專利名稱：一種光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種光纖光柵傳感陣列解 調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵(FBG)由于其特有的光纖內(nèi)部敏感、波長編碼、易于組 網(wǎng)等優(yōu)點而成為光纖傳感的一種重要器件?；谝呀?jīng)發(fā)展起來的波分復用 (WDM)和時分復用(TDM)技術(shù)，光纖光柵陣列被廣泛用于光纖準分布式傳感， 如鐵路、大橋、水壩等的健康監(jiān)測，主干輸電線沿線的溫度監(jiān)控。其中， WDM要求每一個FBG傳感器具有不同的布拉格波長，需要一個寬帶光源(帶 寬往往大于40nm)作為輸入光源，還需要一套相對復雜的波長敏感系統(tǒng)來 進行復用信號的解復用，如可調(diào)法布里-泊羅濾波器、富里葉頻譜計、波 長敏感耦合器等。而在TDM中， 一般采用窄脈沖光源輸入，各個FBG傳感 器的反射光信號利用不同的延時實現(xiàn)信號復用，用高速光電探頭接收反射 的脈沖，并由解調(diào)端的高速門處理電路解復用。這兩套復用技術(shù)，都需要 成本較高的光源和復雜的解調(diào)系統(tǒng)，直接導致了 FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的成本居高 不下，限制了其很多實際應(yīng)用。
電光調(diào)制器利用非線性效應(yīng)，可以在一定范圍內(nèi)精確改變經(jīng)過調(diào)制器 的光波的頻率；薩尼亞克(Sagnac)環(huán)由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，對外界溫度變 化，機械振動等干擾不敏感，在光纖傳感，光纖檢測等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛; 使用基于電光調(diào)制器光頻變換的Sagnac環(huán)實現(xiàn)的FBG準分布式傳感陣列， 結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強，不需要高速的光電元件，成本很低，因此非常適 用于實際應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用電光調(diào)制 器光頻變換技術(shù)的光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置。
本實用新型的具體方案是半導體激光器通過光纖隔離器與四端口 3-dB光纖耦合器的輸入端口光連接，四端口 3-dB光纖耦合器的輸出端口
與光電二極管的輸入端光連接，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入 端電連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與快速傅立葉變換分析儀電連接。
所述的激光光源的中心波長在通訊波段，其3dB線寬小于等于0. lnm。 四端口 3-dB光纖耦合器的另外兩個端口通過單模光纖連接，單模光纖 由電光調(diào)制器分為兩段，分別為測量段單模光纖和連接段單模光纖，長度 分別為^和Z^，丄?！穅，電光調(diào)制器的電驅(qū)動信號口與正弦信號發(fā)生器電連接；測量段單模光纖中插入三端口 3-dB光纖耦合器，三端口3-dB光纖 耦合器的輸入端的兩端口分別與測量段單模光纖連接，另一個端口與光纖 布拉格光柵傳感陣列光連接。
所述的光纖布拉格光柵傳感陣列由多個與激光光源中心波長一致的光 纖布拉格光柵串聯(lián)而成，光纖布拉格光柵的反射率小于3%。
本實用新型中，電光調(diào)制器利用非線性效應(yīng)，可以在一定范圍內(nèi)精確 改變經(jīng)過調(diào)制器的光波的頻率。同時，薩尼亞克環(huán)對外界溫度變化、機械 振動等干擾不敏感。本實用新型適用于一般性的光纖布拉格光柵準分布式 傳感陣列，與傳統(tǒng)的方案相比，采用了電子頻率掃描，而不是使用低速的 機械控制的波長掃描裝置，能做到極高的響應(yīng)速度，滿足實時傳感的要求； 并且由于不需要短脈沖激光，高速光電二極管和高速數(shù)據(jù)采集卡，因此成 本相對較低；另外由于傳感陣列連入薩尼亞克環(huán)中，設(shè)備抗外界溫度波動 以及機械擾動性能強。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

如圖1所示，半導體激光器1通過光纖隔離器2與四端口 3-dB光纖耦 合器3的一個輸入端口光連接；四端口 3-dB光纖耦合器3的另一個輸入端 口與光電二極管4的輸入端光連接，光電二極管4的輸出端與數(shù)據(jù)釆集卡 5的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集卡5的輸出端與FFT分析儀6電連接。四端 口 3-dB光纖耦合器3的兩個輸出端口通過單模光纖連接，單模光纖由電光 調(diào)制器8分為兩段，分別為測量段單模光纖11和連接段單模光纖7，長度 分別為4和丄6，丄?！穪A6。電光調(diào)制器8的電驅(qū)動信號口與正弦信號發(fā)生器 9電連接。測量段單模光纖11中插入三端口 3-dB光纖耦合器10，三端口 3-dB光纖耦合器10的輸入端的兩端口分別與測量段單模光纖11連接，另 一個輸出端口與傳感陣列單模光纖13連接。多個傳感FBG 12依次串聯(lián)在 傳感陣列單模光纖13上。
具體檢測中，半導體激光光源發(fā)出的激光通過光纖隔離器和四端口 3-dB光纖耦合器后，進入薩尼亞克環(huán)中。
激光進入薩尼亞克環(huán)后分為兩路，其中一路進入長度已知的測量段單 模光纖，再通過測量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到由 多個與激光光源中心波長一致的光纖布拉格光柵串聯(lián)成的光纖布拉格光柵 傳感陣列，激光被傳感陣列上的各個光纖布拉格光柵反射；反射后的激光 經(jīng)過三端口 3-dB光纖耦合器回到測量段單模光纖，通過電光調(diào)制器產(chǎn)生變 頻，所述的電光調(diào)制器由頻率受調(diào)制的正弦信號發(fā)生器驅(qū)動；變頻后的激 光經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，回到四端口 3-dB光纖耦合器；被傳感 陣列上第/個光纖布拉格光柵反射的光束回到四端口 3-dB光纖耦合器，其<formula>formula see original document page 5</formula>
(1)
其中^為一階貝塞爾函數(shù)，"為電光調(diào)制器驅(qū)動信號的歸一化振幅，g為
第/個光纖布拉格光柵反射的激光的電場強度，w為激光的角頻率，Q^電 光調(diào)制器驅(qū)動信號的角頻率。w為單模光纖的折射率，C為光速，丄,.為第/ 個光纖布拉格光柵與三端口 3-dB光纖耦合器之間的光纖長度，丄。為測量段
單模光纖的長度，^為連接段單模光纖的長度，& ^。
另一路激光首先經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，然后通過電光調(diào)制 器產(chǎn)生變頻，變頻后的激光進入長度已知的測量段單模光纖；激光通過測 量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到光纖布拉格光柵傳 感陣列，激光被光纖布拉格光柵傳感陣列上的各個光纖布拉格光柵反射， 反射后的激光經(jīng)過三端口 3-dB光纖耦合器回到測量段單模光纖，再回到四 端口 3-dB光纖耦合器；被傳感陣列上第/個光纖布拉格光柵反射的激光回 到四端口 3-dB光纖耦合器時的電場強度五，為
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第/個光纖布拉格光柵對應(yīng)的兩束激光在四端口 3-dB光纖耦合器中發(fā)
生干涉，透射的激光的強度/為
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
光電二極管探測第/個光纖布拉格光柵對應(yīng)的透過薩尼亞克環(huán)的激光 的強度，同時光強信號轉(zhuǎn)化為電信號，光電二極管的截至頻率為^ ， <formula>formula see original document page 5</formula>
由光電二極管接收到的光強；為:
<formula>formula see original document page 5</formula>(4)
電光調(diào)制器的驅(qū)動頻率。按照2;nvd乍線性變化，通過線性掃描，各個 傳感FBG反射的激光的透射光強分別按cos(/》變化(5)
其中/;.為光強變化的頻率。
電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，進行快速傅立葉變換(FFT)，在頻譜上得到式(5)
對應(yīng)的各個峰。通過測量各個峰的頻率/;.得到對應(yīng)的傳感光纖布拉格光柵
在光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)上的位置丄,c乂.
W2
(6)
頻譜上各個峰的強度由對應(yīng)的各個傳感布拉格光柵中心波長與光源的 中心波長的位置差的大小決定。依次在各個傳感光纖布拉格光柵上施加應(yīng) 力，使中心波長向長波方向漂移，記錄中心波長的移動量與頻譜上對應(yīng)的 各個峰的強度的改變關(guān)系。
將各個光纖布拉格光柵安裝在需要傳感的環(huán)境中，環(huán)境中待測物理量 改變時，各個傳感光纖布拉格光柵的中心波長發(fā)生移動，并引起頻譜上對 應(yīng)的峰值的強度改變；根據(jù)記錄的中心波長的移動量與頻譜上對應(yīng)的各個 峰的強度改變的關(guān)系，得到各個光纖布拉格光柵中心波長的移動量，最終 得到各個光纖布拉格光柵所傳感的環(huán)境物理量。
光纖布拉格光柵的中心波長的波長漂移量與對應(yīng)傳感的環(huán)境物理量變 化(微彎、溫度、應(yīng)力等變化)間的關(guān)系為現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1、一種光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置，其特征在于半導體激光器通過光纖隔離器與四端口3-dB光纖耦合器的輸入端口光連接，四端口3-dB光纖耦合器的輸出端口與光電二極管的輸入端光連接，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與快速傅立葉變換分析儀電連接；四端口3-dB光纖耦合器的另外兩個端口通過單模光纖連接，單模光纖由電光調(diào)制器分為兩段，分別為測量段單模光纖和連接段單模光纖，長度分別為La和Lb，La>>Lb，電光調(diào)制器的電驅(qū)動信號口與正弦信號發(fā)生器電連接；測量段單模光纖中插入三端口3-dB光纖耦合器，三端口3-dB光纖耦合器的輸入端的兩端口分別與測量段單模光纖連接，另一個端口與光纖布拉格光柵傳感陣列光連接；所述的激光光源的中心波長在通訊波段，其3dB線寬小于等于0.1nm；所述的光纖布拉格光柵傳感陣列由多個與激光光源中心波長一致的光纖布拉格光柵串聯(lián)而成，光纖布拉格光柵的反射率小于3％。
專利摘要本實用新型涉及一種光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置。本實用新型中四端口3-dB光纖耦合器的輸入端口通過光纖隔離器與半導體激光器連接，輸出端口與光電二極管、數(shù)據(jù)采集卡、快速傅立葉變換分析儀順序連接；四端口3-dB光纖耦合器的另外兩個端口通過單模光纖連接，單模光纖由電光調(diào)制器分為測量段單模光纖和連接段單模光纖兩段，電光調(diào)制器的電驅(qū)動信號口與正弦信號發(fā)生器電連接；測量段單模光纖中插入三端口3-dB光纖耦合器，其中輸入端的兩端口分別與測量段單模光纖連接，另一個端口與由多個與激光光源中心波長一致的光纖布拉格光柵串聯(lián)而成的光纖布拉格光柵傳感陣列光連接。本實用新型能做到極高的響應(yīng)速度，滿足實時傳感的要求，并且成本相對較低。
文檔編號G02F2/02GK201242451SQ20082012152
公開日2009年5月20日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者何賽靈, 劉偉升, 斌 周 申請人:浙江大學