一种光纤光栅应变检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种光纤光栅应变检测装置，包括:复合光源、耦合器、光环形器、声光可调谐滤波器、转换驱动装置、基准光栅、光开关、光纤光栅应变传感器，复合光源与耦合器耦合连接；耦合器通过光环形器与基准光栅相连；光环形器通过声光可调谐滤波器与转换驱动装置相连；基准光栅通过光开关与光纤光栅应变传感器相连。本实用新型的光纤光栅应变检测装置，基于AOTF(声光可调谐滤波器)全光谱范围的解调技术设计的光纤光栅传感、解调系统，跟目前基于FFP(可调谐光纤滤波器)技术的光纤光栅传感、解调系统相比，大大提高了系统的传感、解调范围，解决了光纤光栅传感大规模应用的瓶颈问题。
【专利说明】一种光纤光栅应变检测装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光纤光栅传感领域，特别涉及一种光纤光栅应变检测装置。
【背景技术】
[0002] 可调谐光纤Fabry-Perot滤波器（FFP)已广泛应用于传感光栅的信号解调，其中， 该滤波器可由Lorentz谱线形状的带通响应描述，典型的3dB谱线宽为0. 3nm，工作范围为 几十个纳米。
[0003] 可调谐光纤Fabry-Perot腔由压电陶瓷驱动，且施加周期性的锯齿波电压信号用 以改变腔长，以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。它可以对测量范围内各光 纤Bragg (布拉格衍射）光栅传感元的波长信息进行依次查询，而且将所测波长信息与偏移 前波长信息进行比较，得到各传感元的波长偏移量，利用偏移量与所测量间的变化关系，便 可判断对应传感元件所感测物理量变化的大小，达到解调的目的。
[0004] 但采用FFP可调谐滤波器解调的光纤光栅解调系统，目前解调速度为5Hz，工作范 围为几十个纳米，不能满足日益增强的大规模应变传感监测系统的需求。 实用新型内容
[0005] 为了解决现有技术中存在的光纤光栅解调系统解调速度慢、光源带宽小的问题， 本实用新型提出了一种光纤光栅应变检测装置。
[0006] 本实用新型的光纤光栅应变检测装置，包括：复合光源、耦合器、光环形器、声光可 调谐滤波器、转换驱动装置、基准光栅、光开关、光纤光栅应变传感器，复合光源与耦合器耦 合连接；
[0007] 耦合器通过光环形器与基准光栅相连；光环形器通过声光可调谐滤波器与转换驱 动装置相连；基准光栅通过光开关与光纤光栅应变传感器相连。
[0008] 在上述技术方案中，转换驱动装置包括：光电转换模块、信号处理模块、射频驱动 控制器，声光可调谐滤波器通过光电转换模块与信号处理模块相连；
[0009] 射频驱动控制器分别与声光可调谐滤波器、信号处理模块相连。
[0010] 在上述技术方案中，转换驱动装置还包括运算放大电路，光电转换模块通过运算 放大电路与信号处理模块相连。
[0011] 在上述技术方案中，复合光源包括两块不同光谱范围的宽带光源。
[0012] 在上述技术方案中，稱合器为波导式光纤稱合器。
[0013] 在上述技术方案中，耦合器的开角在30°以内。
[0014] 在上述技术方案中，光环形器为三端口光环形器。
[0015] 在上述技术方案中，声光可调谐滤波器包括单轴双折射晶体、压电换能器、高频信 号源，压电换能器粘合在单轴双折射晶体的一侧；高频信号源对压电换能器进行射频作用。
[0016] 在上述技术方案中，光电转换模块为PIN光电二极管。
[0017] 在上述技术方案中，基准光栅为未封装的光纤光栅。
[0018] 本实用新型的光纤光栅应变检测装置，基于A0TF (声光可调谐滤波器）全光谱范 围的解调技术设计的光纤光栅传感、解调系统，跟目前基于FFP (可调谐光纤滤波器）技术 的光纤光栅传感、解调系统相比，大大提高了系统的传感、解调范围，解决了光纤光栅传感 大规模应用的瓶颈问题。
[0019] A0TF(声光可调谐滤波器）可以选择任何一个波长范围进行连续扫描，可以根据 被测光纤光栅传感的有效波段进行选取扫描，缩短了扫描时间，解决了光纤光栅高速传感 解调的问题。A0TF为全固态分光器件，无移动部件，抗震性能好，采用全密封设计，对环境影 响（如应变、湿度、粉尘等）不敏感，仪器工作稳定，解决了目前采用FFP(可调谐光纤滤波 器）技术的光纤光栅应变传感解调系统的温度漂移问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本实用新型的光纤光栅应变检测装置的结构图；
[0021] 图2是现有技术中的声光可调谐滤波器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图，对本实用新型的几个【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本 实用新型的保护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0023] 为了解决现有技术中存在的光纤光栅解调系统解调速度慢、光源带宽小的问题， 本实用新型提出了一种光纤光栅应变检测装置。
[0024] 如图1所示，本实用新型的光纤光栅检测装置包括：复合光源10、耦合器20、光环 形器30、声光可调谐滤波器40、转换驱动装置50、基准光栅60、光开关70、光纤光栅应变传 感器80,复合光源10与耦合器20耦合连接；耦合器20通过光环形器30与基准光栅60相 连；光环形器30通过声光可调谐滤波器40与转换驱动装置50相连；基准光栅60通过光开 关70与光纤光栅应变传感器80相连。
[0025] 优选的，转换驱动装置50包括：光电转换模块501、信号处理模块502、射频驱动控 制器503,声光可调谐滤波器40通过光电转换模块501与信号处理模块502相连；射频驱 动控制器503分别与声光可调谐滤波器40、信号处理模块502相连。
[0026] 优选的，转换驱动装置50还包括运算放大电路504,光电转换模块501通过运算放 大电路504与信号处理模块502相连。
[0027] 优选的，复合光源10包括两块不同光谱范围的宽带光源。
[0028] 优选的，稱合器20为波导式光纤稱合器20。
[0029] 优选的，耦合器20的开角在30°以内。
[0030] 优选的，光环形器30为三端口光环形器30。
[0031] 优选的，声光可调谐滤波器40包括单轴双折射晶体、压电换能器、高频信号源，压 电换能器粘合在单轴双折射晶体的一侧；高频信号源对压电换能器进行射频作用。
[0032] 优选的，光电转换模块501为PIN光电二极管。
[0033] 优选的，基准光栅60为未封装的光纤光栅。
[0034] 本实用新型的光纤光栅应变检测装置，复合光源10包括两个不同光谱范围的宽 带光源，耦合器20将两个不同波谱范围的复合光输入到光环形器30 ;光环形器30传输复 合光到基准光栅60、光开关70、光纤光栅应变传感器80 ;光纤光栅应变传感器80反射回的 中心波长光信号经过光开关70与基准光栅60反射的中心波长光信号通过光环形器30传 输到AOTF声光可调谐滤波器40。
[0035] 通过调节射频驱动控制器503可以选择性地输出不同波长的光信号到光电转换 模块501上进行光电转换；通过信号处理模块502对光电转换信号进行I-V变换、滤波、放 大后采集，将采集数据上传到外部上位机系统，实现光纤光栅应变传感器80的中心波长的 解调，外部上位机依据光纤光栅-应变检测匹配算法进而实现传感监测区域的应变测量。
[0036] 本实用新型的光纤光栅应变检测装置具体说明如下：
[0037] 复合光源10,包括两块不同光谱范围的宽带光源101和宽带光源102,宽带光源 101和宽带光源102与耦合器20的双端口耦合连接，耦合器20的单端口输出的光信号即为 复合光源10。将两个波段或多个波段的光源复合，形成复合光源10,解决了由于光源的局 限性而造成目前光纤光栅应变传感不能大规模应用的问题。复合光源10选择光传输衰竭 较小的波谱窗口组合，符合光路设计理论，满足光纤光栅应变传感的实际需求。
[0038] 耦合器20,是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它把光纤的两个端 面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其 介入光链路从而对系统造成的影响降低到最小。
[0039] 优选的，耦合器20可以采用波导式光纤耦合器，它是一种具有Y型分支的元件，由 一根光纤输入的光信号可用它加以等分。当耦合器20分支路的开角增大时，向包层中泄漏 的光将增多，以致增加了损耗，所以耦合器20的开角一般选择在30°以内，因此波导式光 纤耦合器的长度不能太短。
[0040] 光环形器30,是实现光路非可逆传输的器件，它能对反向传输光进行引导，将其与 正向传输光从空间上分离开来，并从另一端口输出。优选的，光环形器30米用三端口光环 形器来实现宽带光信号双向传输和通信。
[0041] 声光可调谐滤波器40,声光可调谐滤波器40 (Acousto-optic tunable filter,简 称A0TF)是一种电光调制器件。其主要是利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传 播介质中的光的布拉格衍射作用，如图2所示，声光可调谐滤波器40可采用现有技术中的 声光可调谐滤波器，由单轴双折射晶体（通常采用的材料为二氧化碲（Te0 2)，粘合在单轴晶 体一侧的压电换能器，以及射频作用于压电换能器的高频信号源等组成。
[0042] 当输入一定频率的射频信号时，声光可调谐滤波器40会对入射多色光进行衍射， 从中选出波长为λ的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系，只要通 过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。声光可调谐滤波器40能实现全光谱范 围的解调，因此将声光可调谐滤波器40的这一特性应用于光纤光栅应变解调中，解决了目 前光纤光栅应变解调难以大规模实现的问题。
[0043] 声光可调谐滤波器40可以选择任何一个波长范围进行连续扫描，可以根据被测 光纤光栅传感的有效波段进行选取扫描，缩短了扫描时间，提高了解调速度，解决了目前光 纤光栅应变解调难以高速实现的问题；声光可调谐滤波器40为全固态分光器件，无移动部 件，抗震性能好，采用全密封设计，对环境影响（如应变、湿度、粉尘等）不敏感，仪器工作稳 定，解决了目前光纤光栅应变传感解调系统的温度漂移问题。
[0044] 转换驱动装置50,包括：光电转换模块501、信号处理模块502、射频驱动控制器 503、运算放大电路504。光电转换模块501的功能是将AOTF输出的光信号转换为电信号， 经过光电转换后的电流信号可以通过运算放大电路504,对电流信号进行放大，得到放大的 电流信号。优选的，光电转换模块501为PIN光电二极管。
[0045] 信号处理模块502,信号处理模块502的作用包括数据采集、信号的存储与传输， 以传输到上位机系统对光纤光栅数据的应变进行处理。
[0046] 射频驱动控制器503主要为A0TF (声光可调谐滤波器）40设计，通过调节信号处 理模块502输入的信号的电压，来改变驱动的输出频率，进而影响A0TF的波长输出。
[0047] 运算放大电路504,运算放大电路504(简称"运放电路"）是具有很高放大倍数的 电路单元，用于对经过光电转换模块501转换后的电流信号进行放大，得到需要的电流信 号。
[0048] 基准光栅60，优选的，可以米用未封装的光纤光栅。光纤光栅是利用光纤材料的光 敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的 折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个 窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
[0049] 光开关70,光开关70是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用 是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。
[0050] 光纤光栅应变传感器80,能够将感知外界的应变信息，并将应变信息转变为光纤 光栅应变传感器80中心波长的变化。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光 的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从 而形成空间的相位光栅。当光纤光栅受到应力作用时，光纤光栅的中心波长将会漂移，依据 光纤光栅的应变传感特性能实现应变的解调。
[0051] 此种传感器是工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响 光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求较小传感器的情况下，人们将裸 光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤 光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前 常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。
[0052] 本实用新型的光纤光栅应变检测装置，基于A0TF (声光可调谐滤波器）全光谱范 围的解调技术设计的光纤光栅传感、解调系统，跟目前基于FFP (可调谐光纤滤波器）技术 的光纤光栅传感、解调系统相比，大大提高了系统的传感、解调范围，解决了光纤光栅传感 大规模应用的瓶颈问题。A0TF(声光可调谐滤波器）40可以选择任何一个波长范围进行 连续扫描，可以根据被测光纤光栅传感的有效波段进行选取扫描，缩短了扫描时间，解决了 光纤光栅高速传感解调的问题。A0TF为全固态分光器件，无移动部件，抗震性能好，采用 全密封设计，对环境影响（如应变、湿度、粉尘等）不敏感，仪器工作稳定，解决了目前采用 FFP (可调谐光纤滤波器）技术的光纤光栅应变传感解调系统的温度漂移问题。
[0053] 以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此， 任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种光纤光栅应变检测装置，其特征在于，包括：复合光源、耦合器、光环形器、声光 可调谐滤波器、转换驱动装置、基准光栅、光开关、光纤光栅应变传感器，所述复合光源与所 述耦合器耦合连接； 所述耦合器通过所述光环形器与所述基准光栅相连；所述光环形器通过所述声光可调 谐滤波器与所述转换驱动装置相连；所述基准光栅通过所述光开关与所述光纤光栅应变传 感器相连。
2. 根据权利要求1所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述转换驱动装置包 括：光电转换模块、信号处理模块、射频驱动控制器，所述声光可调谐滤波器通过所述光电 转换模块与所述信号处理模块相连； 所述射频驱动控制器分别与所述声光可调谐滤波器、所述信号处理模块相连。
3. 根据权利要求2所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述转换驱动装置还 包括运算放大电路，所述光电转换模块通过所述运算放大电路与所述信号处理模块相连。
4. 根据权利要求1所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述复合光源包括两 块不同光谱范围的宽带光源。
5. 根据权利要求1所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述耦合器为波导式 光纤稱合器。
6. 根据权利要求1-5任意一项所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述耦合 器的开角在30°以内。
7. 根据权利要求1所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述光环形器为三端 口光环形器。
8. 根据权利要求1所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述声光可调谐滤波 器包括单轴双折射晶体、压电换能器、高频信号源，所述压电换能器粘合在所述单轴双折射 晶体的一侧； 所述高频信号源对所述压电换能器进行射频作用。
9. 根据权利要求2所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述光电转换模块为 PIN光电二极管。
10. 根据权利要求1所述的光纤光栅应变检测装置，其特征在于，所述基准光栅为未封 装的光纤光栅。
【文档编号】G01B11/16GK203908511SQ201420329382
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】何凡, 陈泽贵, 梁小斌, 李小娟 申请人:国家电网公司, 北京南瑞智芯微电子科技有限公司