[发明专利]基于AWG差分解调的强度检测型PCF-LPG应力传感器及装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于波导阵列光栅(Array Waveguide Grating，AWG)差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅(long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)应力传感器及装置应力传感器。

背景技术

长周期光纤光栅(long-period fiber grating，LPG)是一种透射型光纤器件。LPG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比普通光纤光栅更好的温度、弯曲、折射率灵敏度。然而，利用LPG测量应力等物理量时，对温度的交叉敏感大大限制了LPG应用。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是一种具有许多优良光学特性的新型光纤，如温度不敏感性。利用具有温度不敏感特性的光子晶体光纤制作的LPG可以有效消除传感器对温度的交叉敏感。

赵春柳等人提出以DFB作为PCF-LPG应力传感器的光源，通过监测PCF-LPG的出射光强检测应力变化，便宜的光功率计即可满足探测光强要求，大大降低了传感器成本。然而，基于强度检测的PCF-LPG传感器会遇到光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰问题，影响测量精度。

发明内容

本发明目的就是为了克服现有技术中PCF-LPG传感器解调单元精度不高的问题，提供了一种基于波导阵列光栅(Array Waveguide Grating，AWG)差分解调的强度检测型PCF-LPG应力传感器，此解调方案可以有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于AWG差分解调的强度检测型PCF-LPG应力传感器包括宽带光源、PCF-LPG、AWG、光电转换器及信号处理单元。

PCF-LPG的两个端口分别与宽带光源、AWG的入射端光连接，AWG的第2信道和第8信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元光连接。PCF-LPG是传感元；AWG和光电转换器及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。

本发明所具有的有益效果为：

1.以PCF-LPG为传感元，可以有效消除传感元对温度的交叉敏感。

2.AWG同时提供两个用于差分处理的光强度信号并将光强度信号有效地分开。由于这两个光强度信号分别落在PCF-LPG的正斜率线性区和负斜率线性区，因而在应力改变时它们的变化趋势相反，有利于成倍提高传感系统的灵敏度。

3.光电转换及信号处理单元把光强信号转化为电压信号并进行快速差分处理。两个单波长光强信号在系统中经过相同的路径，因此差分后的结果能有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰。

4.本发明中解调系统的使用，避免了昂贵的光谱仪等波长监测设备的使用，大大降低了传感器成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，基于AWG差分解调的强度检测型PCF-LPG应力传感器及装置，包括宽带光源1、PCF-LPG2、AWG3、光电转换及信号处理单元4。PCF-LPG2的两个端口分别与宽带光源2、AWG3的入射端光连接，AWG3的第2信道和第8信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元4光连接。

本实施方式的工作方式为：宽带光源发出的光入射到传感元PCF-LPG，经过传感元PCF-LPG的作用，传感元PCF-LPG的透射光入射到AWG，AWG的出射光进入光电转换及信号处理单元。PCF-LPG的正斜率线性区从1520nm到1552.45nm、负斜率线性区从1552.45nm到1580nm。通过选择AWG的规格和通信信道，使AWG出射的中心波长分别落在PCF-LPG的正斜率线性区和负斜率线性区。应力的改变会引起传感元PCF-LPG透射谱的左右平移，从而引起两部分波长的光强发生的变化且变化趋势相反。光强信号经光电转换后变为电压信号V1和V2，引入差分量，ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)。V1和V2是光源经同一路径到监测设备，V1和V2中可能包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪声干扰，差分处理后，ΔV仅与应力信号有关，而与噪声信号无关，该装置正是通过ΔV来反映传感元PCF-LPG应力的变化。当光源功率变化±10％时，利用差分解调原理测得的应力相对误差约为0.4％，测量精度达99.6％。

该装置能够实现消除噪声、提高精度的关键技术为：