CN102661755A

CN102661755A - 基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***

Info

Publication number: CN102661755A
Application number: CN2012101318258A
Authority: CN
Inventors: 高培良
Original assignee: Optoelectronic Technology Co Ltd Tianjin Odd Spectrum
Current assignee: Optoelectronic Technology Co Ltd Tianjin Odd Spectrum
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其技术特点是：包括宽带光源、光环路器、包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器、可扩展光波分复用分离器、光标准具和多个光传感信号检测器和信号处理***；宽带光源的输出经过光环路器连接到具有分布式光纤布拉格光栅的光纤上，从光纤布拉格光栅的反射光由光环路器的一个端口输出到可扩展光波分复用分离器的输入端口，由述可扩展光波分复用分离器的各个输出端口经输出到光标准具，光信号检测器接收由光标准具输出的光束并由信号处理***进行对每个传感信号进行实时信号处理。本发明设计合理，具有成本低、实时性能好和***易于扩展及生产等特点。

Description

基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***

技术领域

本发明属于光电领域，尤其是一种基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***。

背景技术

在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。光纤传感器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场的实际应用，比如建筑结构的健康监测应用等。光纤传感***具有抗电磁干扰和潮湿、耐腐蚀、重量轻等特点，而且，易于形成传感网络和进行远距离传感信号的传输。光纤布拉格光栅(FBG)传感器是一种使用频率最高、应用范围最广的光纤传感器。这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。由于光纤布拉格光栅可以被制作成不同的特定反射波长，因此，可以在一条长距离的独立光纤上，以串联形式连接多个不同的拥有特定布拉格光栅周期的传感器。光纤布拉格光栅具有固有的波长特性，即使在传输过程中由于光纤介质的弯曲和传输造成了光强的损耗和衰减，也能够保证传感器测得的结果的准确性。

宽带光源的光谱宽度、每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围和波长检测器可检测的总波长范围等决定了在一根单独的光纤上可以挂接的布拉格光栅的数量。一般来说，由于应变改变造成的波长改变会比温度改变造成的波长改变更加明显，因此，一般会为FBG应变传感器分配大概5纳米的工作波长范围，而FBG温度传感器则分配大概1纳米的工作波长范围；同时由于通常的宽带光源和波长检测器能提供的测试范围大概为60到80纳米，因此，一根光纤上挂接的传感器数量一般可以从1个到80个不等。一般的FBG传感器会拥有几个纳米的工作波长范围，所以波长检测器必须能够完成分辨率为几个皮米甚至更小的测量，这是一个相当小的量级。FBG光栅传感器中的波长变化的检测可以有以下几种方法：

第一种方法：干涉计是通常运用的实验室设备，它可以提供相当高分辨率的光谱分析，但是，这些仪器一般来说非常昂贵，体积庞大并且不够坚固，因此，在一些涉及各种结构的现场监测的应用中，如风机叶片，桥梁，水管以及大坝等环境的监测中，这些仪器都不适用。

第二种方法：引入电荷耦合器件(charge-coupled device-CCD)以及固定的分散性单元，一般是指波长位置转换，在这种方法中，会用一个宽带光源照射FBG传感器(或者一系列FBG传感器)。这些反射光束会通过一个色散性单元，色散性单元会将波长不同的反射光束分别分配到电荷耦合器件(CCD)表面不同的位置上去。这种方法可以快速并且同时地对挂接在光纤上的所有FBG传感器进行测量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比(SNR)。

目前最流行的方法是利用可调珐珀滤波器来创造一束具有高能量，并且能够快速扫频的激光源来代替传统的宽带光源。可调谐激光源将能量集中在一个很窄的波长范围里面，提供了一个具有很高信噪比的高能量的光源。这种结构提供的高的光功率让使用一条光纤挂载多个光学通道成为可能，这样就能有效地减少多通道光传感信号检测器的成本并且降低***的复杂度。基于这种可调激光器的传感信号检测器可以在一个相对大的波长范围里面以很窄的光谱带进行扫描，同时，一台光传感信号检测器将与这个扫描同步，测量从FBG传感器反射回来的激光束。当可调谐激光器发射的激光波长与FBG传感器的布拉格波长吻合的时候，光传感信号检测器就能测量到相应的响应，该响应发生的时候可调谐激光的波长就对应了此时FBG传感器处测得的温度以及/或者应变。这种方法的缺点是可调谐激光器比较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、实时性好且易于扩展的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，包括一个带光纤尾纤的宽带光源、一个三端口带光纤尾纤的光环路器、一个包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器、一个带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器、一个光标准具和多个光传感信号检测器和信号处理***；所述的带光纤尾纤的宽带光源的输出连接到带光纤尾纤的光环路器的输入端口，所述的带光纤尾纤的光环路器的透射输出端口连接到光纤布拉格光栅传感器，该带光纤尾纤的光环路器的反射输出端口连接到带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的输入端口，所述的带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的输出端口的输出准直光束以接近零度入射角进入光标准具，所述的光传感信号检测器设置于所光标准具后接收从光标准具透过的光传感信号并由信号处理***进行实时信号处理。

而且，所述的带光纤尾纤的宽带光源的输出光谱的宽度大于10纳米。

而且，所述的三端口带光纤尾纤的光环路器包含一个带光纤尾纤的输入端口、一个带光纤尾纤的透射输出端口和一个带光纤尾纤的反射输出端口。

而且，所述的带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器由多个单频道光波分复用分离器依次连接构成，每个单频道光波分复用分离器的输出端口的透射光频谱范围大于2纳米，相邻两个输出端口的透射光频谱波长间隔大致相等并大于每个输出端口的透射光频谱范围，该可扩展光波分复用分离器的第一个输出端口的中心光波长和包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的最后一个布拉格光栅的相同，该可扩展光波分复用分离器的最后一个输出端口的中心光波长和包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的第一个布拉格光栅的相同。

而且，所述的包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的相邻两个布拉格光栅反射光的波长间隔大于2纳米，各个布拉格光栅反射光的反射光谱的中心波长间隔接近相等，该包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的排序和可扩展光波分复用分离器的相反排序以利于平衡每个传感器信号在光传感信号检测器的强度。

而且，所述的光标准具能够接收所有带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的输出光，该光标准具的自由光谱范围与包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的相邻两个布拉格光栅反射光的波长间隔相同，其透射光波长的峰值大于或小于布拉格光栅反射光的中心波长，并使得布拉格光栅反射光的中心波长位于光标准具的透射光频谱曲线的上升或下降沿的中心附近；该光标准具的锐度系数使得光纤布拉格光栅传感器的反射光的波长变化范围全部处于光标准具的透射光频谱曲线的上升或下降沿上。

而且，所述的光传感信号检测器的光谱响应范围与光纤布拉格光栅传感器的反射光的波长变化范围相同。

而且，所述的信号处理***对每一个光传感信号检测器的输入信号进行实时信号处理。

而且，所述的带光纤尾纤的宽带光源、所述的三端口带光纤尾纤的光环路器、所述的包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器和带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的各端口的光纤尾纤采用电弧溶接或光纤连接器连接。

而且，所述的带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的单频道光波分复用分离器数量、包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的布拉格光栅传感器数量以及光传感信号检测器数量相同。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其以宽带光源作为光源，将光纤布拉格光栅的反射波长和光波分复用分离器频道的波长相结合，并利用单一光标准具实现对从每个光栅的反射光分别进行实时处理，通过选择不同的光标准具锐度系数和自由光谱范围，可以实现对传感信号的精确测定。本发明比常用的以可调谐激光器作为光源的光纤布拉格光栅传感***或其他基于光干涉的布拉格光栅传感信号分析***具有成本低、实时性能好和***易于扩展及生产等特点。

附图说明

图1是一种包含一个光纤布拉格光栅的传感装置的示意图；

图2是一个宽带光源的输出光谱示意图；

图3是布拉格光栅反射光的频谱示意图；

图4是布拉格光栅透射光的频谱示意图；

图5是带光纤尾纤的光波分复用分离器的示意图；

图6是光波分复用分离器的透射光谱示意图；

图7是带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器示意图；

图8是光标准具的示意图；

图9是光标准具的透射光谱示意图；

图10是自由光谱范围较小的光标准具的透射光谱示意图；

图11是一个包含四个布拉格光栅的分布式光纤传感器的示意图；

图12是本发明***连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

图1给出了一种包含一个光纤布拉格光栅的传感装置100的示意图。该传感装置100包括一个光源2、一个光环路器4和植入光纤6的一个光纤布拉格光栅8，光源2发出的光线经光环路器4输出光信号5和光信号12，光纤布拉格光栅8输出光信号10。光纤布拉格光栅传感器是一种使用频率最高、范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。

图2给出了光源2输出的光信号12的光谱示意图。一般地，对于单一光纤布拉格光栅，由于波长变化范围在几纳米内，因此，光源2的输出带宽Δλs也只需几纳米。但是，对于在一根光纤中包含多个光纤布拉格光栅的传感***，光源2的输出带宽也要根据布拉格光栅的数量的增加作相应增加。光纤布拉格光栅8的光栅周期为Λ，当一束宽带光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，λb＝2nΛ，λb是布拉格波长，n是光纤纤芯6的有效折射率。当应变以及温度的改变会同时影响光纤布拉格光栅有效的光折射率n以及光栅周期Λ，其结果就是光栅布拉格波长的改变。

图3给出了中心波长为λb的布拉格光栅的反射光窄带光谱14。

图4给出了透过光纤布拉格光栅的光信号10的光谱16。

基于上述特性，可以在一根光纤中植入多个布拉格光栅。

每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围，波长检测器可检测的总波长范围和光源的光谱宽度决定了在一条单独的光纤上可以挂接的传感器的数量。一般来说，因为应变改变造成的波长改变会比温度改变造成的波长改变更加明显，所以一般会为光纤布拉格光栅传感器应变传感器分配大概5纳米的工作波长范围，而光纤布拉格光栅传感器温度传感器则分配大概1纳米的工作波长范围。又因为通常的波长检测器能提供的测试范围大概为60到80纳米，所以一条光纤上挂接的传感器数量一般可以从1个到80个不等。在选择光纤布拉格光栅传感器的时候，需要仔细地选择标称波长以及工作波长范围来保证每一个传感器都有其独立的工作波长区域。一般的光纤布拉格光栅传感器会拥有几个纳米的工作波长范围，所以光传感信号检测器必须能够完成分辨率为几个皮米甚至更小的测量。

下面首先对本发明的各组成部分进行说明：

图5给出了一个带光纤尾纤的光波分复用分离器102的示意图。该光波分复用分离器102包括一个带光纤尾纤的入射端口18、一个带光纤尾纤的反射端口20、一个准直器22和一个多层介质膜滤波片24。中心波长为λb的入射光17进入入射端口18，经准直器22后，透过滤波片24输出光信号26。从输入端17输入的其他波长的光，经滤波片24反射后，经准直器22后，耦合到输出光纤20中输出。光波分复用分离器102是构成多频道光波分复用分离器的一个基本单元。

图6给出了滤波器24的透射光频谱28。该透射光频谱28的频谱宽度为Δλf，对于用于测量温度的光纤布拉格光栅传感器，Δλf约为1纳米。对于用于测量应变的光纤布拉格光栅传感器，Δλf约为5纳米。

图7给出了一个带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器示意图，该带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器为一台1x4的四频道光波分复用分离器112。该四频道光波分复用分离器112由四个单频道光波分复用分离器104、106、108和110组成的，每个频道的中心透射波长分别为λb4、λb3、λb2和λb1，每个频道的带宽可根据应用需要决定，但各个频道的频谱不相互叠加。入射光30中包含λb4、λb3、λb2和λb1四个频道，耦合进入光波分复用分离器112的入射端口32后，分离为四个准直光束34、42、48和54，光波分复用分离器104、106、108和110分别耦合到输出端口36、44、50和56并依次与下一级入射端口相连接，光波分复用分离器110的输出端口56用于***扩展。由于光波分复用分离器都有一定的透射和反射***损耗，入射光30中四个频道经分离后的光损耗从小到大依次为λb4、λb3、λb2和λb1。

图8给出了光标准具114的示意图。该光标准具114的厚度为h，长度为L，两个通光面59和60的镀有多层介质膜，反射率为R。假设入射光58以接近零度的入射角进入光标准具，光标准具114的自由光谱范围FSR用波长表示为Δλ＝λ²/(2nh)，或用频率表示为Δv＝C/(2nh)。锐度系数F(Finesse)为4R/(1-R)²，R是反射率，峰值透射波长λp为：2nh/m，m是干涉级数。因此，FSR对不同的波长，是不同的。光标准具114的透射频谱62如图9所示。通过调整FSR和峰值透射波长λp，可以使λb1、λb2、λb3、λb4分别处于透射频谱62的上升沿的中点64、66、68、70处或下降沿的中点处，这样可以将波长的变化转变为光强的变化。从图9可以看出，光标准具114的锐度系数直接影响波长检测的灵敏度和检测范围，锐度系数越高，波长检测的灵敏度就越高，检测范围越小。另一个增加波长检测的灵敏度的方法是将FSR减少一倍，如图10所示，因为标准具114的峰值透射波长λp的间隔Δλp在约100纳米范围内，近似相等，所以要求λb1、λb2、λb3和λb4的间隔也近似相同，这样可以保证每个频道有近似相同的波长检测的灵敏度和检测范围。光标准具114的长度L主要是要保证能够接收所有从光波分复用分离器112输出的光信号。

图11给出了在一根光纤上包含4个光纤布拉格光栅的分布式光纤传感器118的示意图。布拉格光栅72、74、76和78的光栅周期分别为Λ1、Λ2、Λ3和Λ4；反射光的布拉格波长分别为：λb1、λb2、λb3和λb4。布拉格光栅72、74、76和78之间的距离不需要相等。由于光纤本身的损耗，反射光的损耗从小到大依次为λb1、λb2、λb3和λb4。在远距离的光纤传感中，这种损耗的差别就比较明显。

下面对本发明的整个***构成进行说明：

如图12所示，一种可扩展的光纤布拉格光栅的分布式传感***120包括一个带光纤尾纤的宽带光源80、一个三端口带光纤尾纤的光环路器84、一个包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器118、一个带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器112、一个光标准具114、四个光传感信号检测器90、92、94和96以及信号处理***98。

宽带光源80的输出连接到光环路器84的输入端口82，光环路器84的透射输出端口86连接到光纤布拉格光栅传感器118的输入端口87，光环路器84的反射输出端口88连接到光波分复用分离器118的输入端口32，光波分复用分离器118的输出端口的输出准直光束34、42、48和54分别对应从布拉格光栅78、76、74和72的反射光。由于上面提到的原因，各个布拉格光栅的反射光经过光波分复用分离器112后，光的损耗得到一定的平衡。准直光束34、42、48和54以接近零度的入射角进入光标准具114，透过光标准具114后，由光传感信号检测器90、92、94和96分别接收光传感信号34、42、48和54，并由信号处理***98进行实时信号处理。虽然以具有四个布拉格光栅的传感***作了说明，传感***120具有扩展功能。如果增加光纤中布拉格光栅的数量，只要增加相同数量的单频道光波分复用分离器和光传感信号检测器，即可容易实现***的扩展。所增加的布拉格光栅的布拉格波长和光波分复用分离器的频谱特性只要满足前面提到的要求，只需光标准具114的长度L足够长，并能够接收所有的传感光信号，就无需增加光标准具。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：包括一个带光纤尾纤的宽带光源、一个三端口带光纤尾纤的光环路器、一个包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器、一个带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器、一个光标准具和多个光传感信号检测器和信号处理***；所述的带光纤尾纤的宽带光源的输出连接到带光纤尾纤的光环路器的输入端口，所述的带光纤尾纤的光环路器的透射输出端口连接到光纤布拉格光栅传感器，该带光纤尾纤的光环路器的反射输出端口连接到带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的输入端口，所述的带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的输出端口的输出准直光束以接近零度入射角进入光标准具，所述的光传感信号检测器设置于所光标准具后接收从光标准具透过的光传感信号并由信号处理***进行实时信号处理。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的带光纤尾纤的宽带光源的输出光谱的宽度大于10纳米。

3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的三端口带光纤尾纤的光环路器包含一个带光纤尾纤的输入端口、一个带光纤尾纤的透射输出端口和一个带光纤尾纤的反射输出端口。

4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器由多个单频道光波分复用分离器依次连接构成，每个单频道光波分复用分离器的输出端口的透射光频谱范围大于2纳米，相邻两个输出端口的透射光频谱波长间隔大致相等并大于每个输出端口的透射光频谱范围，该可扩展光波分复用分离器的第一个输出端口的中心光波长和包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的最后一个布拉格光栅的相同，该可扩展光波分复用分离器的最后一个输出端口的中心光波长和包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的第一个布拉格光栅的相同。

5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的相邻两个布拉格光栅反射光的波长间隔大于2纳米，各个布拉格光栅反射光的反射光谱的中心波长间隔接近相等，该包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的排序和可扩展光波分复用分离器的相反排序以利于平衡每个传感器信号在光传感信号检测器的强度。

6.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的光标准具能够接收所有带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的输出光，该光标准具的自由光谱范围与包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的相邻两个布拉格光栅反射光的波长间隔相同，其透射光波长的峰值大于或小于布拉格光栅反射光的中心波长，并使得布拉格光栅反射光的中心波长位于光标准具的透射光频谱曲线的上升或下降沿的中心附近；该光标准具的锐度系数使得光纤布拉格光栅传感器的反射光的波长变化范围全部处于光标准具的透射光频谱曲线的上升或下降沿上。

7.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的光传感信号检测器的光谱响应范围与光纤布拉格光栅传感器的反射光的波长变化范围相同。

8.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的信号处理***对每一个光传感信号检测器的输入信号进行实时信号处理。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的带光纤尾纤的宽带光源、所述的三端口带光纤尾纤的光环路器、所述的包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器和带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的各端口的光纤尾纤采用电弧溶接或光纤连接器连接。

10.根据权利要求1至8任一项所述的基于光纤布拉格光栅的可扩展分布式传感***，其特征在于：所述的带光纤尾纤的可扩展光波分复用分离器的单频道光波分复用分离器数量、包含多个具有不同光栅周期的光纤布拉格光栅传感器的布拉格光栅传感器数量以及光传感信号检测器数量相同。