CN102519499A - 基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器，其包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感单元(3)、传感光纤(4)、光谱分析仪(5)和数据处理器(6)，其中：所述传感单元(3)为微结构光纤法布里-珀罗谐振腔，该传感单元有多个，它们串连集成在传感光纤(4)上；光纤环形器(2)的三个端口分别与宽带光源(1)、集成了所有传感单元的单模光纤(4)、光谱分析仪(5)相连；光谱分析仪(5)通过数据线与数据处理器(6)相连。本发明具有传感容量大，结构简单，成本低，应用前景广泛等优点。

Description

基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器

技术领域

本发明涉及传感技术装置，特别是涉及一种基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器。

背景技术

分布式光纤传感***原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，对沿光纤不同位置的外界信号进行探测、感知。近年来，分布式光纤传感技术受到人们越来越多的关注，已经成为国际研究的热点，并且在工业界也有着广泛的应用。

在目前的分布式光纤传感技术中，准分布式光纤布拉格光栅传感技术，可以实现应力、压力及振动等外界参量的高灵敏度传感，同时又具有体积小、动态区间宽、可靠性高、结构简单，许多工业和工程领域特别是恶劣环境或超大型的结构中有广泛的应用。但是受制于功率、带宽等因素影响的，光布拉格光栅的复用数目受到一定的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种既具有光纤布拉格光栅传感灵敏度高、体积小、结构简单等优点，又可以大规模复用的基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的分布式传感器。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器，其结构是：包括宽带光源、光纤环形器、传感单元、传感光纤、光谱分析仪和数据处理器。其中：所述传感单元为微结构光纤法布里-珀罗谐振腔，该传感光纤上串联串接集成了多个传感单元；光纤环形器的三个端口分别与宽带光源、集成了所有传感单元的传感光纤、光谱分析仪相连；光谱分析仪通过数据线与数据处理器相连。

所述传感光纤是一根串联刻写了多个传感单元的单模光纤。

所述传感单元可以由直接通过相位掩膜法刻写在单模光纤上的不同位置的两个光纤布拉格光栅组成，其栅区长度极短，反射率极低，中心波长相同。

所述的组成传感单元的两个光纤布拉格光栅，其由紫外光透过经过金属挡板遮挡只留下一个窄狭缝(狭缝宽度决定光纤布拉格光栅栅区长度)的相位掩模板，直接在单模光纤上刻写而成。刻写过程中，首先制作一个布拉格光栅，制作完成后，电动位移平台移动一定的距离后，刻写第二个光纤布拉格光栅，电动位移平台的移动距离决定结构光纤法布里-珀罗谐振腔的腔长。

每个微结构光纤法布里-珀罗谐振腔有特定的腔长和反射谱，其中：腔长相同的法布里-珀罗谐振腔为多个，这些法布里-珀罗谐振腔的反射谱均不相同，反射带宽互不重合，由不同周期的相位掩模板刻写；反射谱相同的法布里-珀罗谐振腔为多个，这些法布里-珀罗谐振腔的腔长均不相同，也即组成法布里-珀罗谐振腔的光纤布拉格光栅之间的间距不同。

本发明的反射光谱可以由光谱分析仪或光纤光栅解调仪测试，并通过数据线传输给数据处理器。数据处理器首先根据反射波长的不同，对传输的数据进行分组，对分组后的数据进行频谱分析，腔长不同的传感单元在频谱上对应的峰值不同，据此还原出单个传感单元的光谱信号，根据其光谱信号变化测量外部环境参量的变化值。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一.采用频分/波分混合复用技术，复用容量大，复用传感单元数目为频分数目与波分数目的乘积。例如，采用10个波长，每个波长带宽为10nm，则总的带宽为100nm(光谱分析仪可测带宽约为800nm)，光纤法布里-珀罗谐振腔的腔长由机械装置精确控制，可以在0.5mm到5.5mm(实际可以更长)之间精确选择，考虑到串扰为题，设定腔长间隔为50um，则频分复用数目可达100个，本发明的传感器总复用数目分可达1000个。

其二.传感单元为微结构光纤法布里-珀罗谐振腔，由利用相位掩模法制作的两个弱反射率的光纤布拉格光栅组成，制作方法简单，成本低廉，灵敏度与光纤布拉格光栅传感灵敏度一致，经过理论分析和多次试验测量，应变灵敏度可达1.1με/pm，温度分辨率可达0.1℃/pm。

其三.所有传感单元集成在一根单模光纤上，结构简单，可以精确测量光纤沿线待测参量的空间场分布，具有较高的实用价值和广泛的应用前景。

附图说明

图1：本发明准分布式传感器的结构图。

图2：微结构法布里-珀罗谐振腔制备装置示意图。

图3：本发明所用传感单元的反射光谱。

图4：一个实例，3个波分、3个频分共9个传感单元复用的光谱。

图5：对特定波长光谱进行傅里叶变换的结果示例。

图中：1.宽谱光源；2.光纤环形器；3.传感单元；4.传感光纤；5.光谱分析仪；6.数据处理器；7.单模光纤；8.光纤夹具；9.相位掩模板；10.电动平移台；11.金属挡板；12.紫外光；13.电动平移台。

具体实施方式

本发明基于法布里-珀罗谐振效应和光纤布拉格光栅传感原理，结合频分复用和波分复用技术构成基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔为传感单元的准分布式传感器，提高了单根光纤上传感单元的复用容量，实现光纤沿线参量空间场分布的监测。

本发明提供的基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器，其传感光纤由集成在一根单模光纤上的多个微结构光纤法布里-珀罗谐振腔串联组成，一个微结构光纤法布里-珀罗谐振腔为一个传感单元。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器，其结构如图1所示，包括宽带光源1、光纤环形器2、传感光纤4、光谱分析仪5和数据处理器6。其中：所述传感光纤4为一根串联刻写了多个传感单元3的单模光纤7。这些传感单元3串行分布在传感4上。光纤环形器2的三个端口分别与宽带光源1、集成了所有传感单元的传感光纤4、光谱分析仪5相连；光谱分析仪5通过数据线与数据处理器6相连。

所述光纤环形器2用于在制作传感单元3的过程中，检测传感单元3中光纤布拉格光栅的反射率，选择控制紫外光12运动的电动平移台的速度。

所述传感单元3，是由两个光纤布拉格光栅组成的微结构法布里-珀罗腔，所采用光纤布拉格光栅栅区长度极短(长度等于金属挡板11的狭缝宽度，一般大于2μm小于5mm，如1mm)，反射率极低，小于0.1dB，因此微结构法布里-珀罗腔光功率损耗极低，小于0.2dB，传感单元的复用数不受功率限制。光纤布拉格光栅的特征是物理结构上表现为光纤纤芯的折射率呈周期性分布，周期为相位掩模板周期的一半，对通过光纤入射的光波具有特定的反射特性，表现为对特定波长范围内的光反射，而对其他波长光全部透射，因此不同周期的相位掩模板刻写出的光纤布拉格光栅具有不同的波长选择性，基于此利用不同周期的相位掩模板9制作反射带宽不重合的传感单元，实现波分复用。

参见图2，制作传感光纤4时，将单模光纤7上待制作传感单元3的区域的两端分别放置在电动平移台10上的两个光纤夹具8中固定，调节单模光纤7与相位掩模板9平行放置，刻有狭缝的金属挡板11置于相位掩模板9前方。紫外光12放置在另一个电动平移台13上，通过电动平移台13的运动控制紫外光沿光纤方向移动。通过调整紫外激光的扫描速度，得到适合反射率的光纤布拉格光栅。当制作完一个弱反射率光纤布拉格光栅时，电动位移平台10移动一定的距离，然后制作第二个弱反布拉格光栅，形成一个微结构光纤法布里-珀罗谐振腔，也即制作完成一个传感单元3。依次在单模光纤上串行刻写多个传感单元3，形成传感光纤4。利用这种方法，在制作不同的传感单元3过程中，改变电动位移平台10移动距离，即可制作不同腔长的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔。当需要刻写其他波长的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔时，更换不同周期的相位掩模板。

所述宽带光源1、光纤环形器2、光谱分析仪5为现有技术成熟产品。

所述数据处理器6为现有技术成熟产，可以是计算机或者嵌入式处理设备。

所述单模光纤7为现有技术成熟产品，指纤芯直径为8～10μm，包层直径125um，涂覆层直径约为250μm，只能传输一个模式的石英光纤。

所述光纤夹具8，其为250μm光纤固定夹具，属于现有技术成熟产品。

所述电动平移台10和电动平移台13的结构相同，均可以采用一维电动位移平台，属于现有技术成熟产品。

所述相位掩模板9，其为在石英衬底上制作的在空间上具有特定周期的位相光栅属于现有技术成熟产品，周期由光纤布拉格光栅的中心波长决定，相位模板周期Λ与光纤布拉格光栅反射中心波长λ的关系为：(n_eff为单模光纤有效折射率)

λ＝2n_effΛ

所属金属挡板11为特质金属板，材质可以为铝、铁等其他金属，其形状与相位掩模板一致，在中间位置有细长可透光的狭缝，宽度一般大于2μm小于5mm。

本发明所采用的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔反射光谱近似周期分布，如图3所示，不同腔长的光纤法布里-珀罗谐振腔的反射率曲线在光谱范围周期不同，变化周期取决于腔长，可以根据腔长与反射光谱的周期性关系实现频分复用。本发明可复用的传感单元3的数目为频分复用数目和波分复用数目的乘积，大大提高了传感单元复用数目，降低***成本，经过大量实验和理论分析，该传感器的应变灵敏度可达1.1με/pm，温度分辨率可达0.1℃/pm。

本发明提供的基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器，其工作过程是：把传感光纤4紧贴或埋入需要监测温度或应力的区域中，宽谱光源1发出的宽谱光通过光纤环形器2宽带光源1发出的宽谱光经过光纤环形器2进入单模光纤4，被传感光纤4上的传感单元3反射，反射信号经过光纤环形器2进入光谱分析仪5，光谱分析仪5采集的光谱数据由数据处理器6进行分析。由于周期不同的掩模板制作成的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔的反射谱不同，数据处理器6可以根据反射谱把不同模板制作的传感单元分组，实现波分复用。同一模板制作的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔的腔长是不同的，根据法布里-珀罗效应，法布里-珀罗谐振腔的精细反射光谱为近正弦波形。不同的腔长的法布里-珀罗谐振腔反射光谱的周期性不同，数据处理器6可以利用傅里叶频谱分析把不同腔长的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔的光谱信号解调还原出来。当外界环境参量发生变化，对传感单元施加作用后，作用量的大小可以通过该传感单元反射光谱峰值偏移量的大小计算得到该位置的环境参量变化值。

以下给出一个运用本发明建立的一个准分布式传感器的具体应用的实例。

宽谱光源的波长范围为1510nm到1590nm。整个传感器一共包含9个微结构光纤法布里-珀罗谐振传感单元，光谱如图4所示。按波长分为三组，中心波长分别为1538nm、1553nm、1568nm，带宽约为10nm，每组内又有三种腔长的微结构光纤法布里-珀罗谐振腔，分别为2mm、4mm、6mm。对中心波长为1568nm的一组传感单元光谱进行傅里叶变换，得到频谱如图5所示，可以看出，频谱上有3个峰值，每一个峰值对应一个传感器单元，据此可以还原出每个传感单元的反射光谱，根据反射光谱峰值的漂移，即可获知每个传感单元受到的应力、温度作用，实现准分布传感。

光纤布拉格光栅的紫外相位掩膜刻写技术已经比较成熟，制作方法简单，所采用的设备均为常规设备，因此实现方法简单，价格低廉，所有传感单元集成在一根单模光纤上，结构简单，并且能实现高灵敏度的温度、应力监测，具有很好的实用价值。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种准分布式传感器，其特征是一种基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔准的准分布式传感器，该准分布式传感器包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感单元(3)、传感光纤(4)、光谱分析仪(5)和数据处理器(6)，其中：所述传感单元(3)有多个，每个为一个微结构光纤法布里-珀罗谐振腔；光纤环形器(2)的三个端口分别与宽带光源(1)、集成了所有传感单元的传感光纤(4)、光谱分析仪(5)相连；光谱分析仪(5)通过数据线与数据处理器(6)相连。

2.根据权利要求1所述的准分布式传感器，其特征是所述传感光纤(4)是一根串联刻写了多个传感单元(3)的单模光纤(7)。

3.根据权利要求1所述的准分布式传感器，其特征是所述传感单元(3)由直接通过相位掩膜法刻写在单模光纤(7)上的不同位置的两个光纤布拉格光栅组成，其特征是栅区长度极短，反射率极低，中心波长相同。

4.根据权利要求1或2所述的传感单元(3)，其特征是组成传感单元的两个光纤布拉格光栅由紫外光透(12)过经过金属挡板(11)遮挡只留下一个窄狭缝(狭缝宽度决定光纤布拉格光栅栅区长度)的相位掩模板(9)，直接在单模光纤(7)上刻写而成。刻写过程中，首先制作一个布拉格光栅，制作完成后，电动位移平台(10)移动一定的距离后，刻写第二个光纤布拉格光栅，电动位移平台(10)的移动距离决定结构光纤法布里-珀罗谐振腔的腔长。

5.根据权利要求1或2所述的准分布式传感器，其特征是每个微结构光纤法布里-珀罗谐振腔有特定的腔长和反射谱，其中：腔长相同的法布里-珀罗谐振腔为多个，这些法布里-珀罗谐振腔的反射谱均不相同，反射带宽互不重合，由不同周期的相位掩模板刻写；反射谱相同的法布里-珀罗谐振腔为多个，这些法布里-珀罗谐振腔的腔长均不相同，也即组成法布里-珀罗谐振腔的光纤布拉格光栅之间的间距不同。

6.根据权利要求1所述的准分布式传感器，其特征是该准分布式传感器的反射光谱由光谱分析仪(5)或光纤光栅解调仪测试，并通过数据线传输给数据处理器(6)；数据处理器(6)首先根据反射波长的不同，对传输的数据进行分组，对分组后的数据进行频谱分析，腔长不同的传感单元在频谱上对应的峰值不同，据此还原出单个传感单元的光谱信号，根据其光谱信号变化测量外部环境参量的变化值。

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