[发明专利]光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调技术

说明书

技术领域

本发明涉及光学传感器，尤其是在光纤光栅传感领域利用差分对光栅解调技术来提高探测性能的传感方法。

背景技术

与常用的电学传感技术相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、体积小、绝缘性能好、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在无损测量领域以及恶劣环境下的安全监测技术方面都已得到越来越多的应用。相对于分布式光纤传感技术，采用光纤光栅传感器具有更高的精度和更好的实时性。

目前常用的光纤光栅解调技术有以下几种：1)光谱仪检测法。使用光谱仪检测出输出光信号的波长变化。2)可调谐光源法。该方法采用窄带可调谐光源，通过扫描光纤光栅的反射谱(或透射谱)，根据每次扫描反射光最强时的扫描电压进行波长解调。3)可调谐法布里-珀罗腔(F-P)法。该方法采用F-P谐振腔光学结构进行解调。在压电陶瓷上施加一个扫描电压，使压电陶瓷产生伸缩，来改变F-P腔的腔长。从而使透射通过F-P腔的光波长及其强度发生改变，可直接将波长信号转换成电信号进行解调。4)匹配光栅法。采用一个与传感光纤光栅匹配的接收光栅，去跟踪解调传感光栅的波长变化。

上述方法中，方法1)仅适合实验室使用；方法2)和3)适用于解调精度较高的应用，但价格较高；方法4)结构简单，但是应力解调灵敏度不高，适用于应力分辨率要求较低的应用，如列车计轴系统。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明采用差分式光栅解调方法，以进一步提高光纤光栅传感装置的解调灵敏度和信噪比。本发明的另一目的是将该方法应用在更多种类的光纤光栅应力监测设备中。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

光纤光栅传感器应力测量的差分对光栅解调方法，其特征在于，ASE宽带光源100将宽频带光信号送入环形器101；传感光栅200固定在被测物体上，激光信号经传感光栅200反射后携带有被测点的应力信息，所得反射光信号经光环形器101和光耦合器102后分为至少两束光信号透射通过各自匹配的参考光栅进行解调，其中至少一个参考光栅与所述传感光栅的布拉格波长相同；光电探测器将各自的光功率信号转换为电压信号，所得多路电压信号经运算操作后进行波长解调，实时得到被测位置的应力变化信息。

本发明相比常用的单通道匹配光栅解调方式，在应力测量灵敏度方面提高了约两倍，而且可以消除光源输出光功率波动所带来的测量误差。该发明可应用于光纤光栅应力传感系统中，实现在高速铁路、城市轨道列车和桥隧结构等交通安全监测系统高灵敏度的应力监测，并在智能建筑、地质和岩土工程等领域具有广泛的应用价值。

附图说明如下：

图1为差分对匹配光栅解调装置示意图。

图2为传感光栅及参考光栅光谱示意图。

图3为光强测量值与应力变化仿真结果图。

图4为本发明实施一个典型结构图。

图5为本发明实施系统采用的光栅光谱图

图6为本发明实施系统波长解调曲线，图(a)为单路匹配光栅解调信号，图(b)为差分对匹配光栅解调结果。

图7为本发明可采用的另一测量结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，ASE光源(100)将宽频带光信号送入环形器(101)，激光信号经FBG3(200)反射至环形器(101)，再经过耦合器(102)分为强度相同的两束光。FGB1(201)的布拉格波长(中心波长)与传感光栅FBG3(200)相同，而FBG2(202)的布拉格波长相对于FBG3(200)的中心波长有一个正偏移量(或负偏移量)，该偏移量等于传感光栅FBG3的3dB带宽。

光纤光栅反射光谱可近似用高斯函数表示(如图2所示)，则经FBG3(200)反射回光信号的分布可表示为：

I_s(λ)＝S(λ_B)G(λ)                                (1)

其中，S(λ_B)表示ASE光源(100)的特征谱，如前所述是与波长无关的量。G(λ)是光栅FBG3(200)的反射谱模型函数。总的反射光功率是对上式进行积分得到的结果。则反射光信号再透射通过FBG1(201)和FBG2(202)，由光电探测器得到的光功率为：