长值。还包括再多分一路波长扫描激光器产生的窄带扫描激光，这路窄带扫描激光经光纤耦合器进入参考FBG，产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出参考FBG反射谱各个峰的波长，根据反射式FBG梳状滤波器带温度补偿封装后与参考FBG温度灵敏度不同，选取反射式FBG梳状滤波器某一反射峰作为基准，当波长扫描激光器连续扫描时，计算出该反射峰基准与参考FBG反射峰之间波长差Λ λ，即记录下激光扫描到参考FBG反射峰时刻反射式FBG梳状滤波器被扫描到的波长位置，及激光扫描到反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰时刻的波长位置，两者之差即为△ λ ;通过FBG梳状滤波器的标尺功能，测量出不同温度下的反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰与参考FBG的Λ λ，得出Λ λ与当前温度的一次线性函数，在实际解调过程中，根据得到的当前Λ λ值，即可反推出当前的温度，继而根据反射式FBG梳状滤波器的温度响应曲线得出当前该温度下反射式FBG梳状滤波器的精确波长，从而实现对反射式FBG梳状滤波器的实时精确温度补偿。所述反射式FBG梳状滤波器为通过光纤光栅技术在同一根光纤内设置多个周期不同的FBG，其反射谱呈梳状光谱。可以将所述反射式FBG梳状滤波器替换为透射式LPG梳状滤波器，透射式LPG梳状滤波器产生的透射谱直接进入光电探测器；或者替换为串联式FBG梳状滤波器，且温度补偿封装转移到参考FBG上。所述透射式LPG梳状滤波器为通过光纤光栅技术在同一根光纤内设置两个相距几毫米至几厘米的LPG，其透射谱呈梳状光谱。所述串联式FBG梳状滤波器由两个以上的反射式FBG梳状滤波器的串联扩展而成。实现上述方法的一种FBG传感器的解调装置，包括波长扫描激光器，波长扫描激光器的激光出射端连接有功率分束器，功率分束器分出的多路通道分别经过50:50光纤耦合器与带温度补偿的反射式FBG梳状滤波器、参考FBG和待测FBG传感器相连，反射式FBG梳状滤波器、参考FBG和待测FBG传感器的反射端通过光电探测器和放大电路与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连，且数据采集卡与波长扫描激光器的输入端相连。所述反射式FBG梳状滤波器可以替换为透射式LPG梳状滤波器，透射式LPG梳状滤波器的投射端与光电探测器相连。所述反射式FBG梳状滤波器可以扩展为两个以上的反射式FBG梳状滤波器串联的串联式FBG梳状滤波器，且串联式FBG梳状滤波器无温度补偿封装，参考FBG带温度补偿封装。
器的解调装置结构示意图，包括波长扫描激光器1-1，I XN功率分束器1-2，N路50:50光纤耦合器1-3，带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4，参考FBG 1-5, (N-1)路传感通道上的FBG传感器1-6，N路光电探测器(PD) 1-7，放大电器1_8、数据采集卡1_9、和计算机1-10。每个器件的主要特征和FBG传感器的解调装置的工作原理如下所述的波长扫描激光器1-1为光纤激光器，采用环行腔结构，产生窄带激光信号。优选地，光纤激光器的增益器件选用掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(S0A)，波长扫描器件选用F-P可调谐滤波器，由数据采集卡1-9的D/A通道提供的外部电信号驱动，实现大范围波长扫描，最大范围可覆盖C+L波段。波长扫描激光器的内部在输出端前装光隔离器，防止激光器被外部光信号损坏。所述I XN功率分束器1-2采用光纤功率分束器，将波长扫描激光器1-1输入的光功率N等分后，分别输出至N路50:50光纤耦合器1-3。根据实际工作需要，光纤功率分束器的输出路数N—般可选用4，8，16等(N的选择由产品要求和通用器件参数决定)。所述每路50:50光纤耦合器1-3的输入端连接对应的IXN功率分束器的每路输出端。光纤耦合器1-3的输出端连接分别连接带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4，参考FBG 1-5和多路FBG传感器1-6。各个FBG器件的反射信号经每个50:50光纤耦合器1-3分别进入N路PD 1-7里。所述带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4是指采用光纤光栅技术在光纤上制作一个特征为反射光谱为梳状光谱的光纤器件，且通过温度补偿封装方法使反射式FBG梳状滤波器的波长对外界温度变化的敏感程度大大降低，并作为波长标准器件，为FBG解调装置提供波长标定功能。图2提供一个基于振幅采样或重叠光栅法制作的反射式FBG梳状滤波器的结构示意图，其反射光谱模拟图如图3所示，中心波长1536nm 1562nm，具有16个反射峰，间距I. 6 nm。但反射式FBG梳状滤波器的反射光谱不限于图3所示的例子，反射光谱范围可以根据所需解调装置的工作波长范围和光纤光栅制作技术的特点进行确定。所述的用来制作反射式FBG梳状滤波器的光纤光栅技术，包括但不限于重叠写入光栅法、振幅采样光栅法和相位采样光栅法等。重叠写入光栅法是利用通用光纤光栅制作技术(掩模板法、双光束干涉法)在光纤的同一段区域内写入多个不同周期的光栅，以获得反射谱具有多个波长的梳状光谱的光纤光栅器件，该器件即可作为反射式FBG梳状滤波器。振幅采样光栅法和相位采样光栅法是利用通用光纤光栅制作技术，在制作光栅时使光栅的振幅或相位沿着长度方向产生周期性的折射率分布，其反射谱轮廓可看作是折射率分布函数的傅立叶变换，反射光谱呈现梳状光谱，则该光栅可作为反射式FBG梳状滤波器。所述的温度补偿封装方法，包括但不限于双金属材料机械结构补偿和恒温装置补偿。所述参考FBG 1-5是用于监测解调装置环境温度，为解调装置排除温度影响计算FBG传感器的精确波长提供参考。参考FBG 1-5与带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4的光谱不重叠，存在一定的波长间 隔。所述ro 1-7和放大电路1-8将带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1_4，参考FBG 1-5和多路FBG传感器1_6反射回的光信号转变成电信号，经放大后送至数据采集卡1-9的输入端。所述数据采集卡1-9具有N路A/D转换通道，将带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4。参考FBG 1-5和多路FBG传感器1_6的信号转换成数字信号后发送至计算机 1-10。在计算机1-10的控制下，每个周期内计算机1-10产生的波长扫描激光器的驱动信号发送到数据采集卡1-9，经数据采集卡1-9的D/A通道送至波长扫描激光器1-1，产生波长连续变化的窄带扫描激光。扫描激光经功率分束器1-2和光纤耦合器1-3后分别进入带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4，参考FBG 1-5和多路FBG传感器1_6，产生的反射光谱重新经光纤耦合器1-3进入H) 1-7转换成电信号并被放大电路1-8放大。经数据采集卡1-9采集后传送至计算机1-10上生成各个器件的光谱。通过寻峰算法，计算出带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4的梳状反射光谱和参考FBG 1-5的反射光谱各个峰的波长值，并利用梳状反射光谱和参考FBG反射光谱对多路FBG传感器1-6的反射谱进行标定，计算出FBG传感器的绝对波长值。本发明提出的反射式FBG梳状滤波器基于光纤材料，同样对温度敏感，具有与普通FBG —样的温度灵敏度。在本实施例中，带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器1-4虽然具备很低的温度灵敏度，但实际上很难通过温度补偿封装保证其温度灵敏度为零，即对温度完全不敏感。因此在解调仪波长标定的计算过程中难免会引入误差。为了提高解调仪波长标定的精度，提出一种利用带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器和参考FBG来计算不同温度下反射式FBG梳状滤波器的绝对参考波长的方法，即对反射式FBG梳状滤波器实现精确温度补偿。如图4所示，为反射式FBG梳状滤波器和参考FBG的温度响应示意图，其中带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器的温度灵敏度为未经温度补偿封装的参考FBG的N分之一。由于反射式FBG梳状滤波器的反射峰之间的间隔不随温度变化，如图3所示，具有标尺功能。选取反射式FBG梳状滤波器某一反射峰作为基准，当波长扫描激光器连续扫描时，计算出该反射峰基准与参考FBG反射峰之间波长差Δ λ，即记录下激光扫描到参考FBG反射峰时刻反射式FBG梳状滤波器被扫描到的波长位置，及激光扫描到反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰时刻的波长位置，两者之差即为Δ λ。由于反射式FBG梳状滤波器与参考FBG的温度灵敏度不同，差距明显，因此，不同温度下两者的Λ λ不一样，如图4的Λ入 和Λ λΤ2所示。通过FBG梳状滤波器的标尺功能，测量出不同温度下的反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰与参考FBG的Λ λ。由于Δ λ是当前温度的一次线性函数，即可反推出当前的温度，继而根据反射式FBG梳状滤波器的温度响应曲线计算出当前该温度下反射式FBG梳状滤波器的精确波长，从而实现对反射式FBG梳状滤波器的实时精确温度补偿。实施例2。如图5所示，为本发明提出的基于透射式LPG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置结构示意图，包括波长扫描激光器5-1，I XN功率分束器5-2，(N-I)路50:50光纤耦合器5-3，透射式LPG梳状滤波器5-4，带温度补偿封装的参考FBG 5-5, (Ν-2)路传感通道上的FBG传感器5-6，N路光电探测器(PD) 5_7，数据采集卡5_8、放大电器5_9和计算机5-10。每个器件的主要特征和FBG传感器的解调装置的工作原理如下所述的波长扫描激光器5-1为光纤激光器,米用环行腔结构,产生窄带激光信号。优选地，光纤激光器的增益器件选用掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(S0A)，波长扫描器件选用F-P可调谐滤波器，由数据采集卡5-8的D/A通道提供的外部电信号驱动，实现大范围波长扫描，最大范围可覆盖C+L波段。波长扫描激光器的内部在输出端前装光 隔离器，防止激光器被外部光信号损坏。所述I XN功率分束器5-2采用光纤功率分束器，将波长扫描激光器5_1输入的光功率N等分后，分别输出至(N-I)路50:50光纤耦合器5-3和透射式LPG梳状滤波器5_4。透射式LPG梳状滤波器5-4的输出端直接连接H) 5-7。根据实际工作需要，光纤功率分束器的输出路数N —般可选用4，8，16等。所述每路50:50光纤耦合器5-3的输入端连接对应的IXN功率分束器的每路输出端。光纤耦合器5-3的输出端分别连接带温度补偿封装的参考FBG 5-5和多路FBG传感器5-6。FBG器件的反射信号重新经每个50: 50光纤耦合器5-3分别进入(N-I)路H) 5-7里。所述透射式LPG梳状滤波器5-4是指采用光纤光栅技术在光纤上制作一个特征为透射光谱为梳状光谱的光纤器件，为FBG解调装置提供波长标定功能。图6提供一个基于逐点写入光栅法制作的透射式LPG梳状滤波器的结构示意图，两个LPG串联在一起构成马赫一曾德尔干涉仪，其透射光谱模拟图如图7所示，中心波长覆盖1510nm 1590nm，具有32个透射峰，间距2. 8 nm。但透射式LPG梳状滤波器的透射光谱不限于图7所示的例子，透射光谱范围可以根据所需解调装置的工作波长范围和光纤光栅制作技术的特点进行确定。所述的用来制作透射式LPG梳状滤波器的光纤光栅技术，包括但不限于逐点写入光栅法和振幅掩模板法等。逐点写入光栅法是将准分子紫外激光聚焦至尺寸为几十至几百微米的光斑后直接照射到光纤上进行曝光，并通过高精度直线电机控制每一点的曝光时间和曝光周期，形成LPG。利用逐点写入光栅法在同一根光纤制作两个相距几毫米至几厘米的LPG，则该两LPG构成的器件为马赫一曾德尔干涉仪，其透射光谱为梳状光谱，即该器件可作为透射式LPG梳状滤波器。逐点写入光栅法通常在光斑后增加一个狭缝对光斑进行限制，提高光斑质量，以提高长周期光纤光栅质量。振幅掩模板法是指利用振幅掩模板直接对光纤进行紫外曝光，形成LPG。相比逐点写入光栅法，振幅掩模板法周期固定，不能随意调节长周期光纤光栅的周期。利用振幅掩模板法在同一根光纤制作两个相距几毫米至几厘米的LPG，则该两LPG构成的器件为马赫一曾德尔干涉仪，其透射光谱为梳状光谱，即该器件亦可作为透射式LPG梳状滤波器。
所述带温度补偿封装的参考FBG 5-5是指通过机械结构或恒温装置使FBG的中心波长对外界温度变化的敏感程度大大降低，并作为波长标准器件，为FBG解调装置计算FBG传感器的波长提供绝对的波长参考。所述的温度补偿封装方法，包括但不限于双金属材料机械结构补偿和恒温装置补偿。所述ro 5-7和放大电路5-8将透射式LPG梳状滤波器5_4，带温度补偿封装的参考FBG 5-5和多路FBG传感器5_6的光信号转变成电信号，经放大后送至数据采集卡5_9的输入端。 所述数据采集卡5-9具有N路A/D转换通道，将将透射式LPG梳状滤波器5_4，带温度补偿封装的参考FBG 5-5和多路FBG传感器5_6的信号转换成数字信号后发送至计算机 5-10。在计算机5-10的控制下，每个周期内计算机5-10产生的波长扫描激光器的驱动信号发送到数据采集卡5-9，经数据采集卡5-9的D/A通道送至波长扫描激光器5-1，产生波长连续变化的窄带扫描激光。扫描激光经功率分束器5-2和光纤耦合器5-3后分别进入 透射式LPG梳状滤波器5-4，带温度补偿封装的参考FBG 5_5和多路FBG传感器5_6。透射式LPG梳状滤波器5-4产生的透射谱直接进入H) 5-7转换成电信号并被放大电路5-8放大，带温度补偿封装的参考FBG 5-5和多路FBG传感器5_6产生的反射光谱重新经光纤耦合器5-3进入H) 5-7转换成电信号并被放大电路5-8放大，经数据采集卡5-9采集后传送至计算机5-10上生成各个器件的光谱。通过寻峰算法，计算出透射式LPG梳状滤波器5-4的梳状透射光谱和参考FBG 5-5的反射光谱各个峰的波长值，并利用梳状透射光谱和参考FBG反射光谱对多路FBG传感器5-6的反射谱进行标定，计算出FBG传感器的绝对波长值。实施例3。如图8所示，为本发明提出的基于串联式FBG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置结构示意图，包括波长扫描激光器8-1，I X N功率分束器8-2，N路50:50光纤耦合器8-3，串联式FBG梳状滤波器8-4，带温度补偿封装的参考FBG 8-5, (N-1)路传感通道上的FBG传感器8-6，N路光电探测器(PD) 8_7，数据采集卡8_8、放大电器8_9和计算机8-10。串联式FBG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置的主要器件特征和工作原理与实施例I中反射式FBG梳状滤波器的FBG传感器的解调装置相同。主要区别在于串联式FBG梳状滤波器8-4是由两个或两个以上的反射式FBG梳状滤波器1-4的串联扩展而成，以弥补FBG传感器的解调装置需要更大波长扫描范围而单个反射式FBG梳状滤波器不能提供足够宽的波长标定范围时的不足。例如，但FBG传感器的解调装置需要扫描1510nm 1590nm范围内的FBG传感器，而由于光栅制作技术的限制，如光栅长度限制、光敏性限制等，只能制作16通道32nm带宽的单个反射式FBG梳状滤波器，则此时需3个不同波段的反射式FBG梳状滤波器串联才能满足FBG传感器的解调装置SOnm波长扫描范围的要求。本发明的上述描述仅为示例性的属性，因此没有偏离本发明要旨的各种变形理应在本发明的范围之内。这些变形不应被视为偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种FBG传感器的解调方法，其特征在于，包括使用计算机控制波长扫描激光器产生波长连续变化的窄带扫描激光，再通过对波长扫描激光器产生的窄带扫描激光进行分束，分束后的窄带扫描激光分别经光纤耦合器进入待测的FBG传感器和带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器后，产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器反射谱各个峰的波长，并以这个波长对FBG传感器的反射谱进行标定，计算出FBG传感器的绝对波长值。
2.根据权利要求I所述的FBG传感器的解调方法，其特征在于还包括再多分一路波长扫描激光器产生的窄带扫描激光，这路窄带扫描激光经光纤耦合器进入参考FBG，或直接将参考FBG与反射式FBG梳状滤波器串联，参考FBG产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出参考FBG反射谱各个峰的波长，根据反射式FBG梳状滤波器带温度补偿封装后与参考FBG温度灵敏度不同，选取反射式FBG梳状滤波器某一反射峰作为基准，当波长扫描激光器连续扫描时，计算出该反射峰基准与参考FBG反射峰之间波长差Λ λ，即记录下激光扫描到参考FBG反射峰时刻反射式FBG梳状滤波器被扫描到的波长位置，及激光扫描到反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰时刻的波长位置，两者之差即为Λλ ;通过FBG梳状滤波器的标尺功能，测量出不同温度下的反射式FBG梳状滤波器某一基准反射峰与参考FBG的△ λ，得出Δ λ与当前温度的一次线性函数，在实际解调过程中，根据得到的当前Λ λ值，即可反推出当前的温度，继而根据反射式FBG梳状滤波器的温度响应曲线得出当前该温度下反射式FBG梳状滤波器的精确波长，从而实现对反射式FBG梳状滤波器的实时精确温度补偿。
3.根据权利要求I或2所述的FBG传感器的解调方法，其特征在于所述反射式FBG梳状滤波器为通过光纤光栅技术在同一根光纤内设置多个周期不同的FBG，其反射谱呈梳状光谱。
4.根据权利要求I或2所述的FBG传感器的解调方法，其特征在于将所述反射式FBG梳状滤波器替换为透射式LPG梳状滤波器，透射式LPG梳状滤波器产生的透射谱直接进入光电探测器；或者替换为串联式FBG梳状滤波器，且温度补偿封装转移到参考FBG上。
5.根据权利要求4所述的FBG传感器的解调方法，其特征在于所述透射式LPG梳状滤波器为通过光纤光栅技术在同一根光纤内设置两个LPG，其透射谱呈梳状光谱。
6.根据权利要求4所述的FBG传感器的解调方法，其特征在于所述串联式FBG梳状滤波器由两个以上的反射式FBG梳状滤波器的串联扩展而成。
7.实现权利要求I至6任一权利要求所述方法的一种FBG传感器的解调装置，其特征在于包括波长扫描激光器，波长扫描激光器的激光出射端连接有功率分束器，功率分束器分出的多路通道分别经过50:50光纤耦合器与带温度补偿的反射式FBG梳状滤波器、参考FBG和待测FBG传感器相连，或者反射式FBG梳状滤波器和参考FBG串联，共用功率分束器分出的一路通道，反射式FBG梳状滤波器、参考FBG和待测FBG传感器的反射端通过光电探测器和放大电路与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连，且数据采集卡与波长扫描激光器的输入端相连。
8.根据权利要求7所述的FBG传感器的解调装置，其特征在于所述反射式FBG梳状滤波器替换为透射式LPG梳状滤波器，透射式LPG梳状滤波器的投射端与光电探测器相连。
9.根据权利要求7所述的FBG传感器的解调装置，其特征在于所述反射式FBG梳状滤波器扩展为两个以上的反射式FBG梳状滤波器串联的串联式FBG梳状滤波器，且串联式FBG梳状滤波器无温度补偿封装，参考FBG带温度补偿封装。
全文摘要
本发明公开了一种FBG传感器的解调方法及装置，其方法是，使用计算机控制波长扫描激光器产生波长连续变化的窄带扫描激光，再通过对波长扫描激光器产生的窄带扫描激光进行分束，分束后的窄带扫描激光分别经光纤耦合器进入待测的FBG传感器和带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器后，产生的反射光谱重新经光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号并被放大后有计算机进行采集，计算机通过寻峰算法得出带温度补偿封装的反射式FBG梳状滤波器反射谱各个峰的波长，并以这个波长对FBG传感器的反射谱进行标定，计算出FBG传感器的绝对波长值。
文档编号G01D5/26GK102879022SQ201210362260
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者高少锐, 张小平, 柴伊琦 申请人:杭州联光电子有限公司