专利名称：一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统的制作方法
技术领域：
本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统。
背景技术：
金属材料或复合材料因受カ产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能的现象，称为声发射。声发射技术就是采用高灵敏度的声发射传感器实时采集这些来自于材料缺陷的声发射信号，并通过对这些声发射信号的分析处理，来了解材料缺陷的发展情况，以实现对材料健康状况的监測。由于声发射技术的动态性、敏感性、整体性、普适性等优点，使得它在航空、航天、地震监测以及金属加工等方面有广泛的应用。
光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内产生周期性变化的折射率分布，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜。宽带光进入光纤布拉格光栅，只有满足其反射条件的很窄的光才能被光纤布拉格光栅反射回去。由于光纤布拉格光栅的抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低及易于实现复用等优点，光纤布拉格光栅ー经问世，便在光纤传感领域发挥重要作用，并在高速公路、桥梁、矿山、地质勘探、鉄路、石油/天然气管道的结构健康监测中得到广泛应用。现有的光纤光栅传感系统如中国专利CN200920129512. 2 “ー种光纤光栅传感器及光纤光栅传感系統”、CN200610130121. 3 “光纤光栅传感系统”都可以同时测量温度与应变；现有的光纤声发射检测系统如中国专利CN201110207340. 8 “ー种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统”等声发射检测系统适于在恒温环境下检测，若环境温度变化较大，则会影响光纤布拉格光栅检测精度。

发明内容
本发明的目的在于,克服已有的技术局限，将光纤布拉格光栅引入声发射领域，提供了一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，该系统具有检测灵敏度高、不受电磁干扰、适于动/静态检测、适于恒温/变温环境工作等特点。本发明的技术方案一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，所述传感系统包括泵浦源，光波分复用器，掺铒光纤，第一光隔离器，第一光纤稱合器，第一光纤布拉格光栅，第二光隔离器，第二光纤稱合器，第二光纤布拉格光栅，光电探测电路，前置放大电路，模数转换电路，FPGA,计算机；其中,第一光纤稱合器的A端ロ与第一光隔离器相连,B端ロ与第一光纤布拉格光栅相连,C端ロ通过回路接入光波分复用器,D端ロ接第二光隔离器；其中，第二光纤耦合器的E端ロ接第二光隔离器，F端ロ接光电探测器，G端ロ接第ニ光纤布拉格光柵，H端ロ空置；泵浦源发出的泵浦光被光波分复用器引入光路，进入掺铒光纤，经过掺铒光纤放大后，通过第一光隔离器进入第一光纤耦合器的A端ロ，此处光被分为两路，一路通过端ロ B进入第一光纤布拉格光栅,只有符合第一光纤布拉格光栅中心反射波长的窄带光可以被反射回去，并经端ロ C进入光路(进入端ロ A的光被第一光隔离器隔离)，经过多次循环后，光路最終具有稳定的输出波长与功率；另一路光通过端ロ D经第ニ光隔离器到达第二光纤耦合器的E端ロ，分为两路，一路进入空置端H，另一路通过G端ロ进入第二光纤布拉格光栅，第二光纤布拉格光栅接收到外界声发射信号，中心波长发生相应的漂移，只有符合第二光纤布拉格光栅中心反射波长的窄带光可以被反射回去，并通过F端ロ到达光电探测电路(通过E端ロ的光被第二光隔离器隔离)，此处光信号被转换为电信号，再经过前置放大电路放大，进入模数转换电路转换为数字信号输出，经FPGA采集、滤波、解调后，在计算机上得到分析与显示。进ー步的，所述泵浦源为泵浦光源，中心波长为974. 54nm,峰值功率为6. 77dBm。进ー步的，所述掺铒光纤线长20m，芯径3 μ m。进ー步的，所述第一光纤稱合器，分光比为40:60,进入第一光纤布拉格光栅的B端为40,用于光路输出的D端为60 ;第二光纤稱合器,分光比为50:50,进入空置端H和第 ニ光纤布拉格光栅的G端ロ的光的比例相同。进ー步的，所述第一光纤布拉格光栅为可调谐光栅，要与用于传感的第二光纤布拉格光栅相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度灵敏系数參数一致，中心波长相差
O.Inm0进ー步的，所述的光电探测电路为半导体InGaAs PIN型光电ニ极管电路。进ー步的，所述的前置放大电路，信噪比50dB以上，带宽20-1200KHZ。本发明与现有技术相比的优点在于现有的光纤布拉格光栅传感器大多数都工作在恒温或温度变化较小的环境下，一旦环境温度变化较大，光纤布拉格光栅的检测精度便会降低，影响最终检测結果，而本发明采用带温度补偿的匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，可以最大限度的降低温度对光纤布拉格光栅传感器的影响，使得光纤布拉格光栅传感器在变温环境下同样具有正常工作的能力，同时降低了系统的成本，利于工程实际应用。


图I是自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统的原理图；图中1、泵浦源,2、光波分复用器,3、掺铒光纤,4、第一光隔离器,5、第一光纤f禹合器,6、第一光纤布拉格光栅,7、第二光隔离器,8、第二光纤稱合器,9、第二光纤布拉格光栅，10、光电探测电路，11、前置放大电路，12、模数转换电路，13、FPGA，14、计算机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。如图I所示，本发明所述的自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统包括泵浦源I，光波分复用器2,掺铒光纤3,第一光隔离器4,第一光纤稱合器5,第一光纤布拉格光栅6,第二光隔离器7,第二光纤f禹合器8,第二光纤布拉格光栅9,光电探测电路10,前置放大电路11，模数转换电路12，FPGA13，计算机14 ;其中，第一光纤耦合器5的A端ロ与第一光隔离器4相连，B端ロ与第一光纤布拉格光栅6相连，C端ロ通过回路接入光波分复用器2，D端ロ接第二光隔离器7 ;其中，第二光纤耦合器8的E端ロ接第二光隔离器7，F端ロ接光电探测器10，G端ロ接第二光纤布拉格光栅9，H端ロ空置；光电探测电路10后面依次接入前置放大电路11，模数转换电路12，FPGA13以及计算机14。泵浦源I发出的泵浦光被光波分复用器2引入光路，进入掺铒光纤3，经过掺铒光纤3放大后,通过第一光隔离器4进入第一光纤稱合器5的A端ロ，此处光被分为两路,一路通过端ロ B进入第一光纤布拉格光栅6,只有符合第一光纤布拉格光栅6中心反射波长的窄带光可以被反射回去，并经端ロ C进入光路(进入端ロ A的光被第一光隔离器隔离)，经过多次循环后，光路最終具有稳定的输出波长与功率；另一路光通过端ロ D经第二光隔离器7到达第二光纤耦合器8的E端ロ，分为两路，一路进入空置端H，另一路通过G端ロ进入第二光纤布拉格光栅9,第二光纤布拉格光栅9接收到外界声发射信号，中心波长发生相应的漂移，只有符合第二光纤布拉格光栅9中心反射波长的窄带光可以被反射回去，并通过F端ロ到达光电探测电路10 (通过E端ロ的光被第二光隔离器7隔离)，此处光信号被转换为电信号，再经过前置放大电路11放大，进入模数转换电路12转换为数字信号输出，经FPGA13采集、滤波、解调后，在计算机14上得到分析与显示.所述泵浦源I为泵浦光源。其作用是为掺铒光纤3中的电子提供能量，使其受激发后发生粒子数反转，产生自发辐射，起到放大的作用。本发明使用的泵浦光源中心波长为974. 54nm,峰值功率为6. 77dBm ;使用的掺铒光纤线长20m，芯径3 μ m。所述光波分复用器起到将不同波长的光合为一路在光纤中传输的作用。所述第一光纤稱合器5,分光比为40:60,进入第一光纤布拉格光栅6的B端为40,用于光路输出的D端为60 ;第二光纤I禹合器8,分光比为50:50,进入空置端H和第二光纤布拉格光栅9的G端ロ的光的比例相同。所述第一光纤布拉格光栅6为可调谐光栅,要与第二光纤布拉格光栅9 (传感光柵)相匹配，中心波长相差O. lnm，反射率、边模抑制比、3dB带宽參数应一致。当两个光纤布拉格光栅处于同一温度场时，由温度引起的中心波长漂移基本相同，这就最大限度的降低了温度对第二光纤布拉格光栅9的影响，不会过于影响第二光纤布拉格光栅9的检测精度，实现了温度补偿。所述光电探测电路10为半导体InGaAs光电ニ极管。入射到光电探测电路10上的信号光经过了一系列的光纤、接ロ、耦合器，功率衰减比较大，通常在nW量级，故选用半导体InGaAs光电ニ极管进行光电转化,它具有光谱响应宽、光电转换效率高,稳定性好、信噪比闻等优点。所述前置放大电路11，起到将经光电转换后的电信号放大的作用。由于所需放大的电信号属于宽频微弱信号，故需选用带宽宽，信噪比高的前置放大电路。本发明所用前置放大电路11的信噪比在50dB以上，带宽20-1200KHZ所述模数转化电路12，起到将放大后的模拟电信号转化为数字电信号的作用。所述FPGA13起到对转换后的数字信号进行采集、滤波、解调的作用。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1.一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述传感系统包括泵浦源(1)，光波分复用器(2)，掺铒光纤(3)，第一光隔离器(4)，第一光纤耦合器(5)，第一光纤布拉格光栅(6)，第二光隔离器(7)，第二光纤耦合器(8)，第二光纤布拉格光栅(9)，光电探测电路(10)，前置放大电路(11)，模数转换电路(12)，FPGA (13)，计算机(14)；其中，第一光纤稱合器(5)的A端口与第一光隔离器(4)相连，B端口与第一光纤布拉格光栅(6)相连，C端口通过回路接入光波分复用器(2)，D端口接第二光隔离器(7);其中，第二光纤耦合器(8)的E端口接第二光隔离器(7)，F端口接光电探测器(10)，G端口接第二光纤布拉格光栅(9)，H端口空置；泵浦源(I)发出的泵浦光被光波分复用器(2)引入光路，进入掺铒光纤(3 )，经过掺铒光纤(3 )放大后，通过第一光隔离器(4 )进入第一光纤耦合器(5 )的A端口，此处光被分为两路,一路通过端口 B进入第一光纤布拉格光栅(6),只有符合第一光纤布拉格光栅(6)中心反射波长的窄带光能够被反射回去，并经端口 C进入光路，经过多次循环后，光路最终具有稳定的输出波长与功率；另一路光通过端口 D经第二光隔离器(7)到达第二光纤耦合器(8)的E端口，分为两路，一路进入空置端H，另一路通过G端口进入第二光纤布拉格光栅(9),第二光纤布拉格光栅(9)接收到外界声发射信号，中心波长发生相应的漂移，只有符合第二光纤布拉格光栅(9)中心反射波长的窄带光能够被反射回去，并通过F端口到达光电探测电路(10 )，此处光信号被转换为电信号，再经过前置放大电路(11)放大，进入模数转换电路(12)转换为数字信号输出，经FPGA (13)采集、滤波、解调后，在计算机(14)上得到分析与显示。
2.根据权利要求I所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述泵浦源(I)为泵浦光源，中心波长为974. 54nm,峰值功率为6. 77dBm。
3.根据权利要求I所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述掺铒光纤(3)线长20m，芯径3 μ m。
4.根据权利要求I所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述第一光纤稱合器(5),分光比为40:60,进入第一光纤布拉格光栅(6)的B端为40,用于光路输出的D端为60 ;第二光纤I禹合器(8),分光比为50:50,进入空置端H和第二光纤布拉格光栅(9 )的G端口的光的比例相同。
5.根据权利要求I所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述第一光纤布拉格光栅(6)为可调谐光栅,要与用于传感的第二光纤布拉格光栅(9)相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度灵敏系数参数一致，中心波长相差O. lnm。
6.根据权利要求I所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述的光电探测电路(10)为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。
7.根据权利要求I所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，其特征是所述的前置放大电路(11)，信噪比50dB以上，带宽20-1200KHZ。
全文摘要
本发明提供了一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，光路系统包括泵浦源，光波分复用器，掺铒光纤，第一光隔离器，第一光纤耦合器，第一光纤布拉格光栅，第二光隔离器，第二光纤耦合器，第二光纤布拉格光栅，光电探测电路，前置放大电路，模数转换电路，FPGA，计算机；本发明主要用于结构健康监测以及结构重要部件的损伤检测，相比于采用窄带光源的功率型光纤布拉格光栅声发射传感系统，本发明自带温度补偿，可有效降低温度变化对光纤布拉格光栅传感器的影响，提高光纤布拉格光栅传感器的检测精度，同时降低了设备成本，利于实际工程应用。
文档编号G01H9/00GK102680582SQ201210187630
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者李宁, 李成贵, 涂万里, 魏鹏 申请人:中国人民解放军陆军航空兵学院, 北京航空航天大学