基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法
【专利摘要】本发明为基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，所用系统包括可调谐激光光源、分光器、上位机、光功率计和n个光纤光栅传感器。本实时测量方法的步骤为：Ⅰ、实验取得各光纤布拉格光栅传感器中心波长与标定的待测物理量之间的线性关系式的标定参数；Ⅱ、生成n个光纤光栅传感器的参考数据表；Ⅲ、实测各个光纤光栅传感器对应测试点的物理参量。本法上位机控制激光光源先对各FBG进行参考扫描，得到各FBG的参考数据表，实测时先按表依次输出特定波长，测量反射光功率，由此根据参考数据表调整特定输出波长和计算各FBG中心波长的偏移量并进行解调。测量速度大大提高，保证测量实时性；测量精度高，可检测低至0.1pm波长偏移对应的物理量变化。
【专利说明】基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法
(一)【技术领域】
[0001]本发明涉及光电检测领域，具体为一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法。
(二)【背景技术】
[0002]光纤光栅成熟的制作方法极大地推动了光纤光栅应用技术的发展，使得光纤光栅成为最有发展前途的无源器件之一。其典型的应用是光纤光栅传感器，具有电绝缘性良好，抗电磁干扰(EMI)和抗射频干扰(RFI)能力强，化学性能稳定、耐腐蚀，体积小、重量轻，传输损耗小、容量大，结构形式灵活、灵敏度高等特性，故其构成的应力、应变、温度及振动等多参量检测的光纤光栅传感网络有突出的优势，正逐渐取代传统传感器而成为传感器家族的主力军。
[0003]光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)是利用光纤材料的光敏特性，以一定的写入技术在裸光纤的一段范围内写入具有周期性折射率的芯内体光栅，其实质作用是在纤芯内形成以共振波长为中心的窄带光学滤波器，宽带光源或可调谐光源输出光经过光栅时，光谱中以光栅的Bragg波长为中心的窄带光谱在光栅处被反射而被解调，其他大部分光将发生透射而沿原来方向传输。光纤光栅纤芯在外界温度、应力等物理量的作用下，折射率将发生改变，从而引起光栅反射光中心波长漂移。此特性即为光纤布拉格光栅传感器的工作原理，通过检测反射光波长的变化即可得出光纤光栅传感器所处环境待测物理量的变化。
[0004]目前，光纤传感器测量系统光源采用宽带激光光源或者连续可调谐激光光源。采用宽带激光光源的光纤传感器测量系统最大缺点是光源输出的光功率密度低，有效功率仅为其输出总功率的千分之一以下，因而，该系统的光纤传感器只能在近距离范围内使用，且测量点数较少。顺应光纤传感器测量系统向着波分复用和光纤传感网的方向发展趋势，光纤传感器测量系统采用可调谐激光光源，提高了功率和分辨率。但目前可调谐激光光源主要采用连续扫描方式，只有对应光纤传感器设定波长(或者频率)的部分功率得到应用，因此激光功率利用不充分，测量速度受限，其分辨率也有待提高。
(二)
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，在可调谐激光光源的光纤传感器测量系统中采用波分复用方法，提高了测量速度和分辨率。
[0006]本发明设计了基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，本方法所用的基于布拉格光纤光栅传感器测量系统包括可调谐激光光源、分光器、上位机、光功率计和η个光纤光栅传感器。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器(Fiber BraggGrating Sensor,FBG)0上位机连接控制可调谐激光光源和光功率计,可调谐激光光源连接一个3dB稱合器,激光从3dB稱合器的一个分光端口输入、到达其合路端口串接的η个光纤光栅传感器，η为I~120的整数。3dB耦合器的另一分光端口接至光功率计，用以捕获该3dB耦合器合路端串联的η个光纤光栅传感器的反射光功率，并且功率计的同步触发输入口连接可调谐激光光源的同步触发输出口，使功率计采集数据与光源波长变化同步。
[0007]每个光纤光栅传感器有一定的波长响应范围,其反射光谱在此范围内出现功率反射波峰，功率的峰值Pmax对应的波长称为中心波长λ。，也即为该光纤光栅传感器波长，功率峰值所处的波峰为主模。同时，定义与主模相邻的最高边模的波峰功率为主模底部功率Pfflin,主模波峰两侧谱线的功率Pmin处所对应的波长之差为该光纤光栅传感器反射光谱的带
见入BW。
[0008]当光纤光栅传感器周围外界环境的温度、应力等物理量发生变化时，将会使纤芯光栅的有效折射率或周期随之变化，故反射光谱在一定的范围内偏移，传感器中心波长改变，通过检测各光纤光栅传感器反射光谱的变化，即可从中解调得到外界特定物理量的变化。串联的η个光纤光栅传感器的工作波长范围无交叉重叠，即它们的反射光谱偏移范围均不相同。根据外界测试条件，划定η个光纤光栅传感器的工作波长范围,且各光纤光栅传感器的工作波长范围均属于本系统使用的可调谐激光光源所覆盖的波长范围内。
[0009]当η个光纤光栅传感器的反射光谱的带宽λ Bff相等，同时其测量物理量的动态范围也相等，即反射光谱偏移量△ λ相等，在保证各传感器反射光谱波形完整性的基础上，光纤光栅传感器的数量η满足:
[0010]η〈(λΑα-λΒΙ)/Λ λ
[0011]其中，λ -为本系统所用的可调谐激光光源的扫描波长总带宽。各个光纤光栅传感器的中心波长偏移量△ λ越大，测试的物理量的动态范围就越大，但是复用的光纤光栅传感器数量η将降低，因此应根据实际情况合理分配传感器数量和测量动态范围。
[0012]各光纤光栅传感器对与其中心波长相同的输入光的反射率为80~90%。
[0013]本发明设计的基于光纤布拉格光栅传感器测量系统实时测量方法的工作步骤如下:
[0014]1、实验取得各光纤布拉格光栅传感器中心波长与标定的待测物理量之间的线性关系式的标定参数
[0015]光纤光栅传感器的光谱偏移量与不同物理参量均视为线性关系式，但线性关系式中的斜率不同。如掺锗熔融石英光纤制成的光纤光栅传感器用于应变测量时，其光纤光栅布拉格传感器的波长漂移与轴向应变量之间的理论关系式表示为:
[0016]Δ λ =0.78 λ ε
[0017]ε是轴向应变量，在1550nm窗口中其轴向应变量响应为:1.209pm/ μ ε。
[0018]而将掺锗熔融石英光纤制成的光纤光栅传感器用于温度测量，其波长偏移与温度变化的理论关系式表示为:
[0019]Λ λ =8.85X 10-6 λ AT
[0020]Δ T是温度变化量，在1550nm窗口中其温度响应约为:10pm/°C。
[0021 ] 由于光纤布拉格光栅传感器的制作工艺和封装材料的不同,各个光纤布拉格光栅传感器与 相同的待测物理量的线性关系式中的响应参数斜率和截距也会不同。因此，需要通过实验标定各光纤布拉格光栅传感器的中心波长偏移量与待测物理量的线性关系式中的斜率和截距，才可由光纤布拉格光栅传感器的中心波长偏移解调得到被测物理量的变化。
[0022]使用标准仪器标定待测物理量至少三个不同的值，同时记录在各标定的待测物理量作用下对应的各光纤布拉格光栅传感器的中心波长，使用线性拟合方法计算待测物理量与光纤布拉格光栅传感器中心波长的线性关系式，并且记录此线性方程式的响应参数斜率和截距值。
[0023]当测量系统中使用的多个光纤布拉格光栅传感器的制作材料、工艺和封装方式均相同，可以标定其中一个光纤布拉格光栅传感器的响应参数作为测量系统中使用的各光纤布拉格光栅传感器共同的响应参数，此种情况的测量精度不高。
[0024]I1、生成η个光纤光栅传感器的参考数据表
[0025]在实时测试之前在初始状态下，使用可调谐激光光源对η个光纤光栅传感器进行波长扫描，通过光功率计测量η个串联光纤光栅传感器的反射光谱分布情况，功率单位为mw，一个波峰代表一个光纤光栅传感器。第i个光纤光栅传感器反射光谱主模峰值功率为Pimax、底部功率为Pimin，i为η个光纤光栅传感器的序号，i=0, I, 2，3，……η_1。在第i个光纤光栅传感器反射光谱主模波峰的任意一侧选取具有单调性的一段谱线作为该光纤光栅传感器的参考光谱，主模波峰左侧为单调递增，右侧则单调递减。参考光谱的上端点对应波长为λ iH、对应功率为PiH，其下端点对应波长为、对应功率为Ρα。即参考光谱上端点的 功率值PiH最大，最佳方案为选择取PiH为主模峰值功率Pimax的90~95%，参考光谱的下端点的功率的值Pa最小，最佳方案为选择取Pa为主模底部功率Pimin的105~110%。参考光谱对应的波长宽度即为Xil^P 之差的绝对值，主要由光纤光栅传感器的制作特性决定。为了方便计算，本系统各光纤光栅传感器的参考光谱均取主模波峰左侧或均取右侧，从而得到以i为序的参考数据表，包括初始状态下各个光纤光栅传感器的反射光谱参数λ iE、A1、PiH以及Pv其中Xi为参考光谱的中间波长，Xi第一次赋值为Xi=(XSUiJXill) ；λ?Ε=0.5| λ iH-AiL|D此外，还必须记录该光纤光栅传感器初始状态下反射光谱的中心波长值
入iC°
[0026]II1、实测各个光纤光栅传感器对应测试点的物理参量
[0027]按照步骤II所得参考数据表中η个光纤光栅传感器的波长λ i依次设定可调谐激光光源的输出波长，使用光功率计实时测量各光纤光栅传感器的反射光功率，记录各λ i对应的光纤光栅传感器当前的反射光功率，并计算各光纤光栅传感器中心波长偏移量△ λρ由于各个传感器的工作波长范围不同，根据激光光源的输出波长和反射光功率即可以判定对应的光纤光栅传感器序号，进而利用插值法由当前反射光功率和参考表计算出各光纤光栅传感器反射光谱的偏移。根据步骤I所得各光纤布拉格光栅传感器中心波长与待测物理量的线性关系式可以解调得到各传感器所在测试点对应的待测物理量，连续测量时即可得到该待测物理量的缓变情况。具体步骤如下:
[0028]1、设置 i=0 ；
[0029]i1、设置可调谐激光光源的输出波长为入i ;
[0030]ii1、通过光功率计测量第i个光纤光栅传感器反射光功率值Pi并根据步骤I所得参考数据表的第i个光纤光栅传感器相应功率值进行判断:
[0031]ii1-1、当 PiL < Pi < PiH，执行步骤iv ；
[0032]ii1-2、当Pi≤Ρα，调整可调谐激光光源的输出波长，[0033]当参考光谱处于主模波峰左侧设置λ i= λ ^ λ iE，
[0034]当参考光谱处于主模波峰右侧设置λ i= λλ iE，
[0035]之后返回执行步骤ii ；
[0036]iii _3、当Pi≤PiH，调整可调谐激光光源的输出波长，
[0037]当参考光谱处于主模波峰左侧设置入f λ iE，
[0038]当参考光谱处于主模波峰右侧设置入f λ iE，
[0039]之后返回执行步骤ii ；
[0040]iv、计算反射光谱偏移量，实时解调待测物理量；在步骤II所得参考数据表中，利用插值法得出该光纤光栅传感器当前功率值Pi对应的波长值λ/，将λ/与当前可调谐激光光源的输出波长Ai相比较，由此计算其反射光谱中心波长的偏移量Λ Ai=A1-Ai'，根据步骤II得到的第i个光纤光栅传感器发射光谱初始状态中心波长λ iC计算当前第i个光纤光栅传感器的发射光谱中心波长为.)' iC=iC+A λ i，进而解调得到温度、或压力、或应力等待测物理参量的数据。
[0041]V、当i=n_l，未收到停止命令的情况下跳至步骤i，若收到停止命令则运行结束；当i-1,设置i=i+l,跳至步骤ii。[0042]IV、持续实时解调待测物理量
[0043]不断循环执行步骤III，对η个光纤光栅传感器的数据持续循环测定和对待测物理量持续解调，实时跟踪缓变的待测物理量，直至接收到停止命令，运行停止。
[0044]本发明基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法的优点为:1、上位机控制可调谐激光光源先对各光纤光栅传感器进行参考扫描，得到各光纤光栅传感器的参考数据表，实测时只需按照该表上各光纤光栅传感器的参考光谱中间波长λ i依次设定可调谐激光光源输出特定波长，测定各个光纤光栅传感器中心波长的偏移量并进行解调，每次测定某个光纤光栅传感器反射光谱的偏移，无需可调谐激光光源在整个调谐范围内进行扫描，从而使测量速度大大提高，保证测量的实时性；2、测量精度高，可以检测低至0.1pm波长偏移对应的物理量变化。
(四)【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法实施例所用某个光纤布拉格光栅传感器反射光谱图；
[0046]图2为本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法实施例所用基于光纤布拉格光栅传感器测量系统结构示意图；
[0047]图3为本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法实施例的流程图；
[0048]图4为本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法实施例所用3个光纤布拉格光栅传感器初始状态的部分反射光谱图。
(五)【具体实施方式】
[0049]本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法实施例所用第i个光纤布拉格光栅传感器反射光谱图如图1所示，其反射光谱有主模和边模。主模波峰峰值功率为Pimax，其对应的波长称为该光纤布拉格光栅传感器的中心波长λ iC；，也即为该光纤光栅传感器波长。同时，定义与主模相邻的最高边模的波峰功率为主模底部功率Pimin,主模波峰两侧谱线的功率Pimin处所对应的波长之差为该光纤光栅传感器反射光谱的带宽λ iBW。
[0050]本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法实施例所用的基于光纤布拉格光栅传感器测量系统框图如图2所示，包括可调谐激光光源、分光器、上位机、光功率计和η个光纤光栅传感器，图中虚线表光路。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器(FBG)，本例采用掺锗熔融石英光纤制成，且为未进行封装、未加保护管的裸纤布拉格光栅传感器。上位机连接控制可调谐激光光源和光功率计，可调谐激光光源连接一个3dB率禹合器，激光从3dB稱合器的一个分光端口输入、到达其合路端口串接的η个光纤光栅传感器。3dB耦合器的另一分光端口接至光功率计，并且同步电缆连接功率计的同步触发输入口和可调谐激光光源的同步触发输出口。
[0051]各光纤光栅传感器对与其中心波长相同的输入光的反射率为80~90%。本例为用于钢片的应变测量的方法。
[0052]本例可调谐激光光源的调谐范围为1524~1610nm，总带宽λ ALL为86nm，假设待测应变量范围为±400 μ ε ,那么各光纤光栅传感器反射谱的偏移入(1范围约为±0.49nm,即各传感器反射光谱的中心波长间隔必须>0.98nm，假设各传感器的最大工作带宽λ Μ为
0.53nm,那么，串联的传感器数量必须满足n〈 ( λ ALL- λ BW) / λ d，故n最大值为87。本例取n=3。
[0053]本基于光纤布拉格光栅传感器测量系统实时测量方法实施例流程图如图3所示，具体工作步骤如下:
[0054]1、实验取得各光纤布拉格光栅传感器中心波长与标定的待测物理量之间的线性关系式的标定参数
[0055]本例中，将3个光纤布拉格光栅(FBG)传感器并行粘贴于钢片的中部，钢片的一端固定、钢片呈水平，钢片另一端连接弹压片一端，在弹压片另一端悬挂砝码，砝码重量不同，弹压片悬挂砝码的一端上下活动、弹压片对钢片产生拉应力。本例设定未悬挂砝码的状态为初始状态，钢片的应变为O。在靠近FBG传感器的钢片上粘贴应变电阻片，应变电阻片连接静态电阻应变仪，可测得钢片的应变电阻值，并由此得到钢片的应变量。本例改变弹压片悬挂的砝码重量，标定三个不同的钢片应变量值，同时记录在各标定的应变量作用下对应的各光纤布拉格光栅传感器的中心波长，所得数据如表1所不。本例3个光纤布拉格光栅传感器的序号为i=0、l、2。
[0056]表1标定钢片应变量下各FBG传感器的中心波长
[0057]
【权利要求】
1.基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，本方法所用的基于布拉格光纤光栅传感器测量系统包括可调谐激光光源、分光器、上位机、光功率计和η个光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器；上位机连接控制可调谐激光光源和光功率计，可调谐激光光源连接一个3dB耦合器，激光从3dB耦合器的一个分光端口输入、到达其合路端口串接的η个光纤光栅传感器，η为I~120的整数；3dB耦合器的另一分光端口接至光功率计，；并且功率计的同步触发输入口连接可调谐激光光源的同步触发输出口 ；每个光纤光栅传感器有一定的波长响应范围，其反射光谱在此范围内出现功率反射波峰，功率的峰值Pmax对应的波长称为中心波长λ c,与主模相邻的最高边模的波峰功率为主模底部功率Pmin，主模波峰两侧谱线的功率Pmin处所对应的波长之差为该光纤光栅传感器反射光谱的带宽Xbw ;各光纤光栅传感器对与其中心波长相同的输入光的反射率为80~90% ；其特征在于本实时测量方法的工作步骤如下: 1、实验取得各光纤布拉格光栅传感器中心波长与标定的待测物理量之间的线性关系式的标定参数 使用标准仪器标定待测物理量至少三个不同的值，同时记录在各标定的待测物理量作用下对应的各光纤布拉格光栅传感器的中心波长，使用线性拟合方法计算待测物理量与光纤布拉格光栅传感器中心波长的线性关系式，并且记录此线性方程式的响应参数斜率和截距值； I1、生成η个光纤光栅传感器的参考数据表 在实时测试之前在初始状态下，使用可调谐激光光源对η个光纤光栅传感器进行波长扫描，通过光功率计测量η个串联光纤光栅传感器的反射光谱分布情况，功率单位为mw，一个波峰代表一个光纤光栅传感器；第i个光纤光栅传感器反射光谱主模峰值功率为Pimax、底部功率为Pimin，i为η个光纤光栅传感器的序号，i=0, I, 2，3，......η_1 ;在第i个光纤光栅传感器反射光谱主模波峰的任意一侧选取具有单调性的一段谱线作为该光纤光栅传感器的参考光谱；参考光谱的上端点对应波长为λ iH、对应功率为PiH，其下端点对应波长为λ对应功率为PiL，本系统各光纤光栅传感器的参考光谱均取主模波峰左侧或均取右侧，从而得到以i为序的参考数据表，包括初始状态下各个光纤光栅传感器的反射光谱参数AiE、A1、PiH以及Pv其中Xi为参考光谱的中间波长，Xi第一次赋值为Xi=(XSUiJXill) ；λ?Ε=0.5| λ iH-AiL| ;同时记录该光纤光栅传感器初始状态下反射光谱的中心波长值λ iC ； II1、实测各个光纤光栅传感器对应测试点的物理参量 按照步骤II所得参考数据表中η个光纤光栅传感器的波长λ i依次设定可调谐激光光源的输出波长，使用光功率计实时测量各光纤光栅传感器的反射光功率，记录各λ i对应的光纤光栅传感器当前的反射光功率，并计算各光纤光栅传感器中心波长偏移量△ Xi ;根据可调谐激光光源的输出波长和反射光功率判定对应的光纤光栅传感器序号，利用插值法由当前反射光功率和参考数据表计算各光纤光栅传感器反射光谱的偏移；根据步骤I所得各光纤布拉格光栅传感器中心波长与待测物理量的线性关系式解调得到各传感器所在测试点对应的待测物理量； IV、持续实时解调待测物理量 不断循环执行步骤III，对η个光纤光栅传感器的数据持续循环测定和对待测物理量持续解调，实时跟踪缓变的待测物理量，直至接收到停止命令，运行停止。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，其特征在于所述步骤III的具体步骤如下: 1、设置i=0 ； ?、设置可调谐激光光源的输出波长为入i ； ii1、通过光功率计测量第i个光纤光栅传感器反射光功率值Pi并根据步骤I所得参考数据表的第i个光纤光栅传感器相应功率值进行判断:
ii1-1、当 PiL < Pi < PiH，执行步骤iv ； iii _2、当Pi ( Ρα，调整可调谐激光光源的输出波长， 当参考光谱处于主模波峰左侧设置λ i= λ i+ λ iE， 当参考光谱处于主模波峰右侧设置λ i= λ r λ iE， 之后返回执行步骤ii ； iii _3、当Pi ^ PiH，调整可调谐激光光源的输出波长， 当参考光谱处于主模波峰左侧设置λ i= λ r λ iE， 当参考光谱处于主模波峰右侧设置λ i= λ i+ λ iE， 之后返回执行步骤ii ； iv、计算反射光谱偏移量，实时解调待测物理量；在步骤II所得参考数据表中，利用插值法得出该光纤光栅传感器当前功率`值Pi对应的波长值λ/，将λ/与当前可调谐激光光源的输出波长Ai相比较，由此计算其反射光谱中心波长的偏移量Λ Ai=A1-Ai'，根据步骤II得到的第i个光纤光栅传感器发射光谱初始状态中心波长λ iC计算当前第i个光纤光栅传感器的发射光谱中心波长为iC=^iC+A λ i，进而解调得到温度、或压力、或应力等待测物理参量的数据； V、当i=n_l，未收到停止命令的情况下跳至步骤i，若收到停止命令则运行结束；当i幸η-1，设置i=i+l，跳至步骤ii。
3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，其特征在于: 当测量系统中使用的多个光纤布拉格光栅传感器的制作材料、工艺和封装方式均相同，所述步骤I标定其中一个光纤布拉格光栅传感器的响应参数作为测量系统中使用的各光纤布拉格光栅传感器共同的响应参数。
4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，其特征在于: 所述步骤II中参考光谱上端点的功率值PiH为主模峰值功率Pimax的90~95%，参考光谱的下端点的功率的值Pa为主模底部功率Pimin的105~110%。
5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，其特征在于: 所述当测量系统的η个光纤光栅传感器的反射光谱的带宽λ Bff相等，同时其测量物理量的动态范围也相等，即反射光谱偏移量△ λ相等，在保证各传感器反射光谱波形完整性的基础上，光纤光栅传感器的数量η满足:
η〈(入 ALL-入 BW) / A 入 其中，λ ALL为本系统所用的可调谐激光光源的扫描波长总带宽。
【文档编号】G01B11/16GK103674079SQ201210363013
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月26日 优先权日:2012年9月26日
【发明者】李严, 赵克 申请人:桂林优西科学仪器有限责任公司