[发明专利]一种等光程光纤布拉格光栅压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器测量技术领域，具体涉及一种利用布拉格衍射原理测量冲击压力的传感器。

背景技术

在冲击波物理、爆轰物理、动高压物理和高能量密度物理等领域内，GPa量级的冲击压力作为研究材料动力学性质的关键参数之一，常常需要被精确测量。以布拉格衍射原理发展起来的光纤布拉格光栅压力传感器相对于传统电学压力传感器具有制作简单、结构小巧、响应时间快和抗电磁干扰能力强等优点，可适用于冲击压力的测量。

文献<用光纤布拉格光栅压力传感器测量炸药中的冲击压力>（Van’t Hof P. G.，Cheng L. K., Schopltes J. H. G., et al., Dynamic Pressure Measurement of Shock Waves in Explosives by Means of a Fiber Bragg Grating Sensor, 27^th International congress on high-speed photography and photonics, Xi’an China, September 17~22, 2006[C].）报道了采用光纤Mach-Zehnder光路结构的光纤布拉格光栅压力传感器测量炸药中的冲击压力，所测压力峰值小于1 GPa，压力传感器的响应时间约为100 ns。由于必须满足光纤布拉格光栅反射光的相干长度必须大于光纤Mach-Zehnder光路结构中的光程差这一相干条件，从而造成该传感器存在以下不足：光纤布拉格光栅的栅区长度不能很短，光纤布拉格光栅反射光的相干长度与光纤布拉格光栅的栅区长度成正比，不能有效地提高该传感器的响应时间，对于快响应光电探测器而言，压力传感器的响应时间主要与栅区长度成反比。

发明内容

为了解决已有光纤布拉格光栅压力传感器采用光纤Mach-Zehnder光路结构测量GPa量级冲击压力的时间响应慢问题，本发明提供一种等光程光纤布拉格光栅压力传感器。

本发明的等光程光纤布拉格光栅压力传感器，含有ASE（Amplified Spontaneous Emission）宽光谱光源、光循环器、光纤布拉格光栅、3×3光耦合器、2×2光耦合器、延迟单模光纤、光纤耦合反射镜、光电探测器。所述的传感器中的ASE宽光谱光源与光循环器的A端相连接，光循环器的B端与光纤布拉格光栅相连接，光循环器的C端与3×3光耦合器的E端连接，3×3光耦合器的D端、F端分别与光电探测器、光电探测器相连接，3×3光耦合器的G端、I端分别与2×2光耦合器的J端、K端相连接，在传输节点G、H之间通过延迟单模光纤相连接，2×2光耦合器的L端与光纤耦合反射镜的N端相连接。

在本发明中，光循环器的三个接口按一定顺序与ASE宽光谱光源、光纤布拉格光栅和3×3光耦合器连接。3×3光耦合器一端的两个接口与两个光电探测器相连接，剩下的一个接口被闲置。3×3光耦合器另一端的两个接口与2×2光耦合器一端的两个接口连接，剩下的一个接口被闲置。2×2光耦合器另一端的一个接口与光纤耦合反射镜端相连接，剩下的一个接口被闲置。ASE宽光谱光源辐射出的光束，经光循环器后，进入光纤布拉格光栅，被光纤布拉格光栅反射回来的小部分光再次经过光循环器，沿3×3光耦合器、2×2光耦合器传输，被一个光纤耦合反射镜反射后按原路返回，再次经过2×2光耦合器、3×3光耦合器，进入两个光电探测器，被转换成两路电信号。

在本发明中，ASE宽光谱光源的线宽约为40 nm，延迟单模光纤的长度可在亚毫米~米量级范围内调节；光纤布拉格光栅的栅区长度可在50 μm~20 mm范围内选择；2×2光耦合器、3×3光耦合器按功率均分光。

在本发明的压力传感器中，光路结构具有对称“往返”特点，达到每个光电探测器的光信号都为四路光束的叠加，其中，两路光程差为零的两束光进行相干叠加；剩下的任何两束之间都为非相干叠加。

在本发明的压力传感器中，参与相干叠加的两路信号之间的光程差为零，任何栅区长度的光纤布拉格光栅反射光的相干长度都大于光路结构中的光程差。因此，本发明的压力传感器可选择很短栅区长度的光纤布拉格光栅，可大幅度地提高压力传感器的响应时间，从而解决了已有的光纤布拉格光栅压力传感器的时间响应慢问题。

本发明的压力传感器相对已有压力传感器而言，可将其响应时间从100 ns量级提高到10 ns量级，甚至ns量级，能满足冲击波物理、爆轰物理、动高压物理和高能量密度物理等领域内测量快冲击压力的需求。