[發明專利]布拉格光纖光柵應變傳感器的靈敏度增強解調方法及裝置

無效

• 申請號: 201410283384.2
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104019760A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 何祖源;杜江兵;樊昕昱;劉慶文
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01D5/353
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種光學檢測裝置技術領域的裝置及方法，具體是一種布拉格光纖光柵(FBG)應變傳感器的靈敏度增強解調方法及裝置。

背景技術

近年來，光纖傳感由于其抗輻射、抗干擾、抗腐蝕、低成本、超小型、無污染、安全可靠等優點，在廣泛的領域得到應用。特別的，采用FBG的光纖傳感器能夠實現高靈敏度的溫度、應變測量，從而可以用于高溫監控、建筑健康監控、消防安全監測、大壩橋梁的形變檢測等。

一般來說，采用傳統單模光纖的布拉格光纖光柵能夠得到1pm/με的應變靈敏度[B.Lee,“Review?of?the?present?status?of?optical?fiber?sensors,”Opt.Fiber?Technol.9,57‐79(2003)]。布拉格光纖光柵的應變響應來自于光柵的折射率調制的改變和光纖中柵格周期的改變，對于應變來說，主要是改變柵格周期。因此，通過改變光纖的材料，或者光纖結構，甚至光纖光柵的寫制方法，在一定程度上能夠提高光纖光柵的應變靈敏度。比如在文獻[F.Gu,H.Yu,W.Fang,and?L.Tong.“Nanoimprinted?polymer?micro/nanofiber?Bragg?gratings?for?high‐sensitive?strain?sensing.”IEEE?Photon.Technol.Lett.25,22‐24(2013)]中，F.Gu等人采用在微納光纖上面寫制光纖光柵的方法，可以得到2pm/με左右的溫度靈敏度，比普通單模光纖光柵的應變靈敏度有所提高。注意到，類似的預處理的方法需要采用特殊的光纖結構或材質，或者需要對光纖光柵的進行特殊的預處理，往往會使得傳感器的可靠性、穩定性變差，而且制作復雜，成本也提高。所以，對于得到高靈敏度的應變傳感，我們更希望是通過后處理來實現，從而無需對光纖頭進行預處理。

在文獻[B.P.‐P.Kuo?and?Stojan?Radic,“Fast?wideband?source?tuning?by?extra‐cavity?parametric?process,”Opt.Express18,19930‐19940(2010)]中，B.KUO等人采用全光信號處理的技術實現了頻率啁啾的放大，通過頻率啁啾的放大能夠有助于提高布拉格光纖光柵的諧振波長漂移的應變響應。

經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN103759855A公開(公告)日2014.04.30，公開了一種帶有光纖布拉格光柵的溫度傳感系統，其包括：光源、光纖環形器、一個或多個光纖FBG傳感器、耦合器、光纖、準直透鏡、光折變全息光柵、聚焦成像透鏡、成像裝置、處理器。該技術將光纖布拉格光柵傳感器引入溫度測量領域，基于光信號來傳送信息，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、耐高壓使用壽命長的優點，且穩定性好、靈敏度高、分辨率高，并能同時獲得來自同一通道上的所有光譜。但該傳感器系統采用傳統的FBG反射解調方法，一方面其光譜寬、精度差；另一方面，其檢測的是溫度傳感，且其傳感器的靈敏度是有FBG本征性質決定，較難適應現有工業需要。

中國專利文獻號CN102589439A公開(公告)日2012.07.18，公開了一種基于光纖布拉格光柵的接觸式溫度無感三維探測傳感器屬于精密儀器制造和精密測試計量技術領域；該傳感器包括由泵浦激光器、WDM耦合器、摻鉺光纖和分束器組成的寬頻光源系統、由EDFA、第一環形器、導管、參考FBG和光纖阻隔器組成的溫度補償系統、探針和由光譜分析儀、光纖耦合器和折射率匹配液組成的信號接收系統裝配構成，溫度補償系統的參考FBG放置在探針空間距離30cm內，該技術實現了三維傳感，大幅度提高了傳感器對環境的適應能力，具有結構簡單、實時性好、易于實際應用的特點，在對微小內腔尺寸實施快速、超精密的測量與校準中具有顯著優勢。但該技術其本征受限的溫度靈敏度傳感特性，以及其傳統解調結構的寬譜導致的低精度。基于該文獻描述的傳感器系統，其靈敏度依然是由FBG本征性質決定，并且它是一個溫度傳感系統，而非應變傳感系統。

發明內容