专利名称：应变调谐光纤光栅传感解调器的制作方法
技术领域：
本实用新型是涉及光纤光栅传感器的解调器，特别是一种应变调谐光纤光栅传感解调器，主要用于光纤传感、光学测量、光器件波长调谐的技术领域。
背景技术：
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。由于石英光纤的弹性形变、热膨胀特性，以及其热光、弹光效应，它具有对温度和应力的敏感特性。在一定的范围内这一敏感特性是线性的，符合以下的关系Δλε/λ＝ε(1-γ)(1)ΔλT/λ＝(α+e)ΔT(2)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=1ndndT]]>为热光系数。通过利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，用光纤光栅作为传感器，精确、快速测量并读出Bragg波长成为实际应用的关键技术，相配的Bragg波长读出装置，即谓称为Bragg波长调谐解调器成为传感应用的关键器件。
在先技术中，对于光纤光栅波长编码的解调过程，传统手段是使用光谱仪、单色仪或者波长计等仪器。除此之外人们已经提出了一些新型的波长信息解调的方案，如马赫-曾德干涉仪法、可调法布里-珀罗滤波器法、匹配光纤光栅滤波器法等。归纳起来，光纤光栅反射光波长的解调技术可以分为以下几种类型1、被检测传感头反射回来的具有一定的光信号直接输入到光谱仪、单色仪或波长计中，直接测量出光纤光栅反射信号的波长位置。如在先技术[1]刘志国等，高灵敏度光纤光栅传感特性测试仪研究，光子学报，1999，28(2)138-141。这种解调方式简单、测量精度高，但是这些仪器昂贵而且不易携带。只适合于实验室使用，不便应用于实际传感系统中。
2、利用可调谐激光器作为测试光源，输出的激光波长在一定的范围内连续扫描，根据光信号在扫描周期中的位置，可以得出被测光纤光栅反射光波长的变化，或者得出测量光纤光栅与参考光纤光栅的反射光波长。如在先技术[2]Soek Hyun Yun，et al.，Interrogation for fiber grating sensorarrays with wavelength-swept fiber laser，Optics Letters，1998，23(11)843-845；和在先技术[3]关柏欧等，一种高分辨率的光纤光栅传感解调技术，光学学报，2000，20(11)1509-1513。这种方法的优点是反射光能量高，而且只要一般的光功率计作接受元件，信号易于检测，分辨率高，多路复用的实现简单。但是这种方法的不足是光源的设计制作难度大，成本高。
3、利用宽带光源作为测试光源，利用滤波器或可调谐滤波器作传感光纤光栅反射光信号的解调元件，用光功率计来检测光信号。这种方法又可以分成反射型和透射型两类。前者的原理如下从传感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若与接收端FBG的反射光波长一致，则被反射到探测器上。通过PZT驱动接收FBG进行微调，得到传感FBG的峰值波长。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，对探测端FBG光谱的稳定性要求高。在先技术[4]M.A.Davis，et al.，Matched-filter interrogationtechnique for fiber Bragg grating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)822-823提出了透射型的测量方案。该方案与反射型的区别在于光电探测器不是放在接收端FBG反射光的位置，而是置于透射光的位置，通过监测透射光的有无来确定是否匹配，从而提高了探测灵敏度。这一方法要求接收端FBG与传感FBG波长接近，传感和解调的波长范围比较小。
4、边缘滤波法，即采用一种具有线宽较大，透过率呈线性变化的滤波器，与传感FBG的反射光波长相卷积，得到的信号同FBG峰值波长的位置成比例，因而可以从信号大小推知FBG波长位置，如在先技术[5]A.D.Kersey，A review of recent developments in fiber optic sensor technology，Optical Fiber Technology，1996，2，291-317。这一方法要求解调滤波器线性好，要求系统各个元部件参数稳定。因此使用条件比较苛刻。
由于上述方法存在的缺陷，光纤光栅传感系统中的解调技术成为这一传感技术推广应用的主要障碍之一。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种应变调谐光纤光栅传感解调器。
本实用新型的基本原理是利用光纤光栅的应变调谐特性，对光纤光栅传感头的光谱特性进行扫描，实现解调。
本实用新型的技术解决方案如下一种应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于它的构成是含有光纤光栅的光纤段，该光纤段的两端分别由两个光纤夹持器固定在一机壳上，一可带动光纤段作横向振动的振动器也固定在该机壳上；所述的光纤段是具有光折变性质，能用于制备光栅的光纤，例如常规通信光纤、或高掺锗光纤、或塑料光纤；
所述的光纤夹持器是一种机械紧固件，如螺钉、压簧、或粘贴胶；所述的横向振动器是一可在一定行程内作往复运动的机械装置；所述的横向振动器是由微型马达、偏心轮、弹性传动件和安装支架构成，弹性传动件位于偏心轮和光纤段之间，该微型马达固定在支架上，通过其轴驱动偏心轮旋转，带动弹性传动件，使光纤段产生振动；所述多个含有不同峰值波长的光纤光栅的光纤段被安装在围绕偏心轮圆周的不同方位上或偏心轮的不同轴向位置上。
本实用新型的优点和特点是(1)本实用新型采用可调谐光纤光栅作为传感光波长信号的读出器件。同采用光谱仪、单色仪、波长计的方法相比较，成本低廉得多，便于推广应用。
(2)本实用新型的信号解调装置，全部采用光纤和光纤元器件，是一种全光纤的系统。各器件和元件之间，可以全部用光纤熔接机熔接，构成一个整体。因此，使用稳定可靠，容易实现仪器化。
(3)本实用新型利用光纤光栅的应变敏感特性进行扫描，可以同时测量应变传感头和温度传感头的光纤光栅峰值波长。只要在二种传感光纤光栅的光谱互不重叠，并且串接另一参考光纤光栅，就可以将应变和温度分别测量出来。
(4)本实用新型解调方法是一种光谱扫描方法，能够读出光纤光栅的峰值位置，与一些采用固定滤波器方法和采用干涉原理的方法相比，具有测量范围大的优点。
(5)本实用新型是一种对波长直接测量的方法，而不是从光强间接推算，数据可信度高。
光纤光栅传感器的优点之一，是可以作为分布式测量系统，可以远距离传感多点的应变和温度信息，具有广泛的应用。本实用新型光纤光栅调谐解调器作为传感测量系统必不可少的关键器件，其使用价值得到充分的体现，具有良好的性价比，预期有很好的市场前景。


图1本实用新型应变调谐光纤光栅传感解调器，光纤振动频率接近谐振频率的状态图。
图2本实用新型应变调谐光纤光栅传感解调器，光纤振动频率远低于谐振频率的状态图。
图3本实用新型多波段复合型光纤光栅传感解调器顶视图。
图4本实用新型多波段复合型光纤光栅传感解调器侧视图。
图5本实用新型应用于分布式光纤光栅传感系统图。
图6从本实用新型解调器测量得到的示波器波形。
具体实施方式
先请参阅图1和图2，由图可见，本实用新型应变调谐光纤光栅解调器也可称为光纤光栅侧向振动调谐解调器，它是由含有光纤光栅1的光纤段3、用于固定光纤段3两端2的二个光纤夹持器4、带动光纤段3作横向弦振动的振动器5、以及安装、固定光纤夹持器4和振动器5的机壳6组成。
图中的元部件光纤2是具有光折变性质、能用于制备光栅的各类光纤，包括常规通信光纤，高掺Ge光纤，塑料光纤等。光纤光栅1是用紫外激光光致折变方法或其它手段写入的光栅。光纤夹持器4是一种机械紧固件，可采用螺钉旋转紧固、压簧紧固、固化胶等。在某些需要的场合，也可以是热融性或溶剂型胶。二个光纤夹持器4固定在机壳6上，它们之间的距离可以精细调节，以获得所需的光纤段3的长度和预应力。
横向振动器5是可以在一定行程内作往复运动的机械装置。它可以采用电磁线圈推拉铁电材料滑块的机构；也可以采用微型马达驱动，具体结构如图3和图4所示。它由微型马达7、偏心轮8、置于偏心轮8和光纤段3之间的弹性传动件9以及安装支架10构成。
本实用新型应变调谐光纤光栅传感解调器的工作原理如下作横向振动的光纤相当于一段弦的振动，当其振荡频率接近弦的谐振频率时，光纤的振动波形如图1所示。假设其振动方向为y，幅度为y0，频率为f，光纤轴向为z，以光纤段3的中点为原点，则光纤段3上各点的位移在y方向上的坐标及其时间函数为y(t，x)＝y0sin(2πft)cos(2πx/l) (3)经过数学运算，可得光纤段3的应变为ε(t)＝δl(t)/l≈[πy0sin(2πft)/l]2(4)式中l为光纤段3的长度。光纤弦的固有谐振频率f=F/ρ/2l,]]>其中F为光纤段受到的拉力，ρ为光纤材料的密度。由(4)式可知，制备在光纤段上的光纤光栅1将随着这一应变而被周期性地调谐，从而可以作为一种光谱的解调器。
当振动频率很低的时候，光纤振动的形状如图2所示。此时，光纤的应变为ε(t)＝δl(t)/l≈[y0sin(2πft)/l]2/2 (5)此时定量关系有所差别，但是作为光谱解调器的功能是一样的。
本实用新型应变调谐光纤光栅传感解调器在组装调试时，先把含有光纤光栅1的光纤段3的两端2，拉直固定在夹持器4上；二个光纤夹持器4之间光纤长度l可以根据不同设计作调整；并且微调夹持器的位置，以便根据要求获得光纤段3的初始应力。光纤段3通过传动件9同振动器5的运动部件接触，使光纤在作垂直于光纤轴向振动时避免其侧面遭受磨损。解调器工作时，启动振动器5，光纤段3发生图1和图2中实线和虚线所示的形变；致使光纤光栅1所受应力作周期性变化，从而引起光纤光栅Bragg波长在一定带宽范围内连续扫描。如果从光纤段3的端口输入所要测试的传感信号，探测其反射光信号，或者透射光信号，就可以记录传感信号光谱同解调器光谱的卷积信号，从而把处于带宽范围内的任何传感波长信号检测出耒，实现波长解调的功能。
本实用新型应变调谐光纤光栅传感解调器可以组合为多波段复合解调器，如图3和图4所示。此时多个含有不同峰值波长的光纤光栅1的光纤段3被安装在围绕偏心轮8圆周的不同方位上，或者在偏心轮8的不同轴向位置上。当微型马达7转动时，各个光纤光栅的光谱将以同样的速率进行扫描。因而可以覆盖更大的光谱范围。
本实用新型的应变调谐光纤光栅传感解调器可应用于的光纤光栅分布式应力或(和)温度传感系统，其典型的光路布局如图5所示。其中19是峰值波长为λε的光纤光栅，它固定在应变(或应力)待测的结构件上，是应变(或应力)的传感头。20是峰值波长为λε的光纤光栅，它固定在温度待测的物体上，是温度传感头。18是一个光纤耦合器，通常分束比为1比1。15为一个宽带光源，其发光光谱范围与所采用的光纤光栅处于同一波段。16是一个隔离器，其作用是防止从传感光纤光栅反射回来的光影响宽带光源15。21是由波长为λε和λn的n个可调谐光纤光栅1组成的波长解调器。22是光探测器，接收从光源15发出、经应变或(和)温度传感头19、20反射、又经波长解调器21透射的光信号。所有元件具有光纤接口采用直接熔接方法连接。其中17为长的光缆，以便构成分布式的传感系统。
光纤光栅传感头19和20反射光谱的峰值波长λε和λT随着待测物体的应变和温度而变化，如式(1)和(2)所示。在光探测器上接收到的光信号的强度，是光源、传感头和光谱解调器三个光谱函数的卷积，如下式所示I＝∫f1(λ)f2(λε)f3(λn[c])dλ＝I(λε-λn)(6)I＝∫f1(λ)f2(λT)f3(λn[c])dλ＝I(λT-λn) (7)式中f3(λn[c])是本实用新型解调器的应变调谐光纤光栅滤波器的光谱，其中c代表调谐的控制参数，比如电压、电流，或者电压、电流的相位。根据式(6)和(7)，从测量的光强I和事先测量标定的光谱f3(λn[c])随参数c变化的数据，经过运算，即可求出λε和λT，实现光纤光栅光谱的解调。
根据本实用新型解调器的方案，建立了一个传感解调装置。当微型马达转动时，从光电接收器上可以记录信号。图6为示波器上观测到的波形。在马达转动的一个周期内，二次扫过被测的传感光纤光栅，出现二个峰值。根据事先测定的解调器光纤光栅的调谐特性，即可确定被测λε或λT的数值。
权利要求1.一种应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于它的构成是含有光纤光栅(1)的光纤段(3)，该光纤段(3)的两端分别由两个光纤夹持器(4)固定在一机壳(6)上，一可带动光纤段(3)作横向振动的振动器(5)也固定在该机壳(6)上。
2.根据权利要求1所述的应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于所述的光纤段(3)是具有光折变性质，能用于制备光栅的光纤，例如常规通信光纤、或高掺锗光纤、或塑料光纤。
3.根据权利要求1所述的应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于所述的光纤夹持器(4)是一种机械紧固件，如螺钉、压簧、或粘贴胶。
4.根据权利要求1所述的应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于所述的横向振动器(5)是一可在一定行程内作往复运动的机械装置。
5.根据权利要求4所述的应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于所述的横向振动器(5)是由微型马达(7)、偏心轮(8)、弹性传动件(9)和安装支架(10)构成，弹性传动件(9)位于偏心轮(8)和光纤段(3)之间，该微型马达(7)固定在支架(10)上，通过其轴驱动偏心轮(8)旋转，带动弹性传动件(9)，使光纤段(3)产生振动。
6.根据权利要求5所述的应变调谐光纤光栅传感解调器，其特征在于所述多个含有不同峰值波长的光纤光栅(1)的光纤段(3)被安装在围绕偏心轮(8)圆周的不同方位上或偏心轮(8)的不同轴向位置上。
专利摘要一种应变调谐光纤光栅传感解调器，其特点在于它的构成是含有光纤光栅的光纤段，该光纤段的两端分别由两个光纤夹持器固定在一机壳上，一可带动光纤段作横向振动的振动器也固定在该机壳上。本实用新型的优点是结构比较简单、性能稳定可靠、使用方便。
文档编号G01D5/26GK2611936SQ0322985
公开日2004年4月14日 申请日期2003年3月28日 优先权日2003年3月28日
发明者方祖捷, 陈高庭, 瞿荣辉, 耿健新, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所