[發(fā)明專利]一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀及其解調(diào)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210546162.6
• 申請(qǐng)日: 2012-12-14
• 公開（公告）號(hào): CN103033205A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張麗;邵軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 張麗
• 主分類號(hào): G01D5/38
• 分類號(hào): G01D5/38
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 鄧寅杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感、光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字化可調(diào)諧光源的光纖光柵解調(diào)儀。

背景技術(shù)

光纖光柵傳感器作為智能化結(jié)構(gòu)的傳感器，具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、易集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，早已作為有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域中，同時(shí)還可在水利水電、煤礦、材料工業(yè)、船舶、化學(xué)醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用，并可埋設(shè)在土木工程領(lǐng)域的混凝土結(jié)構(gòu)和組件里，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。尤其是其波長(zhǎng)編碼特性以及能在單根光纖上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)更是其它傳感器所無(wú)法比擬的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

光纖光柵是一種制作在光纖上的具有窄帶反射特性的光學(xué)濾波器，其工作原理如附圖1所示，根據(jù)光纖耦合模理論，寬帶光在光纖光柵中傳輸?shù)臅r(shí)候，會(huì)產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射：

λ_B=2·n_eff·Λ???????(1)

式中，λ_B為布拉格中心波長(zhǎng)，n_eff為有效折射率，Λ為光柵周期。

在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，外界物理量即待測(cè)量信息是以光纖光柵的反射波長(zhǎng)為載體來(lái)傳遞的。Λ和n_eff都會(huì)因外界環(huán)境的變化而改變，從而引起布拉格反射波長(zhǎng)也發(fā)生相應(yīng)偏移，而光纖布拉格光柵的纖芯折射率n_eff和光柵周期Λ又將隨著外界溫度或應(yīng)變的變化而變化。光纖布拉格光柵在應(yīng)力作用下會(huì)因?yàn)楣鈻胖芷诘纳炜s及彈光效應(yīng)導(dǎo)致光柵中心反射波長(zhǎng)的變化，而溫度對(duì)中心波長(zhǎng)的影響則是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起。光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化量Δλ_B在一定的范圍內(nèi)和應(yīng)變?chǔ)拧囟茸兓存在如下的線性關(guān)系：

Δλ_B/λ_B=ε1-γ???????(2)

Δλ_B/λ_B=(α+e)ΔT????(3)

式中：ε為光纖的應(yīng)變，γ為光纖材料的彈光系數(shù)，α為光纖材料的熱脹系數(shù)，ΔT為溫度變化量，e=1/n(dn/dT)為熱光系數(shù)。通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化根據(jù)上述的關(guān)系就能確定需感知的溫度和應(yīng)力。因此，波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，高精度、快速、低成本的實(shí)現(xiàn)解調(diào)，是光纖光柵傳感器大規(guī)模工程化應(yīng)用的一個(gè)重要前提。

目前，對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)的方法主要有光譜儀檢測(cè)法、匹配光柵法、邊緣濾波法、可調(diào)諧光纖F-PFabry-Perot濾波法、非平衡M-Z光纖干涉儀法、邁克爾遜干涉儀解調(diào)法、波長(zhǎng)掃描光纖激光器解調(diào)法等。這些方法歸納起來(lái)可分為：寬帶光源/寬帶濾波接收、寬帶光源/可調(diào)窄帶接收、寬帶光源/干涉接收以及可調(diào)諧窄帶光源/寬帶接收四類方案。目前，世界上實(shí)用化解調(diào)技術(shù)主要采用以下三種方案：1采用寬帶光源和可調(diào)諧F-P濾波器對(duì)傳感光纖光柵的反射譜進(jìn)行掃描；2采用色散原件和陣列相結(jié)合的光譜成像技術(shù)進(jìn)行波長(zhǎng)分析；3采用大功率可調(diào)諧窄帶激光源對(duì)傳感光纖光柵進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，參考如下相關(guān)的國(guó)內(nèi)外專利：

高精度光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)儀中國(guó)發(fā)明專利CN?101216327?B

基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中國(guó)實(shí)用新型，CN?201680848?U

一種高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)中國(guó)發(fā)明專利CN?101586986?B

一種多通道光纖光柵解調(diào)儀中國(guó)發(fā)明專利CN?101718942?B

高速高精度多通道布拉格光柵解調(diào)儀中國(guó)發(fā)明專利CN?102252704?A

一種光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)中國(guó)發(fā)明專利CN?102183267?A

一種可調(diào)激光型光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)裝置中國(guó)發(fā)明專利CN?102494874?A

一種布拉格光柵傳感系統(tǒng)(Fiber?Bragg?Grat?ing?Sensor?System)(美國(guó)專利US?7333680B2)