[發明專利]一種基于超短FBG光譜線性區的應變傳感系統

在審

• 申請號: 201711464497.2
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN107917675A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 祝連慶;李凱;辛璟燾;董明利;婁小平;李紅;孫廣開
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,龐立巖

技術領域

本發明涉及光纖光柵傳感技術領域，具體為一種基于超短FBG光譜線性區的應變傳感系統。

背景技術

光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術因其采用波長編碼的方式，具有抗電磁干擾，對被測量干擾小，易于埋入工程結構等優于傳統電氣傳感器的優點，成為近年來光纖傳感領域的一大研究熱點。并被廣泛應用于生物醫學、飛行控制、結構監測、深海感知等領域。

普通均勻光纖光柵為了保證較窄的反射光譜(一般小于0.2nm)，光柵長度一般需要達到厘米量級。對于傳統波長探測的解調方法來說，光纖光柵的這種窄線寬光譜特性非常重要，有助于實現高測量分辨率和測量速度。普通光纖光柵用于非均勻場的測量具有局限性，這是因為長柵區會引起光譜扭曲，從而影響測量精度。除此之外，在封裝過程中，光柵過長也容易產生啁啾。

超短光纖光柵(Ultra Short FBG,超短光纖光柵)的柵區長度只有幾百甚至只有幾十微米。因此，超短光纖光柵可以從根本上解決上述非均勻場的測量和封裝問題，更重要的是，基于超短光纖光柵的傳感系統在功率預算和感測能力方面也有顯著的提高。超短光纖光柵的寫制類似于普通的均勻光纖光柵，通過在相位掩模板之間放置可調節狹縫并且通過調整狹縫可以很容易得控制光纖光柵的長度，具有較高的成本效益和寫制效率。

在實際工程應用中，多使用基于衍射光柵和線陣CCD的光纖光柵解調儀對光纖光柵波長進行解調，具有解調速度快，集成度高的獨特優勢。和多數解調方法一樣，解調儀依賴于光纖光柵的窄線寬，并且分辨率受到衍射光柵分辨率的限制。由于柵區長度較短，超短光纖光柵的反射譜寬度可以是幾或幾十納米，這種光譜特性給超短光纖光柵的解調帶來了困難，從而限制了超短光纖光柵在傳感領域的應用。并且隨著實際應用環境多樣化和復雜化，解調儀構建的解調系統已無法滿足應用環境對系統的重量、體積、功耗的要求。因此，找到一種適用于超短光纖光柵傳感系統且功耗較低的解調方法，具有重要的科學研究和實際應用價值。

發明內容

本發明是為了解決傳統光纖光柵因柵區較長，不適用于梯度場測量及封裝過程中易產生啁啾的問題，提供了一種基于超短光纖光柵光譜線性區的傳感解調系統。該系統結構簡單，功耗低，具有較高的空間測量分辨率。

為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：一種基于超短FBG光譜線性區的應變傳感系統，包括穩頻激光器、環形器、超短光纖光柵和光電二極管；所述環形器的一端與穩頻激光器的一端相連，且環形器的另一端通過超短光纖光柵；所述光電二極管用來接收經超短光纖光柵反射回來激光束經環形器后的反射光功率。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述穩頻激光器為8164A可調激光光源；最大輸出功率為8dBm，激光線寬小于5pm，波長穩定性小于1pm。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述超短光纖光柵為HI1060FLEX 高摻鍺光纖光柵。

作為本發明的進一步優選技術方案，所述穩頻激光器發出的激光束經過超短光纖光柵后的反射光功率信號可以表示為：

其中，R(λ-λ_B)和S(λ-λ_B)分別是激光的光功率函數和超短光纖光柵的反射譜函數。由于穩頻激光器處于穩定的環境中，可以將其光譜函數看作是一個穩定的常量，則反射光功率函數可以表示為

從式(2)中可以看到，該傳感系統的功率只與超短光纖光柵的反射譜有關。當被測參量發生改變時，超短光纖光柵的中心波長隨待測參量變化而發生飄移，從而使經光柵邊緣反射回來的激光束光功率發生變化。因此，基于此原理可以實現對應變及溫度的有效測量。

有益效果

本發明提供了一種基于超短FBG光譜線性區的應變傳感系統。具備以下

有益效果：

該基于超短FBG光譜線性區的應變傳感系統，通過穩頻激光器輸出激光束經超短光纖光柵邊緣線性區反射回來的光功率進行解調，具有結構簡單、功耗低的優點；采用超短光纖光柵作為傳感元件，可避免柵區長度長，在封裝過程中產生啁啾的問題，并可實現高空間分辨率測量，實用性強，易于推廣使用。

附圖說明

圖1為本發明的不同柵區長度的光柵反射譜圖；

圖2為本發明的不同折射率調制深度的光柵反射譜圖；

圖3為本發明的光纖光柵傳感解調原理示意圖圖；

圖4為本發明的光纖光柵傳感解調系統圖；

圖5為本發明的不同應變下的超短光纖光柵反射譜圖；

圖6為本發明的光功率與撓度關系曲線圖。