[实用新型]一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪

说明书

本实用新型属于光纤传感、光学测量技术领域，具体涉及一种基于数字化可调谐光源的光纤光栅解调仪。

光纤光栅传感器作为智能化结构的传感器，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单、可靠性高等优点，早已作为有效的无损检测技术成功应用于航天、航空领域中，同时还可在水利水电、煤矿、材料工业、船舶、化学医药领域中应用，并可埋设在土木工程领域的混凝土结构和组件里，对结构的完整性和应变状态进行健康监测。尤其是其波长编码特性以及能在单根光纤上实现准分布式测量的优点更是其它传感器所无法比拟的，具有广阔的应用前景。

光纤光栅是一种制作在光纤上的具有窄带反射特性的光学滤波器，其工作原理如附图1所示，根据光纤耦合模理论，宽带光在光纤光栅中传输的时候，会产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射：

λ_B=2·n_effΛ    (1)

式中，λ_B为布拉格中心波长，n_eff为有效折射率，Λ为光栅周期。

在光纤光栅传感系统中，外界物理量即待测量信息是以光纤光栅的反射波长为载体来传递的。Λ和n_eff都会因外界环境的变化而改变，从而引起布拉格反射波长也发生相应偏移，而光纤布拉格光栅的纤芯折射率n_eff和光栅周期Λ又将随着外界温度或应变的变化而变化。光纤布拉格光栅在应力作用下会因为光栅周期的伸缩及弹光效应导致光栅中心反射波长的变化，而温度对中心波长的影响则是由热膨胀效应和热光效应引起。光纤光栅中心波长的变化量Δλ_B在一定的范围内和应变ε、温度变化ΔT存在如下的线性关系：

Δλ_B/λ_B=ε1‑γ    (2)

Δλ_B/λ_B=(α+e)ΔT    (3)

式中：ε为光纤的应变，γ为光纤材料的弹光系数，α为光纤材料的热胀系数，ΔT为温度变化量，e=1/n(dn/dT)为热光系数。通过测量波长的变化根据上述的关系就能确定需感知的温度和应力。因此，波长解调技术一直是该领域的研究热点，高精度、快速、低成本的实现解调，是光纤光栅传感器大规模工程化应用的一个重要前提。

目前，对光纤光栅波长进行解调的方法主要有光谱仪检测法、匹配光栅法、边缘滤波法、可调谐光纤F‑PFabry‑Perot滤波法、非平衡M‑Z光纤干涉仪法、迈克尔逊干涉仪解调法、波长扫描光纤激光器解调法等。这些方法归纳起来可分为：宽带光源/宽带滤波接收、宽带光源/可调窄带接收、宽带光源/干涉接收以及可调谐窄带光源/宽带接收四类方案。目前，世界上实用化解调技术主要采用以下三种方案：1采用宽带光源和可调谐F‑P滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行扫描；2采用色散原件和阵列相结合的光谱成像技术进行波长分析；3采用大功率可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波长扫描，参考如下相关的国内外专利：

高精度光纤光栅传感信号解调仪中国实用新型专利CN 101216327 B

高精度光纤光栅传感信号解调仪中国实用新型专利CN 101216327 B

基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统中国实用新型，CN 201680848 U

一种高精度光纤光栅波长解调系统中国实用新型专利CN 101586986 B

一种多通道光纤光栅解调仪中国实用新型专利CN 101718942 B

高速高精度多通道布拉格光栅解调仪中国实用新型专利CN 102252704 A

一种光纤布拉格光栅传感系统中国实用新型专利CN 102183267 A

一种可调激光型光纤光栅波长解调装置中国实用新型专利CN 102494874 A

一种布拉格光栅传感系统(Fiber Bragg Grating Sensor System)(美国专利US 7333680B2)