专利名称：一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，主要用于动态应变信号的传感与测量，属于传感技术领域。
背景技术：
光纤光栅可以将外界环境的变化(如应力、应变、振动、温度变化等)转换成自身反射光谱中心波长的变化，将光纤光栅经过适当的封装后，可以制作成特定的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器由于具有不受电磁辐射干扰、体积小、制作简单、波长敏感等特点，已经广泛应用于远距离光学传感和光学通信领域。目前实现光纤光栅中心波长解调的技术通常有以下几种，它们是光谱分析技术、 基于可调谐滤波器的波长扫描技术、边缘滤波器技术、非平衡M — Z干涉仪解调技术以及匹配光栅解调方法等。光谱分析技术由于需要大量的数学计算，波长解调速度较低，无法适应大带宽信号的测量；非平衡M - Z干涉仪解调技术由于存在零点飘移问题目前仅适用于动态信号的测量，光学滤波技术需要为每个传感光栅配置单独的边缘滤波器和探测器，不便于多个光栅传感器的复用，且成本较高；基于可调谐滤波器的波长扫描技术由于其具有波长分辨率高、测量范围宽、复用能力强而获得广泛的工程应用，但目前市场上出售的基于该方法光栅解调系统又存在波长扫描速率低的问题，故无法满足大带宽动态信号的测量需求。影响基于可调谐滤波器光栅解调系统测量带宽的原因主要包括以下两个方面(I)可调谐滤波器自身可调谐速度的限制，为了保证激光器长期工作的稳定性与可靠性，现有的基于可调谐滤波器的光纤激光器调谐速度通常都在IHz到几kHz量级。(2)信号采集与处理速度的限制，在保持扫描波长分辨率不变的条件下，A/D及D/A的转换速率与可调谐滤波器的波长扫描速率成正比，而解调系统的数据处理能力又限制了 A/D采样频率的提高，而在A/D采样频率不变的条件下，只能降低波长扫描范围和波长分辨率以提高波长扫描速率，但这又会影响解调系统的复用能力和解调精度。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提出一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，以满足基于可调谐滤波器的光栅解调系统对大带宽动态应变信号的测量需求。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于利用重叠刻写的多个中心波长在波长扫描范围内均匀分布的传感光纤光栅5或采用并行连接多根重叠多光栅的方法来设计各种基于光纤光栅的应力、应变或冲击振动等传感器，重叠在一起的多个光纤光栅可同时感知同一个被测物理量，每个光栅中心波长的变化量与被测物理量的大小成正比，而基于宽带光源I与可调谐滤波器2的光栅解调系统在三角波D/A转换器11与高压驱动器12的作用下输出连续的窄线宽波长，输出波长经过耦合器3后分别进入重叠多光栅5和标准具6，隔离器4用于隔离标准具6的反射信号，重叠多光栅5的反射谱和标准具6的透射谱分别进入光电探测7，最后通过多路同步串行A/D转换器8实时同步采集光电探测器7输出的电信号；基于FPGA的解调与控制电路10用于控制A/D转换器8与D/A转换器11的工作时序及输出波形，同时实时接收并处理A/D转换器8的信号，并将实时处理完的数据通过接口(PCI、USB或网络接口)发送给计算机9进行进一步的处理，计算机9主要完成每个波长扫描周期重叠多光栅中各个传感光栅峰值波长的解算与重构；基于FPGA的解调与控制电路10可利用峰值提取算法实时计算出每一个波长扫描周期内重叠多光栅和标准具各个峰值波长对应扫描电压的D/A控制值，由于标准具每个输出峰值的中心波长固定不变，而重叠多光栅输出的峰值波长在动态应变作用下将会向长波或短波方向移动，计算机9通过计算重叠多光栅5各个峰值位置相对标准具6各个峰值中心位置的变化量，即可解算出重叠多光栅中每个传感光栅中心波长的变化；另外由于重叠多光栅5中各传感光栅中心波长在频域上等间隔均匀分布，且可调谐滤波器2的输出波长在时域上连续线性分布，所以重叠多光栅中各传感光栅中心波长的解算结果在时域上也连续等间隔分布，将重叠多光栅中各传感光栅中心波长的解算结果按波长的扫描顺序组合起来即可重构动态应变信息。
由于重叠多光栅在可调谐滤波器正向与反向波长扫描过程中都有传感光栅响应谱输出，为了实现等间隔采集动态应变信号的目的，每个波长扫描周期都需要同时解算正反两个方向的传感光栅响应谱，同时为了实现重叠多光栅中各个光栅的中心波长均匀分布，重叠多光栅中的每个传感光栅的中心波长应按照下式计算结果来选取
权利要求
1.一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于包括宽带光源(I)、可调谐滤波器(2)、光纤耦合器(3)、隔离器(4)、重叠多光栅(5)、标准具(6)、光电探测器(7)、A/D转换器(8)、计算机(9)、基于FPGA的解调与控制电路(10)、D/A转换器(11)和高压驱动放大电路(12);所述重叠多光栅(5)是在传感光纤同一区域重复刻写多个具有不同中心波长的传感光栅，重叠多光栅(5)的各中心波长在可调谐滤波器(2)波长扫描范围内应等间隔分布；基于FPGA的解调与控制电路(10)通过D/A转换器(11)与高压驱动器(12)控制宽带光源(I)与可调谐滤波器(2)输出连续的波长，该输出波长经过耦合器(3)后分别进入重叠多光栅(5)和标准具(6);隔离器(4)用于隔离标准具(6)的反射信号；经过重叠多光栅(5)的反射波和标准具(6 )的透射波分别进入光电探测(7 )，再通过A/D转换器(8 )实时同步采集光电探测器(7)输出的电信号送至基于FPGA的解调与控制电路(10)中；基于FPGA的解调与控制电路(10)实时接收A/D转换器(8)的信号，计算信号中每个波长扫描周期重叠多光栅(5)与标准具(6)的峰值位置，并将计算结果发送给计算机(9)，同时基于FPGA的解调与控制电路(10 )用于控制A/D转换器(8 )与D/A转换器(11)的工作时序及输出波形；由于标准具(6)每个输出峰值的中心波长固定不变，而重叠多光栅(5)输出的峰值波长在动态应变作用下将会向长波或短波方向移动，计算机(9)通过计算重叠多光栅(5)中每个传感光栅的峰值位置相对标准具(6)各个峰值位置的变化量，即可解算出重叠多光栅(5)中每个传感光栅中心波长的变化；另外由于重叠多光栅(5)的各中心波长在频域上等间隔均匀分布，且可调谐滤波器(2)的输出波长在时域上连续线性分布，重叠多光栅(5)的各中心波长的解算结果在时域上也连续等间隔分布，将重叠多光栅(5)的各中心波长的解算结果按波长的扫描顺序组合起来即可重构动态应变信息。
2.根据权利要求I所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于所述重叠多光栅(5)中多个具有不同中心波长的传感光栅按照下式来选取I _ I r · I I 儿β — J ^Β[η =^s +[卜？]χ- ZH 式中λΒ[ ]为第i个传感光栅的中心波长； λ S为可调谐滤波器的波长扫描起点； λ Ε为可调谐滤波器的波长扫描终点； η为传感光栅总的个数。
3.根据权利要求I所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于为了进一步提高动态应变的测量带宽，所述重叠多光栅(5)中，也能通过并行连接多根重叠多光栅的制作方式，即每根传感光纤上都刻写有重叠多光栅，再将多根传感光纤并行连接到动态应变测量装置的固定端，以实现更多光栅用于同一被测物理量同步传感的目的，但并行连接多根重叠多光栅中所有用到的传感光栅中心波长需统一选取，选取方法为 - —1 r .. 义￡ —义S 為}W = 4 十[卜；]χ ~~ 式中λΒ[ ]为第i个传感光栅的中心波长； λ s为可调谐滤波器的波长扫描起点； λΕ为可调谐滤波器的波长扫描终点； η为传感光栅总的个数。
4.根据权利要求I所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于所述计算机(9)重构动态应变信息的过程为根据重叠多光栅中每个传感光栅峰值位置相对于标准具输出峰值的位置变化来计算出各传感光栅中心波长的变化量△ Xni，再根据重叠多光栅中每个传感光栅中心波长动态应变灵敏度系数h即可重构被测物理量的动态应变信息，第η个扫描周期动态应变信号应按下式所示重构
5.根据权利要求I所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于所述A/D转换器(8)采用多路高速同步串行A/D，通过该设计可有效提高基于FPGA的解调与控制电路(10)的多通道并行数据处理能力，降低A/D转换对基于FPGA的解调与控制电路(10)输入输出引脚的需求，便于更多解调通道的扩展。
6.根据权利要求I所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于所述可调谐滤波器(2)采用三角波或正弦波对称扫描的方式，且可通过调整扫描波形的偏置电压与峰峰值范围来改变输出波长，以使重叠多光栅(5)中各个传感光栅的输出波长在频域上尽量等间隔分布。
全文摘要
一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，包括重叠多光栅、宽带光源、可调谐滤波器、定向耦合器、标准具、光电探测器及解调与控制电路等，重叠多光栅是选用不同的相位模板在传感光纤上的同一区域重叠刻写多个中心波长等间隔分布的传感光栅，其中多个重叠刻写在一起的光纤光栅的中心波长在可调谐滤波器的波长扫描范围内并连续等间隔分布，这样在每个波长扫描周期内可连续多次获得同一被测物理量的传感信息，记录重叠多光栅中每个传感光栅的峰值位置及波长变化即可重构原始动态应变信号，达到提高基于可调谐滤波器光栅解调系统动态应变信号测量带宽的目的。本发明有效提高基于可调谐滤波器光纤光栅传感的测量带宽，可满足动态应变信号对高速和高精度的同时测量需求。
文档编号G01B11/16GK102818531SQ201210335869
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者杨远洪, 马游春, 杨明伟 申请人:北京航空航天大学