專利名稱：光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器，尤其是在光纖光柵傳感領(lǐng)域利用差分對光柵解調(diào)技術(shù)來提高探測性能的傳感方法。
背景技術(shù)：
與常用的電學(xué)傳感技術(shù)相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、重量輕、體積小、絕緣性能好、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在無損測量領(lǐng)域以及惡劣環(huán)境下的安全監(jiān)測技術(shù)方面都已得到越來越多的應(yīng)用。相對于分布式光纖傳感技術(shù)，采用光纖光柵傳感器具有更高的精度和更好的實(shí)時(shí)性。目前常用的光纖光柵解調(diào)技術(shù)有以下幾種1)光譜儀檢測法。使用光譜儀檢測出輸出光信號的波長變化。2、可調(diào)諧光源法。該方法采用窄帶可調(diào)諧光源，通過掃描光纖光柵的反射譜(或透射譜)，根據(jù)每次掃描反射光最強(qiáng)時(shí)的掃描電壓進(jìn)行波長解調(diào)。3)可調(diào)諧法布里-珀羅腔(F-P)法。該方法采用F-P諧振腔光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解調(diào)。在壓電陶瓷上施加一個(gè)掃描電壓，使壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮，來改變F-P腔的腔長。從而使透射通過F-P腔的光波長及其強(qiáng)度發(fā)生改變，可直接將波長信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行解調(diào)。4)匹配光柵法。采用一個(gè)與傳感光纖光柵匹配的接收光柵，去跟蹤解調(diào)傳感光柵的波長變化。上述方法中，方法1)僅適合實(shí)驗(yàn)室使用；方法2、和幻適用于解調(diào)精度較高的應(yīng)用，但價(jià)格較高；方法4)結(jié)構(gòu)簡單，但是應(yīng)力解調(diào)靈敏度不高，適用于應(yīng)力分辨率要求較低的應(yīng)用，如列車計(jì)軸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明采用差分式光柵解調(diào)方法，以進(jìn)一步提高光纖光柵傳感裝置的解調(diào)靈敏度和信噪比。本發(fā)明的另一目的是將該方法應(yīng)用在更多種類的光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備中。本發(fā)明的目的是基于如下分析和方案提出和實(shí)現(xiàn)的光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)方法，其特征在于，ASE寬帶光源100 將寬頻帶光信號送入環(huán)形器101 ；傳感光柵200固定在被測物體上，激光信號經(jīng)傳感光柵 200反射后攜帶有被測點(diǎn)的應(yīng)力信息，所得反射光信號經(jīng)光環(huán)形器101和光耦合器102后分為至少兩束光信號透射通過各自匹配的參考光柵進(jìn)行解調(diào)，其中至少一個(gè)參考光柵與所述傳感光柵的布拉格波長相同；光電探測器將各自的光功率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所得多路電壓信號經(jīng)運(yùn)算操作后進(jìn)行波長解調(diào)，實(shí)時(shí)得到被測位置的應(yīng)力變化信息。本發(fā)明相比常用的單通道匹配光柵解調(diào)方式，在應(yīng)力測量靈敏度方面提高了約兩倍，而且可以消除光源輸出光功率波動所帶來的測量誤差。該發(fā)明可應(yīng)用于光纖光柵應(yīng)力傳感系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在高速鐵路、城市軌道列車和橋隧結(jié)構(gòu)等交通安全監(jiān)測系統(tǒng)高靈敏度的應(yīng)力監(jiān)測，并在智能建筑、地質(zhì)和巖土工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。


如下
圖1為差分對匹配光柵解調(diào)裝置示意圖。圖2為傳感光柵及參考光柵光譜示意圖。圖3為光強(qiáng)測量值與應(yīng)力變化仿真結(jié)果圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施一個(gè)典型結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施系統(tǒng)采用的光柵光譜6為本發(fā)明實(shí)施系統(tǒng)波長解調(diào)曲線，圖(a)為單路匹配光柵解調(diào)信號，圖(b)為差分對匹配光柵解調(diào)結(jié)果。圖7為本發(fā)明可采用的另一測量結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，ASE光源(100)將寬頻帶光信號送入環(huán)形器(101)，激光信號經(jīng) FBG3(200)反射至環(huán)形器(101)，再經(jīng)過耦合器(102)分為強(qiáng)度相同的兩束光。FGBl (201) 的布拉格波長(中心波長)與傳感光柵FBG3Q00)相同，而FBG2Q02)的布拉格波長相對于FBG3 (200)的中心波長有一個(gè)正偏移量(或負(fù)偏移量)，該偏移量等于傳感光柵FBG3的 3dB帶寬。光纖光柵反射光譜可近似用高斯函數(shù)表示(如圖2所示)，則經(jīng)FBG3Q00)反射回光信號的分布可表示為Is(X)=S(Xb)G(X)(1)其中，SUb)表示ASE光源(100)的特征譜，如前所述是與波長無關(guān)的量。G(X) 是光柵FBG3Q00)的反射譜模型函數(shù)。總的反射光功率是對上式進(jìn)行積分得到的結(jié)果。則反射光信號再透射通過FBGl (201)和FBG2 002)，由光電探測器得到的光功率為 P = k 廠功毛)G3 (X)T1 (λ) λ(2)
J-CO其中，k為常數(shù)因子，T1U) = I-G1(X)是FBGl O01)的透射譜函數(shù)。FBGl(2Ol) 和FBG2Q02)的透射光譜如圖2所示。FGBl (201)的布拉格波長與傳感光柵FBG3 Q00)相同，而FBG2Q02)的布拉格波長相對于FBG3 O00)的中心波長有一個(gè)正偏移量Δ λ (或負(fù)偏移量)。如果是正偏移量，對應(yīng)于在測量位置物體受拉伸應(yīng)力的情況，如果是負(fù)偏移量，對應(yīng)于在測量位置物體受擠壓應(yīng)力的情況。仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出，采用本發(fā)明的差分對匹配光柵方法得到的解調(diào)曲線斜率約為原匹配光柵解調(diào)法的兩倍，即應(yīng)力測量靈敏度提高了約兩倍。一個(gè)具體實(shí)施例子如圖4所示。傳感光柵FBG3(200)沿縱向固定在鋼軌底部中間部分，鋼軌兩端分別放在鋼支撐結(jié)構(gòu)上，模擬枕木結(jié)構(gòu)。使用負(fù)載機(jī)在鋼軌上方加載荷，該載荷的幅度和持續(xù)時(shí)間受編程控制。解調(diào)電路采用ARM芯片，該芯片內(nèi)部有12位的AD轉(zhuǎn)換單元。光電探測器300和301將兩路光功率信號分別轉(zhuǎn)換為電信號。兩路電信號再經(jīng)過放大電路1 (302)和A/D轉(zhuǎn)換器1 (304)，以及放大電路2 (303)和A/D轉(zhuǎn)換器2 (305)，將兩路電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。兩路數(shù)字信號送至中央處理器(400)進(jìn)行相減運(yùn)算，并進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算。最后解調(diào)結(jié)果輸出到上位機(jī)(401)顯示。本發(fā)明采用光電探測器直接測量光強(qiáng)變化進(jìn)行解調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)中沒有掃描結(jié)構(gòu)，因而具有高實(shí)時(shí)性。使用光譜儀分別對傳感光柵 FBG3(200)的反射光譜、參考光柵FBGl O01)以及FBG2Q02)的透射光譜進(jìn)行了測量，其光譜分布如圖5所示。在本例中，選取傳感光柵FBG3 O00)的中心波長為1533nm，3dB帶寬為0. 2nm;選取參考光柵FBGl (201)中心波長和帶寬與FBG3相同；選取參考光柵FBG2 (202)的中心波長與FBG3Q00)相差0. 2nm，其帶寬為0. 2nm。選取參考光柵FBG2 (202)的中心波長為1533. 2nm,則可利用FBGl和FBG2測量物體受拉伸應(yīng)力情況；選取參考光柵FBG2 (202)的中心波長為1532. 80nm，則可利用FBGl和FBG2測量物體受拉擠壓應(yīng)力情況。解調(diào)結(jié)果如圖6所示。其中，圖(a)為經(jīng)過兩路光電探測器APDl (300)和 APD2(301)及兩路放大電路(302)和(303)后得到的電壓值；圖(b)為采用本發(fā)明差分對光柵解調(diào)法的解調(diào)結(jié)果?？梢钥闯觯捎帽景l(fā)明的差分對匹配光柵方法得到的測量結(jié)果的斜率大于采用原匹配光柵解調(diào)法的結(jié)果約兩倍。與前面理論計(jì)算所得到的結(jié)論吻合，驗(yàn)證了本發(fā)明的正確性。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，采用的泵浦光源可能存在輸出光功率不穩(wěn)定的情況。但是本發(fā)明的差分對匹配光柵解調(diào)法，將兩路參考信號相減后再進(jìn)行解調(diào)，消除了光源不穩(wěn)定所帶來的測量誤差，提高了測量系統(tǒng)的信噪比。此外，圖7給出了本發(fā)明的另一種應(yīng)用結(jié)構(gòu)。圖7所示的測量結(jié)構(gòu)，與圖1所示測量結(jié)構(gòu)，增加了參考光柵FBG4(203)、光電探測器PD3(306)。FBG4Q03)的中心波長相對于傳感光柵FBG3Q00)存在一個(gè)負(fù)偏移量λ，參考光柵Q03)的布拉格波長與傳感光柵 (200)的布拉格波長存在負(fù)偏移量，該偏移量的大小與傳感光柵的3dB帶寬相比擬，即該偏移量的大小約等于傳感光柵的3dB帶寬。在解調(diào)時(shí)，將探測器PD3 (306)得到的電壓信號與 PDl (300)得到的電壓信號相減，再進(jìn)行解調(diào)，可測量被測物體的擠壓應(yīng)力。該結(jié)果與探測器 PD2(301)得到的測量結(jié)果結(jié)合起來，就能夠測量被測物體的拉伸應(yīng)力以及擠壓應(yīng)力。其應(yīng)力測量靈敏度相對于原匹配光柵解調(diào)法都能提高約兩倍。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)性和精度要求較高的光纖光柵應(yīng)力傳感系統(tǒng)。如在高速鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中的安全監(jiān)測裝置中，對軌道應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測、對列車偏載情況的實(shí)時(shí)測量，以及列車載重測量等設(shè)備；對隧道、橋梁安全監(jiān)測或智能建筑的應(yīng)力監(jiān)測等系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)方法，其特征在于，ASE寬帶光源(100) 將寬頻帶光信號送入環(huán)形器(101)；傳感光柵O00)固定在被測物體上；激光信號經(jīng)傳感光柵(200)反射后攜帶有被測點(diǎn)的應(yīng)力信息；所得反射光信號經(jīng)光環(huán)形器(101)和光耦合器(10 后分為至少兩束光信號透射通過各自匹配的參考光柵進(jìn)行解調(diào)，其中至少一個(gè)參考光柵與所述傳感光柵的布拉格波長相同；光電探測器將各自的光功率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所得多路電壓信號經(jīng)運(yùn)算操作后進(jìn)行波長解調(diào)，實(shí)時(shí)得到被測位置的應(yīng)力變化信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)方法，其特征在于，反射光信號經(jīng)光環(huán)形器(101)和光耦合器(102)，分為兩束光信號，再分別透射通過參考光柵(201)和參考光柵002)，參考光柵(201)與所述傳感光柵的布拉格波長相同；參考光柵Q02)的布拉格波長與傳感光柵O00)的布拉格波長存在正偏移量；參考光柵(203) 的布拉格波長與傳感光柵O00)的布拉格波長存在負(fù)偏移量，該偏移量的大小與傳感光柵的3dB帶寬相比擬；光電探測器(300)和光電探測器(301)將其光功率信號轉(zhuǎn)換為電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)方法，其特征在于，反射光信號經(jīng)光環(huán)形器(101)和光耦合器(102)，分為三束光信號，再分別透射通過參考光柵(201)和參考光柵(20 及參考光柵003)，參考光柵(201)與所述傳感光柵的布拉格波長相同；參考光柵O02)的布拉格波長位于傳感光柵透射率最低點(diǎn)附近呈正偏移；參考光柵O03)的布拉格波長位于傳感光柵透射率最低點(diǎn)附近呈負(fù)偏移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)方法，其特征在于，各參考光柵的光信號探測電路的放大倍數(shù)相同。
5.權(quán)利要求1或2或3或4所述之差分對光柵解調(diào)技術(shù)的用途，其特征在于，應(yīng)用于被測物體因應(yīng)力變化產(chǎn)生形變的情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測具有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化的光纖光柵傳感設(shè)備中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖光柵傳感器應(yīng)力測量的差分對光柵解調(diào)技術(shù)，采用一個(gè)傳感光柵，和至少兩個(gè)參考光柵；其中一個(gè)參考光柵的光譜參數(shù)與傳感光柵相同，其它參考光柵的布拉格波長相對于傳感光柵存在微小的偏移。分別采集透射通過參考光柵的光功率信號，將對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)相減，得到應(yīng)力解調(diào)曲線。本發(fā)明相比常用的單通道匹配光柵解調(diào)方式，在應(yīng)力測量靈敏度方面提高了約兩倍，而且可以消除光源輸出光功率波動所帶來的測量誤差。該發(fā)明可應(yīng)用于光纖光柵應(yīng)力傳感系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在高速鐵路、城市軌道列車和橋隧結(jié)構(gòu)等交通安全監(jiān)測系統(tǒng)高靈敏度的應(yīng)力監(jiān)測，并在智能建筑、地質(zhì)和巖土工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G01L1/24GK102252791SQ20111018778
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者張兆亭, 張志勇, 溫坤華, 潘煒, 羅斌, 閆連山 申請人:西南交通大學(xué)