专利名称：光纤光栅微振动传感测试仪的制作方法
技术领域：
本新型涉及一种对物体的微弱振动信号进行传感测量的光纤光栅传感测试仪，特别是一种适用于由一组或多组光纤布喇格光栅组成的传感阵列的微振动传感测试仪。
背景技术：
光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化，从而引起光纤光栅布喇格波长的变化。通过标定并建立光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化关系，即可由光纤光栅中心波长的变化，测量出被测量的变化。将光纤光栅阵列与波分复用和时分复用系统相结合，将其埋入材料和结构内部或贴装在其表面，从而对材料的特性(如温度、压力、应变、加速度等)实现多点监测。这种传感器阵列已被广泛应用于工业、建筑业和科学研究等多个领域。
本新型是一种新型的光纤光栅微振动传感测试仪，以光纤光栅作为传感器件，对物体的微弱振动进行传感测量。因采用匹配光纤光栅的方法，仪器具有很高的灵敏度。并且由于采用了全光结构设计，也使仪器具有很大的振动频率测量范围。检索结果表明，目前尚没有与之一致的光纤光栅微振动传感测试仪的专利报导。

发明内容
本仪器设计的目的旨在利用光纤光栅作为传感器件，对物体的微弱振动信号进行传感测量。本系统可应用于各种接触式微弱振动信号测量。
其技术方案如下这种光纤光栅微振动传感测试仪，它包括单模光纤、光纤布喇格光栅等，其特点是传感测试仪有两种连接方案，方案1由宽带光源发出的光经单模光纤、光纤布喇格光栅A透射后，经3dB光纤耦合器、单模光纤进入光纤布喇格光栅B，从光纤布喇格光栅B反射后的光，再经耦合器、波分解复用器进入光电转换器转换为电信号，通过信号放大电路放大，最后进入计算机或微处理器数据处理系统进行处理，从光纤布喇格光栅B透射的光进入折射率匹配液；方案2由宽带光源发出的经光单模光纤、3dB光纤耦合器进入光纤布喇格光栅B，从光纤布喇格光栅B反射后的光，再经3dB光纤耦合器入射到光纤布喇格光栅A，经光纤布喇格光栅A透射后，经波分解复用器进入光电转换器转换为电信号，通过信号放大电路放大，最后进入计算机或微处理器数据处理系统进行处理，从光纤布喇格光栅B透射的光进入折射率匹配液。
光纤光栅A与光纤光栅B为匹配光纤光栅，其布喇格波长应基本相同。所谓基本相同，是指任一只光纤光栅的布喇格波长应处于另一只光纤光栅的3dB带宽以内。
这两种方案只是光纤光栅位置上的不同，并无原理上区别。
测试原理是当物体振动时，其振动面会发生微小的形变。此微小形变作用于光纤光栅上，光纤会因为本身的弹性而产生物理性的伸长或压缩，从而反射率也由于光纤弹光效应而产生变化。这两个物理效应使得光纤光栅布喇格波长漂移。由于微振动形变作用造成的布喇格波长漂移通常很小，因此认为波长漂移与形变成比例。而反射或透射谱曲线漂移时不随物体振动的变化而改变形状。当物体振动方程为p＝pAsinWAt(1)时，所影响的光纤光栅反射或透射光强相应产生变化，如下式Iout=IinR(λ)|p=0+Iin∂T∂PpAsinwAt--(2)]]>pA和wA分别是声压的幅度和角频率，R(λ)为光纤光栅反射或透射谱函数，Iin和Iout分别为入射进入光纤光栅的光强和输出的光强。从(2)式我们最终可知道，光纤光栅传感器输出光强的交流部分和作用在FBG上的振动形变成比例。
当采用两只光纤光栅进行传感时，由于两只光纤光栅分别粘贴于物体振动面的相对位置，因此，当物体振动时，两只光纤光栅所受形变正好相反，其布喇格波长的漂移也是向相反方向。因此，可以增加振动检测的灵敏度。
本新型的有益效果是利用光纤光栅作为传感器件，采用匹配光纤光栅解调技术，可以达到很高的振动测量灵敏度以及很宽的振动频率测量范围。


图1是本新型传感测试仪连接方案1的系统结构示意图图2是本新型传感测试仪连接方案1的系统结构示意图图中1.宽带光源，2.单模光纤，3.光纤布喇格光栅A，4.光纤布喇格光栅B，5.折射率匹配液，6.波分解复用器，7.光电转换器，8.3dB光纤耦合器(环行器)，9.信号放大电路，10.计算机或微处理器数据处理系统。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行说明实施例传感测试仪有两种连接方案，方案1如图1所示由宽带光源1发出的光经单模光纤2、光纤布喇格光栅A3透射后，经3dB光纤耦合器8、单模光纤2进入光纤布喇格光栅B4，从光纤布喇格光栅B反射后的光，再经耦合器、波分解复用器6进入光电转换器7转换为电信号，通过信号放大电路9放大，最后进入计算机或微处理器数据处理系统10进行处理，从光纤布喇格光栅B透射的光进入折射率匹配液5。
方案2如图2所示由宽带光源发出的经光单模光纤、3dB光纤耦合器进入光纤布喇格光栅B，从光纤布喇格光栅B反射后的光，再经3dB光纤耦合器入射到光纤布喇格光栅A，经光纤布喇格光栅A透射后，经波分解复用器6进入光电转换器转换为电信号，通过信号放大电路9放大，最后进入计算机或微处理器数据处理系统10进行处理，从光纤布喇格光栅B透射的光进入折射率匹配液5。
光纤光栅A(图中3处)的自由态中心波长为1547.600nm，峰值反射率为99％，谱宽为0.26nm。光纤光栅B(图中4处)的自由态中心波长为1547.700nm，峰值反射率为99％，谱宽为0.25nm。宽带光源1输出光波长范围为1520-1570nm，输出光功率4mW。光电转换器7采用InGaAs-PIN光电二极管，其暗电流为0.025nA，响应度为0.85。
在实际应用中，将光纤光栅A或光纤光栅B粘贴于弹性振动面上，信号发生器发出单频正弦波，通过驱动电路及换能器，使该弹性振动面以不同频率振动。此时，即可在光电转换器7处检测到相同频率的光强变化，经放大电路放大后，由计算机或微处理器组成的数据处理系统10即可显示出振动的频率、幅度及频谱特性。
在多路检测时，需要加入波分解复用器6，用以将不同波长的光分开，分别经光电转换、放大后，再送入计算机进行处理。光纤布喇格光栅采用光纤光栅作为基本传感器件，利用匹配光纤光栅解调技术，达到高灵敏度振动信号测量的目的。利用光电转换器件将光信号转换为电信号，进行相关处理。
这两种方案只是光纤光栅位置上的不同，并无原理上区别。
由于光纤的端面反射，使得光源的光谱对后端光电检测器件造成很大的影响。因此，需要将不用的光纤端面浸入折射率匹配液中，以尽量减少端面反射。
由于光纤的端面反射，使得光源的光谱对后端光电检测器件造成很大的影响。因此，需要将不用的光纤端面浸入折射率匹配液中，以尽量减少端面反射。进行微振动传感测试时，可根据需要将光纤光栅A和光纤光栅B其中的一只或全部粘贴于待测物体的表面或埋入其内部。具体方法为若只粘贴一只光纤光栅，则应将其粘贴于需要测量物体的表面或埋入其内部。此时，检测灵敏度相对较低。
若粘贴两只光纤光栅，则应将其粘贴于物体振动面的两侧相对位置。此时，检测灵敏度相对校高。
图1和图2分别对应以上所述技术方案1与技术议案2。且图中以1路振动测量为例，在实际应用中，可以根据需要进行路数扩展。
权利要求1.一种光纤光栅微振动传感测试仪，它包括单模光纤、光纤布喇格光栅，其特征在于传感测试仪有两种连接方案，方案1由宽带光源(1)发出的光经单模光纤(2)、光纤布喇格光栅A(3)透射后，经3dB光纤耦合器(8)、单模光纤(2)进入光纤布喇格光栅B(4)，从光纤布喇格光栅B反射后的光，再经耦合器、波分解复用器(6)进入光电转换器(7)转换为电信号，通过信号放大电路(9)放大，最后进入计算机或微处理器数据处理系统(10)进行处理，从光纤布喇格光栅B透射的光进入折射率匹配液(5)；方案2由宽带光源发出的经光单模光纤、3dB光纤耦合器进入光纤布喇格光栅B，从光纤布喇格光栅B反射后的光，再经3dB光纤耦合器入射到光纤布喇格光栅A，经光纤布喇格光栅A透射后，经波分解复用器进入光电转换器转换为电信号，通过信号放大电路放大，最后进入计算机或微处理器数据处理系统进行处理，从光纤布喇格光栅B透射的光进入折射率匹配液。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感测试仪，其特征在于光纤布喇格光栅A与光纤布喇格光栅B为匹配光纤布喇格光栅，并采用匹配光纤光栅解调技术。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅微振动传感测试仪，其特征在于两个光纤布喇格光栅，可根据检测需要粘贴其中的一只或两只。
4.根据权利要求2所述的光纤光栅微振动传感测试仪，其特征在于光纤布喇格光栅可以是光纤布喇格光栅阵列，由一个或数个光纤布喇格光栅所组成，其组成数量根据网络系统需要而定。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感测试仪，其特征在于所述的3dB耦合器可以是光纤环形器。
专利摘要本新型涉及一种对物体的微弱振动信号进行传感测量的光纤光栅传感测试仪，特别是一种适用于由一组或多组光纤布喇格光栅组成的传感阵列的微振动传感测试仪。该新型是由宽带光源、布喇格光纤光栅、2×2光纤耦合器、匹配液、单模光纤、光电转换器、放大电路及数据处理等所组成，有两种连接方式，将光纤光栅经适当封装后，粘贴于待测物体的振动面上，对物体的微弱振动进行传感测量，采用匹配光纤光栅的方法，使仪器具有很高的灵敏度。由于采用了全光结构设计，也使仪器具有很大的振动频率测量范围。当物体振动时，将引起传感光纤光栅布喇格波长发生漂移，通过本仪器可检测出物体振动的频率、幅度。本新型可适用于物体振动，特别是微弱振动的测量。
文档编号G01H9/00GK2708279SQ20032011239
公开日2005年7月6日 申请日期2003年11月26日 优先权日2003年11月26日
发明者董孝义, 开桂云, 刘波, 张伟刚, 曾剑, 袁树忠 申请人:南开大学