[发明专利]光纤布拉格光栅振动传感测量系统及使用方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体为一种光纤布拉格光栅振动传感测量系统及使用方法。

(二)背景技术

随着科学技术的飞速发展，作为检测技术重要领域之一的传感器地位日益突显，在朝着精确、灵敏、适应性强、小巧和智能化的方向发展。当前光通信技术迅速向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并逐步向全光网络演进。这种形势下出现了新的传感技术，即光纤传感器。光纤传感器具有传统传感器无法比拟的优势：容量大、灵敏度高、带宽大、重量轻、体积小、多用途、对介质影响小、抗电磁干扰和耐腐蚀且本质安全、易于实现多路或分布式传感等等。

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor，FBG)是一种波长调制型光纤传感器，当入射激光波长为FBG反射光谱的响应波长时，入射光被反射，否则透射。光纤布拉格光栅传感器的响应波长随外界物理量改变，故其可用于检测应力、应变、温度、压力、位移、加速度、倾角等多种参量的光纤传感器和光纤传感网。

在民用和军用领域振动测量技术都有着广泛的应用，用于检测振动信号的光纤布拉格光栅振动传感器是光纤传感器中的一种，其应用于建筑结构振动测量、电梯电机振动频率测量和机械手振动位移测量等。目前国内外对光纤光栅振动传感技术的发展高度重视，从多方面进行了具体的探讨和研究，无论是传感器结构设计还是信号检测解调方面都已经取得了一定的进步，常用的解调方法包括非平衡M-Z干涉检测、可调光纤F-P滤波器、匹配光纤布拉格光栅滤波解调和可调谐激光器波长扫描解调。

但目前尚未有同时复用多个光纤光栅传感器、测试范围大的光纤光栅振动传感测量系统，限制了光纤布拉格光栅的应用。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种光纤布拉格光栅振动传感测量系统，系统中含有多个串联的光纤布拉格光栅传感器。

本发明的另一目的是提供一种光纤布拉格光栅振动传感测量系统的使用方法。

本发明设计的光纤布拉格光栅振动传感测量系统包括上位机、可调谐激光光源、耦合器、光纤光栅传感器和光电探测器。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor，FBG传感器)，上位机连接可调谐激光光源。还有具有同步和非同步两种工作模式的采集卡和信号处理电路，上位机连接采集卡。可调谐激光光源具有同步触发输出端口，采集卡具有与之配合的同步触发输入端口，二者相连接。上位机控制可调谐激光光源输出激光的波长，控制采集卡的工作模式并进行数据分析。信号处理电路含有信号放大电路。可调谐激光光源输出的激光束接入3dB耦合器的一个分光端口，激光束到达3dB耦合器合路端口所串接的n个光纤光栅传感器，n为1～120的整数，n的大小由激光调谐范围和各光纤光栅传感器带宽决定。所串联的n个光纤光栅传感器的工作波长区域均不相同、反射光谱都有一定的带宽，其中反射光能量最高的波长点为其中心波长。n个光纤光栅传感器分布在不同的测试位置，当其中某个光纤光栅传感器所处环境的外界物理量发生改变时，影响该光纤光栅传感器的有效折射率和光纤周期，从而使其反射光波长在一定的范围内偏移，且对应其所处的测试位置的物理量变化。3dB耦合器的另一分光端口接至光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，其输出的电流信号经信号处理电路放大并转变成电压信号接入采集卡，用以捕获该分光器合路端串联的各个光纤光栅传感器反射光信号并进行模数转换。采集卡在同步采集模式下接受同步触发信号进行同步采集。采集卡在非同步模式下，采集的平均时间间隔由上位机设置，采集卡按上位机设置的采集频率采集数据、送入上位机。采集卡位数越多，则灵敏度越高；并且采集速度越快，则能测试的振动频率越高。

当光源输出波长保持不变，外界物理量变化引起光纤光栅传感器的反射光中心波长发生偏移时，则接收到的反射光功率产生变化。利用此点，本系统先测定各光纤光栅传感器的反射光谱，以此确定各光纤光栅传感器的设定波长。当可调谐激光光源输出各光纤光栅传感器的设定波长时，采集各光纤光栅传感器反射光功率的数据，由其变化即可检测各光纤光栅传感器所处位置的振动频率。

在本光纤布拉格光栅振动传感测量系统中所使用的各光纤光栅传感器的响应波长偏移范围均属于本系统的可调谐激光光源所覆盖的波长范围。本系统所用的可调谐激光光源的扫描波长总带宽为λ_ALL。n个光纤光栅传感器的反射光谱带宽相等为λ_BW，工作波长区域互不相同，各光纤光栅传感器反射光谱边缘性良好，纹波小，那么n要满足：