[發明專利]基于光纖布拉格光柵的可擴展分布式傳感系統

無效

• 申請號: 201210131825.8
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102661755A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 高培良
• 申請（專利權）人: 天津奇譜光電技術有限公司
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

技術領域

本發明屬于光電領域，尤其是一種基于光纖布拉格光柵的可擴展分布式傳感系統。

背景技術

在過去的二十年中，光電子學的發展以及光纖通信行業中大量的革新極大地降低了光學器件的價格，提高了質量。光纖傳感器已經從實驗室試驗研究階段擴展到了現場的實際應用，比如建筑結構的健康監測應用等。光纖傳感系統具有抗電磁干擾和潮濕、耐腐蝕、重量輕等特點，而且，易于形成傳感網絡和進行遠距離傳感信號的傳輸。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器是一種使用頻率最高、應用范圍最廣的光纖傳感器。這種傳感器能根據環境溫度以及/或者應變的變化來改變其反射的光波的波長。由于光纖布拉格光柵可以被制作成不同的特定反射波長，因此，可以在一條長距離的獨立光纖上，以串聯形式連接多個不同的擁有特定布拉格光柵周期的傳感器。光纖布拉格光柵具有固有的波長特性，即使在傳輸過程中由于光纖介質的彎曲和傳輸造成了光強的損耗和衰減，也能夠保證傳感器測得的結果的準確性。

寬帶光源的光譜寬度、每一個獨立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長范圍和波長檢測器可檢測的總波長范圍等決定了在一根單獨的光纖上可以掛接的布拉格光柵的數量。一般來說，由于應變改變造成的波長改變會比溫度改變造成的波長改變更加明顯，因此，一般會為FBG應變傳感器分配大概5納米的工作波長范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長范圍；同時由于通常的寬帶光源和波長檢測器能提供的測試范圍大概為60到80納米，因此，一根光纖上掛接的傳感器數量一般可以從1個到80個不等。一般的FBG傳感器會擁有幾個納米的工作波長范圍，所以波長檢測器必須能夠完成分辨率為幾個皮米甚至更小的測量，這是一個相當小的量級。FBG光柵傳感器中的波長變化的檢測可以有以下幾種方法：

第一種方法：干涉計是通常運用的實驗室設備，它可以提供相當高分辨率的光譜分析，但是，這些儀器一般來說非常昂貴，體積龐大并且不夠堅固，因此，在一些涉及各種結構的現場監測的應用中，如風機葉片，橋梁，水管以及大壩等環境的監測中，這些儀器都不適用。

第二種方法：引入電荷耦合器件(charge-coupled?device-CCD)以及固定的分散性單元，一般是指波長位置轉換，在這種方法中，會用一個寬帶光源照射FBG傳感器(或者一系列FBG傳感器)。這些反射光束會通過一個色散性單元，色散性單元會將波長不同的反射光束分別分配到電荷耦合器件(CCD)表面不同的位置上去。這種方法可以快速并且同時地對掛接在光纖上的所有FBG傳感器進行測量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比(SNR)。

目前最流行的方法是利用可調琺珀濾波器來創造一束具有高能量，并且能夠快速掃頻的激光源來代替傳統的寬帶光源。可調諧激光源將能量集中在一個很窄的波長范圍里面，提供了一個具有很高信噪比的高能量的光源。這種結構提供的高的光功率讓使用一條光纖掛載多個光學通道成為可能，這樣就能有效地減少多通道光傳感信號檢測器的成本并且降低系統的復雜度。基于這種可調激光器的傳感信號檢測器可以在一個相對大的波長范圍里面以很窄的光譜帶進行掃描，同時，一臺光傳感信號檢測器將與這個掃描同步，測量從FBG傳感器反射回來的激光束。當可調諧激光器發射的激光波長與FBG傳感器的布拉格波長吻合的時候，光傳感信號檢測器就能測量到相應的響應，該響應發生的時候可調諧激光的波長就對應了此時FBG傳感器處測得的溫度以及/或者應變。這種方法的缺點是可調諧激光器比較昂貴。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種成本低、實時性好且易于擴展的基于光纖布拉格光柵的可擴展分布式傳感系統。

本發明解決現有的技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種基于光纖布拉格光柵的可擴展分布式傳感系統，包括一個帶光纖尾纖的寬帶光源、一個三端口帶光纖尾纖的光環路器、一個包含多個具有不同光柵周期的光纖布拉格光柵傳感器、一個帶光纖尾纖的可擴展光波分復用分離器、一個光標準具和多個光傳感信號檢測器和信號處理系統；所述的帶光纖尾纖的寬帶光源的輸出連接到帶光纖尾纖的光環路器的輸入端口，所述的帶光纖尾纖的光環路器的透射輸出端口連接到光纖布拉格光柵傳感器，該帶光纖尾纖的光環路器的反射輸出端口連接到帶光纖尾纖的可擴展光波分復用分離器的輸入端口，所述的帶光纖尾纖的可擴展光波分復用分離器的輸出端口的輸出準直光束以接近零度入射角進入光標準具，所述的光傳感信號檢測器設置于所光標準具后接收從光標準具透過的光傳感信號并由信號處理系統進行實時信號處理。

而且，所述的帶光纖尾纖的寬帶光源的輸出光譜的寬度大于10納米。