一种光纤布拉格光栅传感器灵敏度增强方法及装置与流程

本发明涉及光学检测装置，尤其是涉及一种光纤布拉格光栅传感器灵敏度增强方法及装置。

背景技术：

1、目前,基于光纤布拉格光栅(fbg)的传感器广泛应用于通信和传感领域。fbg可以轻松集成到全光纤系统中，其介电本质使其具有不导电和免疫电磁干扰的特点，当前技术可以定制fbg的属性以适应每个应用的特定要求。将fbg用作传感器时，可以将其理解为一个带通滤波器，其中心频率取决于某个变量(温度或应变)的值。因此，提高基于fbg系统灵敏度的关键是开发新技术,以增强滤波器中心频率随温度或应变变化的位移。

2、目前，fbg传感器的温度灵敏度约为0.008-0.014nm/℃，需要高分辨率的光谱分析仪才能实现1℃以下温度变化的测量。故现有fbg传感器的温度灵敏度较低，需配合高分辨率的光谱分析仪才能实现对微小温度变化的测量，系统复杂度且成本均比较高。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种光纤布拉格光栅传感器灵敏度增强方法及装置，以解决上述技术问题，有效提高光纤布拉格光栅传感器的灵敏度，提升传感器的应用范围。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤布拉格光栅传感器灵敏度增强方法，包括以下步骤：

3、获取水平偏振光和垂直偏振光；

4、将水平偏振光耦合至第一光纤布拉格光栅传感器中，获取第一反射光；将垂直偏振光耦合至第二光纤布拉格光栅传感器中，获取第二反射光；所述第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器分别置于不同温度的两个热源上；

5、对第一反射光和第二反射光进行偏振状态修整，获取水平偏振反射光和垂直偏振反射光；

6、令水平偏振反射光和垂直偏振反射光发生干涉，以获取输出功率谱，得到光谱质心位置；

7、改变一热源温度并保持另一热源温度不变，基于光谱质心位置获取光谱质心频移差值，以得到光谱质心频移-温差关系，实现光纤布拉格光栅传感器灵敏度的增强。

8、上述方案通过获取光谱质心频移-温差关系，可以有效提高光纤布拉格光栅传感器的灵敏度，提升传感器的应用范围。

9、进一步地，所述令水平偏振反射光和垂直偏振反射光发生干涉，以获取输出功率谱，得到光谱质心位置，具体为：

10、所述输出功率谱表示为：

11、

12、式中，v表示光纤中传播的光的频率；s0是一个常数，它是光谱的归一化因子，用于确保功率谱密度的总积分等于信号的总功率，具体来说，s0是在没有样品的情况下测量的光谱强度；β表示偏振选择角，根据实际需求进行设置；v0表示中心频率；v1表示水平偏振反射光脉冲频谱相对中心频率v0的偏移；b＝ln2/π2t2，其中t为光纤布拉格光栅传感器中反射脉冲的持续时间；v2表示垂直偏振反射光脉冲频谱相对中心频率v0的偏移；表示校正项，其中ν-＝(ν1-ν2)/2；ν+＝(ν1+ν2)/2；τ表示水平偏振反射光与垂直偏振反射光的光路差；δ表示偏振引起的相位差；

13、对输出功率谱进行高斯滤波后，得到光谱质心位置表示为：

14、<ν>＝ν0+ν++ψν--z

15、式中，<v>表示光谱质心位置；ψ表示放大因子；z为校正项。

16、进一步地，所述改变一热源温度并保持另一热源温度不变，基于光谱质心位置获取光谱质心频移差值，以得到光谱质心频移-温差关系，实现光纤布拉格光栅传感器灵敏度的增强，具体为：

17、假设第一光纤布拉格光栅传感器所对应的热源温度t1改变，则水平偏振反射光的频率中心发生线性偏移：v′1(t1)＝v1+κ(t1-t2)，κ表示第一光纤布拉格光栅传感器的温度响应系数，t2为第二光纤布拉格光栅传感器所对应的热源温度；

18、而第二光纤布拉格光栅传感器所对应的热源温度不变，即垂直偏振反射光的频率中心不发生线性偏移，保持v2不变，其光谱质心频移差值<δv>为：

19、<δv>＝<v>-v0-v2

20、代入光谱质心位置的表达式，有：

21、

22、至此得到光谱质心频移-温差关系，即光谱质心频移与温差成正比，比例常数因子(ψ+1)通过放大因子ψ显著增大，从而实现光纤布拉格光栅传感器灵敏度的增强。

23、进一步地，所述对第一反射光和第二反射光进行偏振状态修整，获取水平偏振反射光和垂直偏振反射光，具体为：

24、通过偏振控制器对第一反射光和第二反射光分别进行偏振状态修整，同时进行相位差补偿，获取水平偏振反射光和垂直偏振反射光。

25、进一步地，在水平偏振反射光和垂直偏振反射光发生干涉后，通过液晶可变延迟器进行相位补偿，以获取输出功率谱，得到光谱质心位置。

26、本发明还提出一种光纤布拉格光栅传感器灵敏度增强装置，用于实现上述的一种光纤布拉格光栅传感器灵敏度增强方法，其包括光束获取模块、第一环形器、第二环形器、第一准直器、第二准直器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第二偏振分束器、光谱分析仪、第一热源、第二热源、第一光纤布拉格光栅传感器、第二光纤布拉格光栅传感器和运算模块；其中：

27、所述光束获取模块用于获取水平偏振光和垂直偏振光；水平偏振光经过第一环形器耦合至第一光纤布拉格光栅传感器中，输出第一反射光；垂直偏振光经过第二环形器耦合至第二光纤布拉格光栅传感器中，输出第二反射光；

28、所述第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器分别用于测量温度不同的第一热源和第二热源的温度；

29、所述第一反射光经过第一环形器的输出口，经由第一准直器汇聚反射进入第一偏振控制器进行偏振状态修整，输出水平偏振反射光；所述第二反射光经过第二环形器的输出口，经由第二准直器汇聚反射进入第二偏振控制器进行偏振状态修整，输出垂直偏振反射光；

30、所述第二偏振分束器用于接收水平偏振反射光和垂直偏振反射光，令水平偏振反射光和垂直偏振反射光发生干涉，并通过光谱分析仪获取输出功率谱；

31、所述运算模块用于基于输出功率谱计算光谱质心位置；并在改变某一热源温度并保持另一热源温度不变的情况下，基于光谱质心位置获取光谱质心频移差值，以得到光谱质心频移-温差关系，实现光纤布拉格光栅传感器灵敏度的增强。

32、进一步地，所述光束获取模块包括激光发射器、第一偏振片和第一偏振分束器；其中：所述激光发射器用于发射宽带脉冲激光，并经第一偏振片进行45°线性偏振后输入第一偏振分束器，由第一偏振分束器将激光分为水平偏振光和垂直偏振光，以获取水平偏振光和垂直偏振光。

33、进一步地，所述运算模块用于基于输出功率谱计算光谱质心位置，具体为：所述输出功率谱表示为：

34、

35、式中，v表示光纤中传播的光的频率；s0是一个常数，它是光谱的归一化因子，用于确保功率谱密度的总积分等于信号的总功率，具体来说，s0是在没有样品的情况下测量的光谱强度；β表示偏振选择角，根据实际需求进行设置；v0表示中心频率；v1表示水平偏振反射光脉冲频谱相对中心频率v0的偏移；b＝ln2/π2t2，其中t为光纤布拉格光栅传感器中反射脉冲的持续时间；v2表示垂直偏振反射光脉冲频谱相对中心频率v0的偏移；表示校正项，其中ν-＝(ν1-ν2)/2；ν+＝(ν1+ν2)/2；τ表示水平偏振反射光与垂直偏振反射光的光路差；δ表示偏振引起的相位差；

36、对输出功率谱进行高斯滤波后，得到光谱质心位置表示为：

37、<ν>＝ν0+ν++ψν--z

38、式中，<v>表示光谱质心位置；ψ表示放大因子；z为校正项。

39、进一步地，所述运算模块在改变某一热源温度并保持另一热源温度不变的情况下，基于光谱质心位置获取光谱质心频移差值，以得到光谱质心频移-温差关系，实现光纤布拉格光栅传感器灵敏度的增强，具体为：

40、假设第一光纤布拉格光栅传感器所对应的热源温度t1改变，则水平偏振反射光的频率中心发生线性偏移：v′1(t1)＝v1+κ(t1-t2)，κ表示第一光纤布拉格光栅传感器的温度响应系数，t2为第二光纤布拉格光栅传感器所对应的热源温度；

41、而第二光纤布拉格光栅传感器所对应的热源温度不变，即垂直偏振反射光的频率中心不发生线性偏移，保持v2不变，其光谱质心频移差值<δv>为：

42、<δv>＝<v>-v0-v2

43、代入光谱质心位置的表达式，有：

44、

45、至此得到光谱质心频移-温差关系，即光谱质心频移与温差成正比，比例常数因子(ψ+1)通过放大因子ψ显著增大，从而实现光纤布拉格光栅传感器灵敏度的增强。