[發明專利]用于溫度與應變同時測量的光纖光柵式傳感系統及方法

有效

• 申請號: 201610489840.8
• 申請日: 2016-06-29
• 公開（公告）號: CN105953825B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 何祖源;劉慶文;陳嘉庚;樊昕昱
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: 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纖傳感領域的技術，具體是一種用于溫度與應變同時測量的光纖光柵式傳感系統及方法。

背景技術

相移光纖布拉格光柵(PS‐FBG)是傳統光纖布拉格光柵(FBG)的變種。由于在折射率周期性分布的光柵引入了相移點，導致其阻帶中某個特定波長處產生極窄的透射窗口。該透射窗口的中心波長對溫度與應變同時敏感，且其靈敏度與與未引入相移的布拉格光柵一致。

保偏光纖作為設計時引入了強雙折射的一類光纖，其快軸與慢軸具有不同的折射率。兩者折射率的差值和與其相對應的頻率差值同樣對溫度與應變線性敏感，因此，保偏光纖中的雙折射效應也可應用于相關的溫度或應變傳感場景。

在高精度光纖光柵傳感領域中，D.Gatti、G.Galzerano等發表的論文(Optics Express,Vol.16,No.3,pp.1945‐1950,2008)中提出了基于相移光纖布拉格光柵的高精度應變傳感器，但由于此方案中僅采用了相移光柵透射窗口中心波長這一組物理量，因此無法消除光柵本身對溫度應變交差敏感所導致的測量誤差。而在溫度應變同時測量的研究領域中，需對兩組不同的物理量進行測量，通過求解二元方程組得到真實的待測溫度與應變。

M.Sudo、M.Nakai等在其論文(12thInternational Conference on Optical Fiber Sensors,OSA Technical Digest Series,Vol.16,170/OWC7‐1,1997)中提出了將保偏光纖上的傳統光纖光柵用于溫度應變同時測量的方案，但由于其解調精度較低導致了對雙折射效應的測量結果精度較差，從而無法實現優于1℃/10με的分辨率。

發明內容

本發明針對現有技術分辨率難以滿足要求等缺陷，提出一種用于溫度與應變同時測量的光纖光柵式傳感系統及方法，通過保偏光纖上的相移光纖布拉格光柵的快慢軸透射窗口的不同中心頻率，進行高精度的解調，實現溫度與應變同時測量。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種用于溫度與應變同時測量的光纖光柵式傳感系統，包括：探測光支路、反饋檢測支路、保偏光耦合器、調制單元和計算單元，其中：傳感光柵一端與保偏光耦合器相連，另一端經去菲涅耳反射處理，探測光支路輸出雙邊帶強度調制的探測光通過輸入傳感光柵以實現對傳感光柵的快軸和慢軸上的透射峰中心進行探測，傳感光柵的反射信號通過保偏光耦合器輸入反饋檢測支路，調制單元根據計算單元的控制指令及讀數，向探測光支路輸出頻率信號，計算單元根據反饋檢測支路提供的數據對調制單元的頻率參數進行修正，以便將探測光的兩個邊帶鎖定在傳感光柵相應的透射峰上并計算得到溫度和應變。

所述的探測光支路包括：依次相連的可調諧激光器、光耦合器、光相位調制器、光強度調制器和45°旋轉熔接的保偏光纖。

所述的可調諧激光器發出的光信號經過光耦合器分為兩束，一束進入光相位調制器，一束進入光波長計進行波長讀數。

所述的反饋檢測支路包括：信號發生器、偏振分束器、與偏振分束器的兩個輸出端對應相連的快軸檢測支路和慢軸檢測支路。

所述的偏振分束器的輸入端與保偏光耦合器的輸入端相連，偏振分束器的兩個輸出端分別對應傳感光柵的快軸和慢軸的反射信號。

所述的快軸檢測支路和慢軸檢測支路結構相同，為串聯的光電探測器和鎖定放大器。

所述的信號發生器同步驅動光相位調制器和鎖定放大器。

所述的調制單元為射頻信號發生器。

所述的射頻信號發生器驅動光強度調制器。

所述的計算單元通過控制總線對射頻信號發生器進行控制及讀數。

所述的計算單元為計算機。

所述的計算機對鎖定放大器的數據進行采集，并對可調諧激光器的中心頻率和射頻信號發生器的信號頻率進行修正。

所述的數據為探測光的兩個邊帶與相應的傳感光柵的快軸和慢軸透射峰中心的兩個鑒頻信號。

所述的傳感光柵一端與保偏光耦合器相連，另一端經去菲涅耳反射處理。

所述的傳感光柵為保偏光纖上的相移光纖布拉格光柵。

本發明涉及一種基于上述系統的測量方法，根據鎖定后射頻信號發生器的信號頻率和光波長計讀出的可調諧激光器的輸出波長，換算后得到傳感光柵快慢軸的透射峰的中心頻率差(雙折射致頻率差)和兩個透射中心頻率的平均值(光柵布拉格頻率)；根據雙折射致頻率差和光柵布拉格頻率分別對溫度和應變的靈敏度的對應關系，解得待測的溫度與應變。