專利名稱：基于ccd和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于電荷耦合器件(CCD)和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感 解調(diào)系統(tǒng)，適用于光纖通信、光纖傳感、交通信息工程及控制技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵傳感器的工作原理是將外界被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴祭癫?長的變化，因此如何檢測布拉格波長的微小變化即對波長編碼信號進(jìn)行解調(diào)成 了光纖布拉格光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵問題。解調(diào)系統(tǒng)就是用來完成測量布拉 格波長的變化。只有通過解調(diào)系統(tǒng)才能獲取外界被測量的信息，實(shí)現(xiàn)傳感的價 值和意義，它在整個傳感器系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。光纖布拉格光柵傳感具有光纖傳輸系統(tǒng)的不帶電、抗射頻、抗電磁干擾、防 燃、防爆、抗腐蝕、耐高壓、耐電離輻射、重量輕、體積小及具有大信號傳輸 帶寬等優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感應(yīng)用越來越廣泛。長周期光纖光柵的光譜中， 一部分耦合到包層中，這部分能量為P1，余下的 經(jīng)過長周期光纖光柵繼續(xù)向前傳播，這部分的能量為P2， Pl+P2就是光源的功 率，長周期光纖光柵的每個透射峰的短波長側(cè)或者長波長側(cè)是上升的曲線或者 下降的曲線，是波長的函數(shù)，因此P1和P2都是波長的函數(shù)Erdogan T. Fiber grating spectra.[J]. Lightwave Technology, Journal of， 1997， 15(8): 1277-1294.。解調(diào)方法常用的有笨重、價格昂貴的光譜儀法；采用可調(diào)諧光源以及光纖法布里-珀羅濾波加寬帶光源的解調(diào)方法，這種方法，需要的器件復(fù)雜，成本高； 非平衡馬赫-曾德干涉儀的濾波原理對傳感信號的波長變化量轉(zhuǎn)化為相位變化量進(jìn)行濾波解調(diào)，Jl定'些差，^^{^|位變化范圍決定其測量范圍非常有限，并會出現(xiàn)絕對波長測量的損耗；匹配濾波法是利用另一個布拉格光柵(參考光柵)， 在驅(qū)動元件的作用下借助外差載波技術(shù)來跟蹤布拉格光柵(傳感光柵)的波長變 化，使得參考光柵的反射波長在某個時刻或某段時間內(nèi)和傳感光柵的反射波長 一致，實(shí)現(xiàn)參考光柵對傳感光柵信號的解調(diào)，這種方法掃描速度慢，驅(qū)動元件 的非線性嚴(yán)重影響解調(diào)精度。目前也有采用CCD來解調(diào)的系統(tǒng)，但是采用把端 面的發(fā)射出來的光采用體光學(xué)元件把出射光分開解調(diào)李學(xué)勝.CCD光譜成像技 術(shù)在光纖光柵解調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用[D].黑龍江大學(xué)，2007; Zhou K.， Simpson A.GL， Chen X.， Zhang L， Bennion I. Fiber Bragg grating sensor interrogation system using a CCD side detection method with Superimposed blazed gratings.[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 2004, 16(6): 1549-1551，或者需要附加光路來消除光 源的波動影響。由于上述光纖光柵傳感解調(diào)方法的不足，光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)是發(fā)揮光纖 光柵傳感優(yōu)勢和加快光纖光柵傳感推進(jìn)的攔路虎。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的布拉格光柵傳感解調(diào)方法的不足， 提供一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，它是把長周 期光纖光柵側(cè)面緊貼在CCD的表面,用不透光的盒子把長周期光纖光柵和CCD 密封在一起，長周期光纖光柵一端接光電探測器， 一端接布拉格光柵傳感單元; CCD和控制器電連接，光電探測器、控制器和信號處理單元電連接； 光電探測器探測的數(shù)據(jù)和CCD控制器獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號處理單元，處理單元對兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元布拉格光柵的波長漂移量。
CCD采集耦合到長周期光纖光柵的包層中的光功率。 光電探測器釆集經(jīng)過長周期光纖光柵透射過來的光功率。 信號處理單元根據(jù)CCD采集耦合到長周期光纖光柵包層的光功率和光電探 測器采集透射過來的光功率，判斷布拉格光柵傳感單元光源的光功率波動。
長周期光纖光柵的光譜寬度很寬，可以把部分能量耦合到包層中輻射出去； 布拉格光柵的光譜較窄，能把特定波長的入射光反射回去。如果傳感單元采用 布拉格光柵反射回來的，經(jīng)過長周期光纖光柵時，長周期光纖光柵把部分能量 耦合到包層出來，部分直接經(jīng)過長周期光纖光柵透射出來；耦合到包層的能量 為P1，直接透射的能量為P2，布拉格光柵反射回來進(jìn)入長周期光纖光柵的能量 為P， P=P1+P2。由于長周期光纖光柵的透射曲線是波長的函數(shù)，因此耦合到包 層的能量Pl和直接透射的能量P2也是波長的函數(shù)，當(dāng)耦合到包層的能量Pl增 加時，直接透射的能量P2就減少，直接透射的能量P2減少的量就是耦合到包 層的能量P1增加的量。因此本發(fā)明可以消除傳感單元的光源功率波動的影響。
當(dāng)傳感單元在外界因素作用下，耦合到包層的能量P1由CCD檢測，耦合到 包層的能量可以得到，通過CCD測量得到的能量Pl變化就可以計(jì)算出傳感單 元的波長變化，實(shí)現(xiàn)了傳感單元波長解調(diào)。但是有時候，傳感單元的光源功率 會發(fā)生波動，對CCD來說，也是功率變化，導(dǎo)致計(jì)算出傳感單元的布拉格光柵 波長發(fā)生了變化，產(chǎn)生誤報(bào)，但是這是時候把探測器測量的功率P2與CCD測 量得到的能量P1運(yùn)算，就可以推出是傳感單元的光源波動所引起，消除傳感單 元光源波動引起的誤差。
本發(fā)明的有益效果采用長周期光纖光柵耦合到包層的功率變化來判斷傳感 單元的布拉格光柵的波長變化，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低；利用長周期光纖光柵透射的光功率來校準(zhǔn)光源的功率波動，不需要額外增加光路和光路元件， 減少了額外的開銷，并大大提高解調(diào)的精度。這對降低布拉格光柵解調(diào)成本， 推進(jìn)布拉格光柵傳感應(yīng)用，發(fā)揮布拉格光柵傳感優(yōu)勢具有重要的意義。


圖1基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)示意圖。 圖2長周期光纖光柵透射光譜圖。 圖3布拉格光柵反射光譜圖。 圖4長周期光纖光柵透射光譜圖。 圖5布拉格光柵反射光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 實(shí)施例一
一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，它是把長周 期光纖光柵1側(cè)面緊貼在CCD 2的表面，用不透光的盒子3把長周期光纖光柵 1和CCD2密封在一起，長周期光纖光柵3—端接光電探測器4， 一端接布拉格 光柵傳感單元7;
CCD 2和控制器5電連接，光電探測器4、控制器5和信號處理單元6電連
接；
光電探測器4探測的數(shù)據(jù)和CCD2控制器5獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號處理單 元6，處理單元對兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元7布拉格光柵的波長漂 移量。
布拉格光柵傳感單元7的布拉格光柵反射峰位于長周期光纖光柵1透射峰的長波長側(cè)，受到被傳感量的作用時，布拉格光柵反射波長向長波長方向移動，
布拉格光柵傳感單元7反射回來進(jìn)入長周期光柵1的能量耦合到包層中的能量 減少，透過長周期光纖光柵1的能量進(jìn)入光電探測器4的能量增加；耦合到包 層的能量P1由CCD檢測，透過長周期光纖光柵的能量P2由光電探測器4檢測， CCD檢測得到的數(shù)據(jù)和光電探測器得到的數(shù)據(jù)輸入到信號處理單元，信號處理 單元6對兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元7布拉格光柵的波長漂移量； 實(shí)現(xiàn)傳感解調(diào)。 實(shí)施例二
器件連接同實(shí)施例一。
布拉格光柵傳感單元7的布拉格光柵反射峰位于長周期光纖光柵1透射峰的 短波長側(cè)，受到被傳感量的作用時，布拉格光柵反射波長向短波長方向移動， 布拉格光柵傳感元7反射回來進(jìn)入長周期光柵1的能量耦合到包層中的能量減
少，透過長周期光纖光柵1的能量進(jìn)入光電探測器4的能量增加；耦合到包層
的能量Pl由CCD檢測，透過長周期光纖光柵的能量P2由光電探測器4檢測， CCD檢測得到的數(shù)據(jù)和光電探測器得到的數(shù)據(jù)輸入到信號處理單元，信號處理 單元6對兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元7布拉格光柵的波長漂移量； 實(shí)現(xiàn)傳感解調(diào)。 實(shí)施例三
器件連接同實(shí)施例一。
布拉格光柵傳感單元7的布拉格光柵反射峰位于長周期光纖光柵1透射峰的 短或長波長側(cè)，受到被傳感量的作用時，布拉格光柵反射波長向短波長方向移 動，布拉格光柵傳感單元7反射回來進(jìn)入長周期光柵1的能量耦合到包層中的 能量減少或增加，透過長周期光纖光柵1的能量進(jìn)入光電探測器4的能量增加或減少；耦合到包層的能量P1由CCD檢測，透過長周期光纖光柵的能量P2由 光電探測器4檢測，CCD檢測得到的數(shù)據(jù)和光電探測器得到的數(shù)據(jù)輸入到信號 處理單元，信號處理單元6對兩路數(shù)據(jù)處理得到傳感單元7布拉格光柵的波長 漂移量；實(shí)現(xiàn)傳感解調(diào)。
布拉格光柵傳感單元7受到被傳感量的作用時，布拉格光柵反射波長向長波 長方向移動，與上述情況下的探測到的能量變化規(guī)律相反。
圖2長周期光纖光柵透射光譜圖、圖3布拉格光柵反射光譜圖。說明布拉 格光柵傳感單元7在長周期光柵1上的長波長側(cè)的情況。
圖4長周期光纖光柵透射光譜圖、圖5布拉格光柵反射光譜圖。說明布拉 格光柵傳感單元7在長周期光柵1上的短波長側(cè)的情況。
本發(fā)明所使用的器件均為市售器件。
權(quán)利要求
1.一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，特征在于把長周期光纖光柵(1)側(cè)面緊貼在CCD(2)的表面，用不透光的盒子(3)把長周期光纖光柵(1)和CCD(2)密封在一起，長周期光纖光柵(3)一端接光電探測器(4)，一端接布拉格光柵傳感單元(7)；CCD(2)和控制器(5)電連接，光電探測器(4)、控制器(5)和信號處理單元(6)電連接；光電探測器(4)探測的數(shù)據(jù)和CCD(2)控制器(5)獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號處理單元(6)，信號處理單元對兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元(7)布拉格光柵的波長漂移量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于CCD (2)采集耦合到長周期光纖光柵(1)的包 層中的光功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于光電探測器(4)采集經(jīng)過長周期光纖光柵(1) 透射過來的光功率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于信號處理單元(6)根據(jù)CCD (2)采集耦合到長 周期光纖光柵(1)包層的光功率和光電探測器(4)采集透射過來的光功率， 判斷布拉格光柵傳感單元(7)光源的光功率波動。
全文摘要
一種基于CCD和長周期光纖光柵的布拉格光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，它是把長周期光纖光柵(1)側(cè)面緊貼在CCD(2)的表面，用不透光的盒子(3)把長周期光纖光柵和CCD密封在一起，長周期光纖光柵一端接光電探測器(4)，一端接布拉格光柵傳感單元(7)；CCD和控制器(5)電連接，光電探測器、控制器和信號處理單元(6)電連接；光電探測器探測的數(shù)據(jù)和CCD控制器獲得的數(shù)據(jù)一起送入信號處理單元，信號處理單元對兩路數(shù)據(jù)處理得到布拉格光柵傳感單元布拉格光柵的波長漂移量。信號處理單元根據(jù)CCD采集耦合到長周期光纖光柵包層的光功率和光電探測器采集透射過來的光功率，判斷布拉格光柵傳感單元光源的光功率波動。
文檔編號G01D5/353GK101324447SQ20081011720
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者楚 劉, 寧提綱, 帆 張, 朱翀宇, 王春燦, 白宏偉, 鄭晶晶, 馬中秀 申請人:北京交通大學(xué)