CN102680162A

CN102680162A - 一种基于光纤光栅的大气压力计

Info

Publication number: CN102680162A
Application number: CN2012101876428A
Authority: CN
Inventors: 魏鹏; 王钊; 周亚光; 李成贵
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Shandong Shuangshi Security Information Technology Industry Research Institute Co., Ltd
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN102680162B

Abstract

本发明提供一种基于光纤光栅的大气压力计，包括：真空膜盒，光纤布拉格光栅，可调谐匹配光栅滤波器，宽带光源，光隔离器，Y型光纤耦合器，光电探测器和信号放大与处理***；其中光纤布拉格光栅由胶紧固在真空膜盒表面，本发明利用匹配光栅解调方法，解调波长漂移的信息，从而求得光纤光栅的应变大小，即真空膜盒的形变程度，最终得到大气压力值。检测的是光波长而非光功率，光波长信息不受光传输过程中光功率损耗的影响，因而检测精度更高、分辨力更大，噪声更小。本发明灵敏度高，应变分辨力强。而且光纤传感器抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力很强，使得此套***在恶劣环境中也能长期正常地使用。

Description

一种基于光纤光栅的大气压力计

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅的大气压力计，属于光纤传感技术领域。

背景技术

传感器技术是现代测量和自动化***的重要技术之一。在航空航天中，气压是一个重要的参数，气压表可以对很多其他导航仪器进行校准。传统的气压表已经不能完全满足航空航天中对于仪表的防燃防爆防电磁干扰的需要，研制一种体积小巧且抗干扰能力强的气压表成为迫切需要。

光纤光栅是20世纪90年代发展起来的新型光电子器件，经过10多年的发展，光纤光栅的制作技术日趋成熟，***应用不断拓展。由于光纤光栅的敏感变化参量为光的波长，与其他光纤传感器相比，它有许多独特的优势，例如：在一根光纤上可串接多个光栅传感器或在一根光纤上可以同时刻多个光栅，单独寻址；抗电磁干扰能力强；不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰；体积小，可以置于结构内；它的测量是绝对值，不需要校零；灵敏度高；抗潮湿、抗腐蚀能力强，可以在恶劣环境中长期使用。

光纤光栅测气压方面的专利较少，现有的中国专利CN102147311A“光纤光栅气压传感器”介绍了利用边孔光栅的空气孔使光纤光栅发生应变，从而引起反射波长变化，从而计算出周围的气压。但是其结构复杂，对光纤光栅造成横向应变，灵敏度低，并没有从工程应用上进行整体传感***的设计与软硬件的实现。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤光栅传感器引入气压测量领域，提供了一种匹配型光纤布拉格光栅大气压强传感***的方案，该***具有检测精度高、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、抗震性好的特点。

本发明的技术方案：一种基于光纤光栅的大气压力计，包括：真空膜盒，光纤布拉格光栅，可调谐匹配光栅滤波器，光电探测器，Y型光纤耦合器，光隔离器，ASE宽带光源和信号放大与处理***；其中光纤布拉格光栅由胶紧固在真空膜盒表面，所述ASE宽带光源，3dB带宽30nm；所述ASE宽带光源经过光隔离器与Y型光纤耦合器的A端口相连接；Y型光纤耦合器的B端口与可调谐匹配光栅滤波器相连，Y型光纤耦合器的C端口与光纤布拉格光栅相连接；所述ASE宽带光源输出的光通过光隔离器，从Y型光纤耦合器的A端口进C端口出，到达光纤布拉格光栅，符合其光栅中心波长的光被光纤布拉格光栅反射后，又从C端口返回Y型光纤耦合器，一半的光从端口A出射后被光隔离器阻隔，另一半的光从B端口输出，进入可调谐匹配光栅滤波器，光信号经其滤波后进入光电探测器，可调谐匹配光栅滤波器的电压和光电探测器输出的电信号同时进入信号放大与处理***进行处理求得大气压值。

其中光纤布拉格光栅通过502胶紧固在真空膜盒表面，通过光纤布拉格光栅测量真空膜盒的形变量。

所述ASE宽带光源为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。

所述Y型光纤耦合器为3dB光纤耦合器，分光比为50:50。

所述可调谐匹配光栅滤波器要与光纤布拉格光栅相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽参数要基本一致。

所述的光电探测器为半导体PIN型光电二极管电路。

本发明的原理在于：

本发明利用匹配光栅解调发法，解调波长漂移的信息，从而求得光纤光栅的应变大小，即真空膜盒的形变程度，最终得到大气压力值。检测的是光波长而非光功率，光波长信息不受光传输过程中光功率损耗的影响，因而检测精度更高、分辨力更大，噪声更小。本发明灵敏度高，应变分辨力强，而且光纤传感器抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力很强，使得此套***在恶劣环境中也能长期正常地使用，并且本发明质量轻、体积小。

本发明与传统的气压表相比优点在于：

1、光纤光栅传感器粘贴于空气膜盒表面，直接测量真空膜盒由于气压变化而产生的应变，省略了复杂的机械传动机构，从结构上提高了精度以及灵敏度。

2、由于用光纤传感器代替了金属的机械传动机构，提高了气压计的抗震性能和抗电磁干扰性能，适用于航空航天工程的复杂环境。

3、所用的可调谐光纤光栅滤波器与粘贴在膜盒上的光纤光栅传感器处于同一温度场中，由于温度产生的中心波长漂移相同，本发明可以自动实现温度补偿。

附图说明

图1是基于光纤光栅的大气压力计的原理框图；

图中，真空膜盒1，光纤布拉格光栅（FBG）2，可调谐匹配光栅滤波器3，ASE宽带光源7，光隔离器6，Y型光纤耦合器5，光电探测器4，信号放大与处理***8。

具体实施方式

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1所示，本发明包括：真空膜盒1，光纤布拉格光栅（FBG）2，可调谐匹配光栅滤波器3，ASE宽带光源7，光隔离器6，Y型光纤耦合器5，光电探测器4，信号放大与处理***8；其中FBG 2由胶紧固在真空膜盒1表面。所述ASE宽带光源7，3dB带宽30nm；ASE宽带光源7经过光隔离器6与Y型光纤耦合器5的A端口相连接；Y型光纤耦合器5的B端口与可调谐光纤光栅3相连，Y型光纤耦合器5的C端口与FBG传感器相连接；ASE宽带光源7输出的光通过光隔离器6，从Y型光纤耦合器5的A端口进C端口出，到达FBG2，符合光栅中心波长的光被FBG 2反射后，又从C端口返回Y型光纤耦合器5，一半的光从端口A出射后被光隔离器6阻隔，另一半的光从B端口输出，进入可调谐匹配光栅滤波器3，光信号经其滤波后进入光电探测器4，可调谐匹配光栅滤波器3的电压和光电探测器4输出的电信号同时进入信号处理模块进行处理。

所述宽带光源7为ASE（放大自发辐射）宽带光源。宽带光源是以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的光源，它的激励源完全来自于受激原子的自发辐射，虽然光纤放大器中没有谐振腔镜，这些自发辐射不能形成激光束，但是，如果发生在光纤中的自发辐射能沿光纤传导，自发辐射就能被放大，就产生一种背景噪声，成为放大自发辐射，从而形成ASE光源。它有着易于和光栅传感***耦合、温度稳定性好、3dB谱宽宽、模式好等一系列优点。本发明所用的宽带光源1在光谱范围内平坦性好，3dB带宽为30nm。

所述Y性光纤耦合器5为3dB光纤耦合器，即分光比为50:50。光通过隔离器6进入Y型光纤耦合器5后全部从C端口输出而不进入B端口。而由光纤光栅传感器2返回的光信号进入C端口，被均匀等功率地分为两束。一束通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器3，另一束被隔离器阻挡6。所述可调谐光纤布拉格光栅滤波器3，要与传感光纤布拉格光栅2相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽等参数应基本一致。这样，只要调谐光纤光栅滤波器3的中心波长使其与光纤光栅传感器2的中心波长一致，就可以在光电探测器的输入端检测到最小光信号。

光电探测电路将光信号转化为电信号，是整个***性能高低的关键之一。本实施例所述的传感***，光信号从宽带光源7经过一系列光纤通路、器件、接口后，光功率损耗比较大，入射到光电探测器4的光功率通常很低；本实施例又要求高频高精度的光电转化。本实施例中用半导体InGaAs PIN光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点。

信号放大与处理***8，将光电转化后的模拟电信号转化为数字电信号，数字化的电信号进入主处理器进行运算分析处理。主处理器一般由CPLD、FPGA或DSP以及存储器等电子器件和写入的软件程序组成。信号放大与处理***8的上述功能是本领域的技术人员容易根据实际需要实现的，可利用如下的关系进行分析处理：

光纤光栅反射中心波长与温度和应变的关系为：Δλ/λ_B＝(α_f+ζ)ΔT+(1-P_e)Δε，对于这种温度自补偿的光纤光栅匹配解调装置而言，光纤光栅传感器的中心波长改变只与其应变量有关，公式可简化为：Δλ＝kΔε，k为1.2pm/με。

大气压强的改变会引起真空膜盒的形变，真空膜盒1的形变直接使粘贴在上面的传感光纤光栅2产生应变。从上面的公式可以看出，光纤光栅应变量与中心波长的变化量可以看作简单的线性关系。利用传感器处真空膜盒的变形量与大气压强之间的函数关系即可求得大气压值。

本发明采用透射式光纤光栅滤波器法进行解调。可调谐匹配光栅滤波器3是一个可调谐的光纤参考光栅，它固定在压电陶瓷（PZT）上，压电陶瓷由线性电压驱动，从而可以对参考光纤布拉格光栅3的谐振波长进行调谐，其波长的变化范围能够覆盖光纤布拉格光栅（FBG）2的波长变化区间。可调谐匹配光栅滤波器3的电压与波长关系通过标定后有确定的关系。在透射式结构中，当可调谐匹配光栅滤波器3的反射波长和光纤布拉格光栅2的反射波长匹配时，光电探测器探测到的光强出现最小值，从而可以测量出光纤布拉格光栅2的反射波长，进而计算出光纤布拉格光栅2发生的应变变化。

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。

Claims

1.一种基于光纤光栅的大气压力计，其特征在于包括：真空膜盒（1），光纤布拉格光栅（2），可调谐匹配光栅滤波器（3），光电探测器（4），Y型光纤耦合器（5），光隔离器（6），ASE宽带光源（7）和信号放大与处理***（8）；其中光纤布拉格光栅（2）由胶紧固在真空膜盒表面，所述ASE宽带光源（7），3dB带宽30nm；所述ASE宽带光源（7）经过光隔离器（6）与Y型光纤耦合器（5）的A端口相连接；Y型光纤耦合器（5）的B端口与可调谐匹配光栅滤波器（3）相连，Y型光纤耦合器（5）的C端口与光纤布拉格光栅（2）相连接；所述ASE宽带光源（7）输出的光通过光隔离器（6），从Y型光纤耦合器（5）的A端口进C端口出，到达光纤布拉格光栅（2），符合其光栅中心波长的光被光纤布拉格光栅（2）反射后，又从C端口返回Y型光纤耦合器（5），一半的光从端口A出射后被光隔离器（6）阻隔，另一半的光从B端口输出，进入可调谐匹配光栅滤波器（3），光信号经其滤波后进入光电探测器（4），可调谐匹配光栅滤波器（3）的电压和光电探测器（4）输出的电信号同时进入信号放大与处理***（8）进行处理求得大气压值。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的大气压力计，其特征在于：其中光纤布拉格光栅（2）通过502胶紧固在真空膜盒（1）表面，通过光纤布拉格光栅（2）测量真空膜盒（1）的形变量。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的大气压力计，其特征是：所述ASE宽带光源（7）为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的大气压力计，其特征是：所述Y型光纤耦合器（5）为3dB光纤耦合器，分光比为50:50。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的大气压力计，其特征是：所述可调谐匹配光栅滤波器（3）要与光纤布拉格光栅（2）相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽参数要基本一致。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的大气压力计，其特征是：所述的光电探测器（4）为半导体PIN型光电二极管电路。