[发明专利]基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置及方法。

背景技术

近几年来，基于光纤传感器的双参量(温度、压力/应变)同时传感技术是一个非常活跃的研究领域，这类传感主要用于复合材料、大型建筑结构、宇航飞行器、军工产品等的结构健康自诊断、环境自适应、损伤自愈合等。

光纤法珀腔作为传感器是通过解调腔长获得外界物理量的变化，其具有结构简单、体积小、安装方便、高可靠性、高灵敏度、快速响应、单光纤信号传输等优点，成为光纤传感技术与应用研究的热点之一。光纤光栅通过解调光纤光栅反射中心波长的漂移量实现对待测量的检测，其无源特性、抗电磁干扰、耐腐蚀和耐温性等使得光纤光栅适合在一些恶劣环境中进行健康监测。近几年，将光纤法珀腔与光纤光栅的特性结合起来，实现双参量测量，已经受到了学者们的关注。

现有技术中，对光纤法珀腔与光纤光栅复合传感解调的技术中[如文献1：饶云江，曾祥楷、朱永等，非本征型法布里珀罗干涉仪光纤布拉格光栅应变温度传感器及其应用[J].光学学报,2002,22(1):85-88；文献2：Baochen Sun,Liping Yang,Yanliang Du,et al.Research on integrated fibre Bragg grating/extrinsic Fabry-Perot sensor[C],Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation,Dalian,China,2006；]，一般采用光谱仪扫描光谱，通过观察光谱信息，利用相位解调法对光纤法珀腔的腔长进行解调，直接观察光谱中光纤光栅中心波长的移动量对光纤光栅反射中心波长进行解调。现有这种解调方式，解调速度慢，不能满足快速解调的要求。

发明内容

针对现有解调速度慢的问题，本发明提供了一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置及方法。本发明的双参量联合测量的高速解调装置及方法，适用于基于光纤法珀腔与光纤布拉格光栅传感的测量，可以对环境中温度、压力/应变变化实现快速测量。

本发明提供的一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置，包括：光源模块、3dB耦合器、环形器、传感单元和解调单元。

所述光源模块包括三个窄带光源与宽谱光源，三个窄带光源的光谱与宽谱光源的光谱互不重叠；所述传感单元包括光纤法珀腔传感结构与光纤光栅传感结构；所述解调单元包括1×3密集波分复用器(DWDM)、1×2粗波分复用器(CWDM)、光电探测器、信号调理电路、数据采集卡与计算机。

光源模块中发出的三束窄带激光与一束宽谱光由四根单模光纤同时传输到4×1的3dB耦合器后，四束光经耦合入射到环形器中，然后传入传感单元。

传入传感单元的光信号先入射进入光纤光栅传感结构，符合光纤光栅反射中心波长的光波被反射，其它光波透射进入光纤法珀腔传感结构并在其中发生多光束干涉，干涉光返回光纤光栅传感结构并由其直接透射，干涉光与光纤光栅的反射光形成叠加光谱。

叠加光谱经过1×2的3dB耦合器分别入射进入1×3DWDM与1×2CWDM，将光信号分为五路。1×3DWDM与三个窄带光源相匹配，由1×3DWDM输出的三束光用于解调光纤法珀腔的腔长；1×2CWDM输出的两束光用于光纤光栅反射中心波长的解调。五路光信号经光电探测器转换为电信号并进入信号调理单元，电信号经过信号调理单元转变为数字信号由数据采集卡传输到计算机进行存储。在计算机中对电信号进行解调，获取光纤法珀腔的腔长变化量和光纤光栅反射中心波长的漂移量。

所述传感单元为光纤法珀腔与无应力封装的光纤光栅组成的复合传感器，或者是光纤法珀压力/应变传感器与光纤光栅温度传感器的串联结构。

根据解调对光源的要求，所述窄带光源为DFB激光器，所述宽谱光源采用放大自发辐射光源(ASE)或基于掺杂光纤的超荧光光源(SFS)。

基于上述的高速解调装置，本发明还提供了一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调方法，包括以下具体步骤：

步骤一：进行标定实验，获得解调光纤光栅反射中心波长导致的误差漂移量Δλ₁与环境温度变化量ΔT、压力/应变变化量ΔX之间的关系，如下所示：

Δλ₁＝K₁ΔT+K₂ΔX (1)