专利名称：一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，适用于复合材料结构等的应变和温度实时测量。
背景技术：
光纤光栅是在光纤中建立起某种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的一种光学元件。当宽带光入射到光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,简称 “FBG”)时，其反射光的中心波长(布喇格波长)λ B，由布喇格方程给出λΒ = 2ηΛ。其中，η为纤芯的有效折射率，A为光栅周期。当普通FBG的栅格周期和折射率调制度随环境空间场的非均匀分布而发生不一致改变，各有效作用子栅集将反射出不同波长的子反射谱。由于各子反射谱间距相对于其带宽较小，子谱间大部分重叠，最终形成了一个谱形整体展宽的啁啾反射谱，如图I所示。啁啾光纤光栅即根据这种原理制作而成，它的工作原理与普通FBG基本相同，但是外界物理量的变化不仅会改变啁啾光纤光栅反射谱的中心波长，还会引起它的光谱展宽。其中，应变会导致啁啾光纤光栅反射谱的波长变化和光谱展宽，而温度只引起反射谱中心波长的移动，而不会影响光谱带宽。同时测量反射谱的中心波长变化和谱宽变化，就可以计算出应变和温度，实现多参量传感。由于利用啁啾光纤光栅进行传感测量时，被测信号为波长和带宽的编码，因此如何简单、快速、精确地解调出其中心波长(改变量)和带宽(改变量)，是利用啁啾光纤光栅实现多参量传感的关键。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，使得监测系统解调成本低、性价比高、易于实现远程监控、并且重复性和实时性好。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，包括宽带光源，第一 NXM光纤耦合器，传感啁啾光纤光栅，第一光电探测器，第二 NXM光纤耦合器，参考啁啾光纤光栅，第二光电探测器，数据采集卡和计算机，所述宽带光源的输出光进入第一NXM光纤f禹合器；所述第一NXM光纤f禹合器的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅，另一部分进入第二 NXM光纤耦合器；所述第二 NXM光纤率禹合器的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅和折射率匹配液；所述传感啁啾光纤光栅的反射光经第一 NXM光纤耦合器进入第一光电探测器；所述参考啁啾光纤光栅的反射光经第二 NXM光纤耦合器进入第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出模拟电信号均进入所述数据采集卡，并由所述计算机进行信号的处理和显示，其中，N≥ 2, M ≥ 2，各个尾纤空置端均接入折射率匹配液。所述宽带光源与第一 NXM光纤稱合器之间还设有长周期光纤光栅。所述第一 NXM光纤耦合器和参考光纤啁啾光栅之间还设有光纤隔离器。所述第一 NXM光纤耦合器和第二 NXM光纤耦合器均为2X2光纤耦合器。
所述传感啁啾光纤光栅的中心波长处于所述宽带光源的光谱平坦度较高的区域。所述传感啁啾光纤光栅的反射谱的半高带宽在3nm以上。所述参考啁啾光纤光栅的反射谱的中心波长和半高带宽均与所述传感啁啾光纤光栅的中心波长和半高带宽近似相等。所述长周期光纤光栅的主损耗峰单边的线性度大于2dB/nm。所述长周期光纤光栅的主损耗峰单边的中心波长与传感啁啾光纤光栅的中心波长近似相等。所述传感啁啾光纤光栅利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测目标的待测有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明能补足现有光纤光栅传感测量系统的欠缺之处，避免了传统复合材料结构监测系统尤其是结构健康状态关键参量(应变和温度)监测系统存在的解调成本高、性价比低、 难以实现远程监控、重复性和实时性差等许多缺点。本发明系统具有实时、高精度、抗电磁干扰、全光纤型、可实现无损测量等许多优势。(I)本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，根据应变和温度对啁啾光纤光栅的反射谱调制性能，只需一个啁啾光纤光栅就能实现应变和温度的同时测量。(2)本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，利用一个长周期光纤光栅和一个参考啁啾光纤光栅，根据光电探测器的输出值就可以精确的计算出传感啁啾光纤光栅反射谱的中心波长和带宽，再与初始反射谱的中心波长和带宽相比较， 就推算出被测应变和温度，即利用两个简单的光纤元件即可实现多参量的实时解调，不需光谱仪等昂贵的光谱测量设备。(3)本发明实现的一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，所有光纤和元器件的工艺水平都已非常成熟，制作方便可行。其可广泛用于各种领域，对推动光纤光栅传感技术的实用化和产业化进程有重要意义。


图I是现有技术中的啁啾光纤光栅反射谱图；图2是本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，如图 2所不，包括宽带光源I，长周期光纤光栅11,第一 2X 2光纤稱合器2,传感啁啾光纤光栅3, 第一光电探测器4,光纤隔离器12,第二 2X2光纤稱合器5,参考啁啾光纤光栅6,第二光电探测器7，数据采集卡8和一台计算机9，各个尾纤空置端接折射率匹配液10。宽带光源1 的输出光经长周期光纤光栅11进入第一 2X2光纤稱合器2 ;第一 2X2光纤稱合器2的输 出光一部分进入传感啁啾光纤光栅3，另一部分经光纤隔离器12进入第二 2 X 2光纤耦合器 5 ;第二 2X2光纤稱合器5的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅6和折射率匹配液10 ;传 感啁啾光纤光栅3的反射光经第一 2X2光纤耦合器2进入第一光电探测器4 ;所述参考啁 啾光纤光栅6的反射光经第二 2X2光纤耦合器5进入第二光电探测器7。第一光电探测器 4和第二光电探测器7的输出模拟电信号均进入数据采集卡8，并由计算机9进行信号的处 理和显示。本发明提出利用光纤元件(长周期光纤光栅和参考啁啾光纤光栅)实现传感啁啾 光纤光栅反射谱带宽和中心波长的实时解调。具体原理如下经长周期光纤光栅调制后进 入传感啁啾光纤光栅的光，在传感啁啾光纤光栅光谱移动的范围内位线性光源。系统所用 长周期光纤光栅的线性范围内的透射谱函数为Tm( A ) = [ (-2. 02dB/nm) A +3119. 12] dB
(1)(1546. OOnm≤ A≤ 1556. OOnm)两个光电探测器接收到的光功率分别为Pi = Fi / Tm(入)PBBS⑴Rs(入)d 入(2)P2 = F2 / Tm (入)PBBSU)RK(入)cU(3)其中，F:和F2为光功率传输过程中的综合透过系数，与光纤耦合器、光纤分束器、 光纤连接器等性能有关；PBBS(A)为光源的功率密度函数，Tm(X)为经长周期光纤光栅调制后 线性光强函数，RS(入)和RkO )分别为传感啁啾光纤光栅和参考啁啾光纤光栅的反射谱函 数。当传感啁啾光纤光栅的温度和应变均(可能)发生变化时，Pi的变化量为APj = AP' j+AP'7 j(4)其中AP' 1为应变引起的功率变化量，而AP" 1为温度引起的功率变化量，设啁 啾光纤光栅的反射谱为近似的平坦光谱，则有
权利要求
1.一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，包括宽带光源(I)，第一 NXM 光纤耦合器(2)，传感啁啾光纤光栅(3)，第一光电探测器(4)，第二 NXM光纤耦合器(5)， 参考啁啾光纤光栅(6)，第二光电探测器(7)，数据采集卡(8)和计算机(9)，其特征在于， 所述宽带光源(I)的输出光进入第一 NXM光纤f禹合器(2);所述第一 NXM光纤f禹合器(2) 的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅(3),另一部分进入第二NXM光纤稱合器(5);所述第二NXM光纤稱合器(5)的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅(6)和折射率匹配液(10)； 所述传感啁啾光纤光栅(3)的反射光经第一 NXM光纤耦合器(2)进入第一光电探测器(4);所述参考啁啾光纤光栅￠)的反射光经第二 NXM光纤耦合器(5)进入第二光电探测器(7);所述第一光电探测器⑷和第二光电探测器(7)的输出模拟电信号均进入所述数据采集卡(8)，并由所述计算机(9)进行信号的处理和显示，其中，N ^ 2, 2，各个尾纤空置端均接入折射率匹配液(10)。
2.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述宽带光源(I)与第一 NXM光纤耦合器(2)之间还设有长周期光纤光栅(11)。
3.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述第一 NXM光纤f禹合器(2)和参考光纤啁啾光栅(6)之间还设有光纤隔离器(12)。
4.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述第一 NXM光纤稱合器(2)和第二 NXM光纤稱合器(5)均为2X2光纤稱合器。
5.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述传感啁啾光纤光栅(3)的中心波长处于所述宽带光源(I)的光谱平坦度较高的区域。
6.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述传感啁啾光纤光栅(3)的反射谱的半高带宽在3nm以上。
7.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述参考啁啾光纤光栅￠)的反射谱的中心波长和半高带宽均与所述传感啁啾光纤光栅(3)的中心波长和半高带宽近似相等。
8.根据权利要求2所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述长周期光纤光栅(11)的主损耗峰单边的线性度大于2dB/nm。
9 根据权利要求8所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述长周期光纤光栅(11)的主损耗峰单边的中心波长与传感啁啾光纤光栅(3)的中心波长近似相等。
10.根据权利要求I所述的基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其特征在于，所述传感啁啾光纤光栅(3)利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测目标的待测
全文摘要
本发明涉及一种基于啁啾光纤光栅的全光纤型多参量监测系统，其中，宽带光源的输出光进入第一N×M光纤耦合器；第一N×M光纤耦合器的输出光一部分进入传感啁啾光纤光栅，另一部分进入第二N×M光纤耦合器；第二N×M光纤耦合器的输出光分别进入参考啁啾光纤光栅和折射率匹配液；传感啁啾光纤光栅的反射光经第一N×M光纤耦合器进入第一光电探测器；参考啁啾光纤光栅的反射光经第二N×M光纤耦合器进入第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器的输出模拟电信号均进入数据采集卡，并由计算机进行信号的处理和显示，其中，N≥2，M≥2。本发明利用单个光纤光栅实现应变和温度两个参量同时在线监测，是性价比高的多参量监测系统。
文档编号G01D21/02GK102589617SQ20121003187
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者余木火, 吴华, 罗君, 詹亚歌 申请人:东华大学