[發明專利]基于陣列式波分復用器技術實現波長解調的光纖壓力傳感器

有效

• 申請號: 201510334598.2
• 申請日: 2015-06-17
• 公開（公告）號: CN104897335B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 楊洋;劉冰
• 申請（專利權）人: 承德石油高等專科學校
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01L19/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種光纖光柵壓力傳感器，具體來說涉及一種基于陣列式波分復用器技術實現波長解調的光纖光柵壓力傳感器。

背景技術

壓力儀表在工業生產中具有重要作用和地位。在研究各類壓力測量儀表中光纖光柵壓力傳感器的研制與開發對于石油、石化等對安全防爆等級要求高的行業具有特殊的作用和價值。多年來圍繞光纖光柵壓力傳感器的研制與開發中一項核心技術就是選擇與這種傳感器相適應的解調方式。圍繞解調方式，國內外專家先后提出了可調法布里-珀羅濾波器法、非平衡馬赫-曾德爾干涉儀解調法、壓電陶瓷匹配光纖光柵濾波法等多種方法。這些解調方案有不同的優缺點，但整體來講系統成本高、技術復雜是共性的問題，這在一定程度上制約了光纖光柵類儀表的發展。近年來重慶大學饒云江、中科院半導體所田珂珂、浙江大學喬文、哈爾濱理工大學張劍、承德石油高等專科學校的楊洋等先后提出利用波分復用器作為解調器，并進行了初步嘗試。由于這種解調方式具有操作簡單和價格低廉等優點，因此一經提出就廣受關注。但波分復用器解調從本質上是一種利用邊緣效應的強度解調，這種強度解調受外界環境及光源等測試系統影響較大，相對于前面提到的波長解調方式，測量精度較低，很難實現產品的工業化生產。基于波長解調測量精度高，但成本高、結構復雜，而邊緣解調結構簡單、價格便宜，但測量精度低的矛盾，長期以來在實現波長解調同時實現低成本的解調方式成為對于科技工作者來說是一件 具有挑戰性的研究內容。本發明提出用波長解調算法與陣密集波分復用器相結合的方式很好的解決了這一問題，并獲得了令人滿意的實驗結果。這一新型測試系統可望構成一種新型的有市場應用前景的新型光纖光柵類壓力測量儀表。

發明內容

本發明的目的在于利用懸臂梁調諧技術與波登管相結合的基于陣列式波分復用器技術實現波長解調的光纖光柵壓力傳感器，使用波長解調算法與50GHz密集波分復用器結合的技術來確定窄帶反射光譜在信道中的準確位置，從而實現了波長的精確解調。

為解決上述技術問題，本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

基于陣列式波分復用器技術實現波長解調的光纖光柵壓力傳感器，所述的光纖光柵壓力傳感器是采用基于懸臂梁調諧技術與波登管相結合的壓力傳感器；

所述懸臂梁調諧技術的原理為：波登管是波登管壓力計的主要感壓元件。波登管分為固定端和自由端兩部分，從波登管的固定端開口導入氣體或液體介質，波登管的曲率將隨導入氣體或液體介質的壓力改變而改變，同時波登管密封的自由端產生位移，懸臂梁的一端固定在波登管的支撐體上，為固定端，另一端為自由端，光纖光柵粘接在懸臂梁的固定端附近，波登管的自由端壓迫懸臂梁的自由端，被安裝在懸臂梁上的光纖光柵反射波長產生波長的移動，從而實現懸臂梁調諧。

由所述懸臂粱調諧技術的原理可知，光纖光柵粘接在懸臂梁的固定端附近，波登管的自由端在集中載荷作用下產生位移，光纖光柵中心波長的相對 改變量為：

式中，Δλ為光纖光柵中心波長的移動值，λ為光纖光柵中心波長，p為波登管內部的壓力，k為壓力敏感系數，k是一個僅與懸臂梁結構及光纖光柵特性有關的常量；

根據公式(I)可知：通過測量光纖光柵中心波長的移動值Δλ，能夠測量出導入氣體或液體介質的壓力變化p；

邊緣解調系統是利用線性濾波的光波透射率變化來鑒別光波長的有效工具，這一解調系統就是前面提到的用于確定波長位置的機構，它是獲得公式(I)中Δλ的重要載體。在線性濾波器的工作范圍內光纖光柵透射率與波長成近似的線性關系，且每一個波長對應一個透過率，也就是對應一個透射光強。圖2為基于邊緣解調的原理示意圖。

從密集波分復用器得到的光強I(λ)是光柵反射譜與用作邊緣解調的線性濾波器傳輸譜的卷積：

式中，I(λ)為光纖光柵壓力傳感器反射回來的光強，H(λ’)為歸一化光譜透射率分布函數，P(λ)為布拉格光纖光柵的反射光功率密度函數，λ為光纖光柵反射光譜的中心波長，λ’為光纖光柵反射光譜內任意波長，取值范圍為正、負無窮。

根據公式(II)可知：通過測量光纖光柵壓力傳感器反射回來的光強I(λ)，能夠反推出光纖光柵中心波長的移動值Δλ，從而實現邊緣解調。