[發明專利]一種具有波長標尺校準功能的光纖布拉格光柵傳感系統

有效

• 申請號: 201810015897.3
• 申請日: 2018-01-08
• 公開（公告）號: CN108592962B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 路元剛;王緣;彭楗欽;楊雁南;趙寧;王同光
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

1.一種具有波長標尺校準功能的光纖布拉格光柵傳感系統，所述的系統包括依次相連的寬帶光源(1)、光隔離器(2)和可調諧F-P濾波器(3)，以及由多個FBG傳感器組成的FBG傳感器陣列(6)，其特征是：

所述的可調諧F-P濾波器(3)與FBG傳感器陣列(6)間設置有將可調諧F-P濾波器(3)輸出的光信號按比例分成兩路輸出的耦合器(4)，所述的耦合器(4)分出的兩路光信號中的第一路連接標準具(7)，該標準具(7)的輸出端連接第一光電探測器(8)；所述的耦合器(4)分出的兩路光信號中的第二路連接具有A、B、C三個端口的環形器(5)的A端口，所述的環形器(5)的B端口與FBG傳感器陣列(6)相連接；該環形器(5)的C端口連接第二光電探測器(9)；所述的第一光電探測器(8)的輸出端和第二光電探測器(9)的輸出端均與數據采集裝置(10)相連接，所述的數據采集裝置(10)連接有計算機(11)，該計算機(11)連接有電壓輸出可調諧電源(12)；

所述的計算機(11)通過可調諧電源(12)控制加在可調諧F-P濾波器(3)中PZT上的電壓，實現對FBG波長的測量，其控制過程包括對FBG波長解調的步驟；

在FBG波長解調步驟中，使用包含補償蠕變和遲滯的驅動電壓，驅動可調諧F-P濾波器(3)使寬帶光源（1）輸出的波長隨時間線性改變，將標準具（7）輸出的光譜各峰值波長作為波長標尺上的刻度線，通過確定FBG傳感器反射波長在波長標尺上的位置，來解調出FBG反射峰波長，實現溫度與應變的傳感；

上述過程中：

1）對可調諧F-P濾波器(3)中PZT蠕變特性的測量和補償方法為：

在驅動電壓范圍內均勻選取M個電壓值u₀，u₁，u₂, …… , u_M-1 ，測量它們在該電壓值保持時間內由PZT蠕變導致的可調諧F-P濾波器(3)波長改變量，擬合蠕變時的波長和采樣點的時間關系，擬合函數為

(1)

其中λ為標準具輸出波長，t為采樣點，c₀、c₁、c₂為擬合系數；

以最小電壓值u₀在該電壓值保持時間內的蠕變量v₀為基準，將電壓值u_j(j=0,1, ……,M-1)對應的蠕變量v_j和v₀相減得到Δv_j，根據該差值Δv_j對電壓進行補償；假定u_j到u_j+1共q個步進電壓值，對每個步進電壓值PZT的蠕變時間都相等，則u_j到u_j+1由于蠕變改變量導致的波長誤差為Δv_j·q，補償這個波長誤差需要的電壓值Δu_j為

(2)

其中K₂為可調諧F-P濾波器(3)的驅動電壓與波長線性擬合得到電壓-波長系數；

將電壓值Δu_j均分到u_j至u_j+1之間的步進電壓上，則u_j至u_j+1范圍內的所有電壓值都需要加上U_C來補償蠕變，所述U_C的大小為

(3)

2）對可調諧F-P濾波器(3)遲滯特性的測量和補償方法為：

對標準具的若干個峰波長和驅動電壓值進行四階多項式擬合

(4)

其中u(t)為驅動電壓值，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄為擬合系數，取標準具的前兩個峰之間的波長與采樣點數的比值K₃作為基準，控制其他峰值波長與采樣點之間的比值等于K₃；

若假定t=0時第一個峰值波長為e，則波長隨時間線性變化的目標函數為：

(5)

遲滯補償之后電壓值與時間的關系：

(6)

每個電壓值保持時間為τ_u，則可以得到補償遲滯的驅動電壓值為：

(7)

3）將遲滯和蠕變補償的電壓值相加，即可得到電壓控制方案的所有輸出電壓值U，具體方法為將遲滯補償電壓值，按蠕變測量時的M個電壓值u₀，u₁，u₂, …… , u_M-1分段，在每段加上相應的蠕變補償電壓值U_C，即

(8)。