[發明專利]基于光纖布拉格光柵傳感器測量系統的實時測量方法

有效

• 申請號: 201210363013.6
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN103674079A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 李嚴;趙克
• 申請（專利權）人: 桂林優西科學儀器有限責任公司
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01B11/16
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 歐陽波

（一）技術領域

本發明涉及光電檢測領域，具體為一種基于光纖布拉格光柵傳感器測量系統的實時測量方法。

（二）背景技術

光纖光柵成熟的制作方法極大地推動了光纖光柵應用技術的發展，使得光纖光柵成為最有發展前途的無源器件之一。其典型的應用是光纖光柵傳感器，具有電絕緣性良好，抗電磁干擾（EMI）和抗射頻干擾（RFI）能力強，化學性能穩定、耐腐蝕，體積小、重量輕，傳輸損耗小、容量大，結構形式靈活、靈敏度高等特性，故其構成的應力、應變、溫度及振動等多參量檢測的光纖光柵傳感網絡有突出的優勢，正逐漸取代傳統傳感器而成為傳感器家族的主力軍。

光纖布拉格光柵（Fiber?Bragg?Grating，縮寫為FBG）是利用光纖材料的光敏特性，以一定的寫入技術在裸光纖的一段范圍內寫入具有周期性折射率的芯內體光柵,其實質作用是在纖芯內形成以共振波長為中心的窄帶光學濾波器，寬帶光源或可調諧光源輸出光經過光柵時,光譜中以光柵的Bragg波長為中心的窄帶光譜在光柵處被反射而被解調，其他大部分光將發生透射而沿原來方向傳輸。光纖光柵纖芯在外界溫度、應力等物理量的作用下，折射率將發生改變，從而引起光柵反射光中心波長漂移。此特性即為光纖布拉格光柵傳感器的工作原理，通過檢測反射光波長的變化即可得出光纖光柵傳感器所處環境待測物理量的變化。

目前，光纖傳感器測量系統光源采用寬帶激光光源或者連續可調諧激光光源。采用寬帶激光光源的光纖傳感器測量系統最大缺點是光源輸出的光功率密度低，有效功率僅為其輸出總功率的千分之一以下，因而，該系統的光纖傳感器只能在近距離范圍內使用，且測量點數較少。順應光纖傳感器測量系統向著波分復用和光纖傳感網的方向發展趨勢，光纖傳感器測量系統采用可調諧激光光源，提高了功率和分辨率。但目前可調諧激光光源主要采用連續掃描方式，只有對應光纖傳感器設定波長（或者頻率）的部分功率得到應用，因此激光功率利用不充分，測量速度受限，其分辨率也有待提高。

（二）發明內容

本發明的目的是提供一種基于光纖布拉格光柵傳感器測量系統的實時測量方法，在可調諧激光光源的光纖傳感器測量系統中采用波分復用方法，提高了測量速度和分辨率。

本發明設計了基于光纖布拉格光柵傳感器測量系統的實時測量方法，本方法所用的基于布拉格光纖光柵傳感器測量系統包括可調諧激光光源、分光器、上位機、光功率計和n個光纖光柵傳感器。所述光纖光柵傳感器為光纖布拉格光柵傳感器（Fiber?Bragg?Grating?Sensor，FBG）。上位機連接控制可調諧激光光源和光功率計，可調諧激光光源連接一個3dB耦合器，激光從3dB耦合器的一個分光端口輸入、到達其合路端口串接的n個光纖光柵傳感器，n為1～120的整數。3dB耦合器的另一分光端口接至光功率計，用以捕獲該3dB耦合器合路端串聯的n個光纖光柵傳感器的反射光功率，并且功率計的同步觸發輸入口連接可調諧激光光源的同步觸發輸出口，使功率計采集數據與光源波長變化同步。

每個光纖光柵傳感器有一定的波長響應范圍，其反射光譜在此范圍內出現功率反射波峰，功率的峰值P_max對應的波長稱為中心波長λ_C，也即為該光纖光柵傳感器波長，功率峰值所處的波峰為主模。同時，定義與主模相鄰的最高邊模的波峰功率為主模底部功率P_min，主模波峰兩側譜線的功率P_min處所對應的波長之差為該光纖光柵傳感器反射光譜的帶寬λ_BW。

當光纖光柵傳感器周圍外界環境的溫度、應力等物理量發生變化時，將會使纖芯光柵的有效折射率或周期隨之變化，故反射光譜在一定的范圍內偏移，傳感器中心波長改變，通過檢測各光纖光柵傳感器反射光譜的變化，即可從中解調得到外界特定物理量的變化。串聯的n個光纖光柵傳感器的工作波長范圍無交叉重疊，即它們的反射光譜偏移范圍均不相同。根據外界測試條件，劃定n個光纖光柵傳感器的工作波長范圍，且各光纖光柵傳感器的工作波長范圍均屬于本系統使用的可調諧激光光源所覆蓋的波長范圍內。

當n個光纖光柵傳感器的反射光譜的帶寬λ_BW相等，同時其測量物理量的動態范圍也相等，即反射光譜偏移量Δλ相等，在保證各傳感器反射光譜波形完整性的基礎上，光纖光柵傳感器的數量n滿足：

n<(λ_ALL-λ_BW)/Δλ