高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種準(zhǔn)分布式時域、頻域光纖光柵傳感及其解調(diào)技術(shù)，具體地指 一種基于陣列光纖光柵中雙向時域、頻域溫度與壓力復(fù)合傳感陣列系統(tǒng)，屬于光傳感技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖布拉格光柵（FBG)憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、高精度、多參數(shù)、體積小、易于 分布式測量等優(yōu)越的特性，已被認(rèn)為最具發(fā)展前途的光纖傳感器，在各類工程技術(shù)領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。
[0003] 溫度與應(yīng)變是工程系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)或環(huán)境健康監(jiān)測的兩個關(guān)鍵測試參量。局部關(guān)鍵 位置的應(yīng)力狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)安全服役狀態(tài)，溫度則對其健康狀況和使用壽命有巨大影 響。FBG能夠測量溫度與應(yīng)變，精度高，調(diào)解速度快，但由于溫度與應(yīng)變的交叉敏感，采用傳 統(tǒng)的高反射率FBG，同時準(zhǔn)確測量大型結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)變一直是工程應(yīng)用中的難題。目前提 出的通過檢測參考光柵背向自發(fā)或受激布里淵散射光，實(shí)現(xiàn)分布式溫度與應(yīng)變的測量，但 解調(diào)速度慢，測試精度低，且需要兩根光纖同時檢測溫度與應(yīng)變。
[0004] 為了擴(kuò)大工程應(yīng)用范圍，必須構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的FBG傳感系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的光 纖光柵傳感系統(tǒng)由于采用高反射率FBG，一般采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，定 位準(zhǔn)確。但采用該技術(shù)的最大復(fù)用容量嚴(yán)重受限于光源帶寬，難以滿足大規(guī)模系統(tǒng)的需求。 同時，在實(shí)際的工程應(yīng)用中布設(shè)相對困難，線路復(fù)雜且布設(shè)成本高。
[0005] 長期以來，人們習(xí)慣于采用FBG中反射光譜獲取傳感信息，忽略了其前向傳輸光 的各類信息。本實(shí)用新型提出，前向光在布拉格諧振波長附近存在一定的群延時，傳播速度 較反射光慢，對外界應(yīng)力或振動信息敏感，構(gòu)成相位變化。采用快速掃頻激光器，將波分復(fù) 用與時分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，同時檢測雙向光波的信息，擴(kuò)大FBG傳感系統(tǒng)的容量。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型提供一種高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，本實(shí)用新型采用單 根光纖就能夠同時檢測傳感區(qū)域中的溫度與應(yīng)變，檢測速度快，系統(tǒng)靈敏度高，檢測容量 大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
[0007] 本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，包括快速可調(diào)激光器、電光調(diào)制器、 環(huán)形器、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列和信號處理模塊，快速可調(diào)激光器在信號處理模塊的 控制下，開始掃頻，產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào)制器，信號處理模塊產(chǎn)生電光調(diào)制器的驅(qū) 動脈沖，對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的與一組光纖光柵中心波長匹配的光脈沖從環(huán)形器的a 口入、 b 口出，進(jìn)入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列并產(chǎn)生了反射光脈沖和前向光脈沖，反射光脈沖從 環(huán)形器b 口入、c 口出，并經(jīng)后向光放大與接收模塊后進(jìn)入信號處理模塊，同時前向光脈沖 在所述的一組光纖光柵中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，慢光產(chǎn)生一串脈沖，經(jīng)前向光放大 與接收模塊后進(jìn)入信號處理模塊。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 本實(shí)用新型提供一種了基于快、慢光波同時檢測溫度與應(yīng)力（振動）的大容量光 纖光柵陣列的系統(tǒng)，能夠克服現(xiàn)有的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感應(yīng)用系統(tǒng)中存在的傳感單元容 量小、檢測系統(tǒng)布設(shè)困難、線路復(fù)雜、布設(shè)成本高以及傳感響應(yīng)慢、測量精度低等的不足。本 實(shí)用新型采用單根光纖就能夠同時檢測傳感區(qū)域中的溫度與應(yīng)變，檢測速度快，系統(tǒng)靈敏 度高，檢測容量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，為高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置的工 作原理。
[0012] 圖2為高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置快速可調(diào)激光器產(chǎn)生的窄帶光源 光譜示意圖。
[0013] 圖3為雙向傳感光纖光柵符合傳感系統(tǒng)的時分、波分復(fù)用技術(shù)的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] -種高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，包括快速可調(diào)激光器1、電光調(diào)制器 2、環(huán)形器3、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4和信號處理模塊7,所述準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感 陣列4包括光纖，在所述光纖中連續(xù)寫入N組具有不同中心反射波長的光纖光柵且每組有 M個具有同樣中心反射波長的光纖光柵，快速可調(diào)激光器1在信號處理模塊7的控制下，開 始掃頻，產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào)制器，信號處理模塊7產(chǎn)生電光調(diào)制器2的驅(qū)動脈沖， 對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的與一組光纖光柵中心波長匹配的光脈沖從環(huán)形器3的a 口入、b 口出， 進(jìn)入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4并產(chǎn)生了 M個反射光脈沖和前向光脈沖，M個反射光脈 沖從環(huán)形器b 口入、c 口出，并經(jīng)后向光放大與接收模塊5后進(jìn)入信號處理模塊7,同時前 向光脈沖在所述的一組光纖光柵中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，慢光產(chǎn)生一串脈沖，經(jīng)前 向光放大與接收模塊6后進(jìn)入信號處理模塊7。準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4為準(zhǔn)分布式 光纖布拉格光柵（FBG)傳感陣列，所述準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵（FBG)傳感陣列為寫入有 N組中心反射波長各不相同的光纖光柵且每組所述光纖光柵含有M個中心反射波長相同的 光纖光柵，通過控制電光調(diào)制器2產(chǎn)生窄帶激光光源，對準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列進(jìn)行 分組掃描，實(shí)現(xiàn)在組與組之間的波分復(fù)用；準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列的同組不同位置上 的光纖光柵的反射光和前向光按時序形成脈沖串且被接收、處理，區(qū)分出準(zhǔn)分布式光纖光 柵傳感陣列的反射光傳感信號和前向光傳感信號。
[0015] 本實(shí)用新型將波分復(fù)用與時分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，可同時檢測沿線放置FBG處的溫 度與應(yīng)變，包括如下步驟：
[0016] 1)在光纖中連續(xù)寫入N組具有不同中心反射波長的光纖光柵，每組都有M個具有 同樣中心反射波長的光纖光柵，從而得到了大容量光纖光柵陣列傳感光纖，單根光纖的所 含光纖光柵傳感器的容量可達(dá)到MXN。
[0017] 2)快速可調(diào)激光器具有寬波長帶寬，但任一時刻掃頻發(fā)出窄帶連續(xù)光，其中心波 長與在FBG陣列中某單組FBG的中心波長相匹配。窄帶連續(xù)光經(jīng)過電光調(diào)制器后產(chǎn)生單個 脈沖，通過環(huán)形器進(jìn)入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列。該脈沖經(jīng)過與其中心波長匹配的一組 FBG時，不同F(xiàn)BG產(chǎn)生具有一定時延的一串反射光脈沖，經(jīng)環(huán)形器后進(jìn)入放大、接收與處理 電路。該脈沖的前向光由于光纖光柵作用也會在該組FBG陣列的中心波長附近產(chǎn)生群延時 效應(yīng)，形成一串慢光脈沖，進(jìn)入到前向光放大、接收與處理電路。這樣通過分別控制掃頻激 光器、電光調(diào)制器，產(chǎn)生窄帶光脈沖，實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)分布式波分復(fù)用光纖光柵傳感陣列的分組掃 描。
[0018] 3)光纖光柵傳感陣列中位于同一組的具有相同中心波長的光纖光柵串處在不同 的空間位置，該組中每個光纖光柵的反射光或前向慢光到達(dá)光接收電路的時間不同，則實(shí) 現(xiàn)了具有相同中心波長的每組光纖光柵傳感信息在時域分開，采用時分復(fù)用技術(shù)可采集該 組中每個光纖光柵的反射光傳感信號和前向光傳感信號。
[0019] 4)準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列中的單根光纖上各光纖光柵的后向反射信號光的 中心波長λ i和前向慢光信號光的相移P i如下關(guān)系式：
[0020] Ai= λ ?〇+(：τΔ?\+(：ε Δ ε i (I)
[0021 ] Pi = P i0+KT Δ Tj+K ε Δ ε j (2)
[0022] 式中，λ i(l為第i個光纖光柵的初始的反射波長，C1^P C ,分別為光纖光柵的溫度 和應(yīng)變系數(shù)，P i(l為第i個光纖光柵前向慢光信號光的初始的相移，K#P K ε分別為慢光相 移的溫度和應(yīng)變系數(shù)，CT、C ε、KT、K ε是提前通過測量分布式光纖光柵傳感光纖標(biāo)定獲得的， 聯(lián)立（1)，（2)得到第i個光纖光柵的溫度變化量Λ Ti和應(yīng)變變化量Λ ε i，如下式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，其特征在于，包括快速可調(diào)激光器 (1)、電光調(diào)制器（2)、環(huán)形器（3)、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列（4)和信號處理模塊（7)，快 速可調(diào)激光器（1)在信號處理模塊（7)的控制下，開始掃頻，產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào) 制器，信號處理模塊（7)產(chǎn)生電光調(diào)制器（2)的驅(qū)動脈沖，對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的與一組光 纖光柵中心波長匹配的光脈沖從環(huán)形器（3)的a 口入、b 口出，進(jìn)入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感 陣列（4)并產(chǎn)生了反射光脈沖和前向光脈沖，反射光脈沖從環(huán)形器b 口入、c 口出，并經(jīng)后 向光放大與接收模塊（5)后進(jìn)入信號處理模塊（7)，同時前向光脈沖在所述的一組光纖光 柵中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，慢光產(chǎn)生一串脈沖，經(jīng)前向光放大與接收模塊（6)后進(jìn) 入信號處理模塊（7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，其特征在于，準(zhǔn)分 布式光纖光柵傳感陣列（4)為準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵FBG傳感陣列，所述準(zhǔn)分布式光纖 布拉格光柵FBG傳感陣列為寫入有N組中心反射波長各不相同的光纖光柵且每組所述光纖 光柵含有M個中心反射波長相同的光纖光柵，通過控制電光調(diào)制器（2)產(chǎn)生窄帶激光光源， 對準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列進(jìn)行分組掃描，實(shí)現(xiàn)在組與組之間的波分復(fù)用；準(zhǔn)分布式光 纖光柵傳感陣列的同組不同位置上的光纖光柵的反射光和前向光按時序形成脈沖串且被 接收、處理，區(qū)分出準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列的反射光傳感信號和前向光傳感信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，其特征在于，所述 準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列（4)包括光纖，在所述光纖中連續(xù)寫入N組具有不同中心反射 波長的光纖光柵且每組有M個具有同樣中心反射波長的光纖光柵，準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感 陣列（4)并產(chǎn)生了 M個反射光脈沖和前向光脈沖。
【專利摘要】一種高靈敏度分布式光纖光柵復(fù)合傳感裝置，包括快速可調(diào)激光器、電光調(diào)制器、環(huán)形器、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列和信號處理模塊，準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列包括光纖，在光纖中連續(xù)寫入N組不同中心反射波長的光纖光柵且每組有M個中心反射波長相同的光纖光柵，快速可調(diào)激光器掃頻產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào)制器，信號處理模塊產(chǎn)生電光調(diào)制器的驅(qū)動脈沖，對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的光脈沖從環(huán)形器a口入、b口出，進(jìn)入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列并產(chǎn)生M個反射和前向光脈沖，M個反射光脈沖從環(huán)形器b口入、c口出，并經(jīng)后向光放大與接收模塊后進(jìn)入信號處理模塊，前向光脈沖產(chǎn)生群延時效應(yīng)，產(chǎn)生一串脈沖，經(jīng)前向光放大與接收模塊后進(jìn)入信號處理模塊。
【IPC分類】G01D5-38, G01D5-353
【公開號】CN204575100
【申請?zhí)枴緾N201520165992
【發(fā)明人】孫小菡, 劉鯤鵬, 趙興群, 韋樸, 謝尚策, 朱旭俊, 丁偉林, 劉湘榮, 代康, 潘家樂
【申請人】東南大學(xué), 江蘇俊知光電通信有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年3月23日