CN107917675A - 一种基于超短fbg光谱线性区的应变传感*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，包括稳频激光器、环形器、超短光纤光栅和光电二极管；所述环形器的一端与稳频激光器的一端相连，且环形器的另一端通过超短光纤光栅；所述光电二极管用来接收经超短光纤光栅反射回来激光束经环形器后的反射光功率；所述稳频激光器为8164A可调激光光源；最大输出功率为8dBm，激光线宽小于5pm，波长稳定性小于1pm；该基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，通过稳频激光器输出激光束经超短光纤光栅边缘线性区反射回来的光功率进行解调，具有结构简单、功耗低的优点；采用超短光纤光栅作为传感元件，可避免栅区长度长，在封装过程中产生啁啾的问题，并可实现高空间分辨率测量。

Description

一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体为一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)传感技术因其采用波长编码的方式，具有抗电磁干扰，对被测量干扰小，易于埋入工程结构等优于传统电气传感器的优点，成为近年来光纤传感领域的一大研究热点。并被广泛应用于生物医学、飞行控制、结构监测、深海感知等领域。
普通均匀光纤光栅为了保证较窄的反射光谱(一般小于0.2nm)，光栅长度一般需要达到厘米量级。对于传统波长探测的解调方法来说，光纤光栅的这种窄线宽光谱特性非常重要，有助于实现高测量分辨率和测量速度。普通光纤光栅用于非均匀场的测量具有局限性，这是因为长栅区会引起光谱扭曲，从而影响测量精度。除此之外，在封装过程中，光栅过长也容易产生啁啾。
超短光纤光栅(Ultra Short FBG,超短光纤光栅)的栅区长度只有几百甚至只有几十微米。因此，超短光纤光栅可以从根本上解决上述非均匀场的测量和封装问题，更重要的是，基于超短光纤光栅的传感***在功率预算和感测能力方面也有显著的提高。超短光纤光栅的写制类似于普通的均匀光纤光栅，通过在相位掩模板之间放置可调节狭缝并且通过调整狭缝可以很容易得控制光纤光栅的长度，具有较高的成本效益和写制效率。
在实际工程应用中，多使用基于衍射光栅和线阵CCD的光纤光栅解调仪对光纤光栅波长进行解调，具有解调速度快，集成度高的独特优势。和多数解调方法一样，解调仪依赖于光纤光栅的窄线宽，并且分辨率受到衍射光栅分辨率的限制。由于栅区长度较短，超短光纤光栅的反射谱宽度可以是几或几十纳米，这种光谱特性给超短光纤光栅的解调带来了困难，从而限制了超短光纤光栅在传感领域的应用。并且随着实际应用环境多样化和复杂化，解调仪构建的解调***已无法满足应用环境对***的重量、体积、功耗的要求。因此，找到一种适用于超短光纤光栅传感***且功耗较低的解调方法，具有重要的科学研究和实际应用价值。
发明内容
本发明是为了解决传统光纤光栅因栅区较长，不适用于梯度场测量及封装过程中易产生啁啾的问题，提供了一种基于超短光纤光栅光谱线性区的传感解调***。该***结构简单，功耗低，具有较高的空间测量分辨率。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，包括稳频激光器、环形器、超短光纤光栅和光电二极管；所述环形器的一端与稳频激光器的一端相连，且环形器的另一端通过超短光纤光栅；所述光电二极管用来接收经超短光纤光栅反射回来激光束经环形器后的反射光功率。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述稳频激光器为8164A可调激光光源；最大输出功率为8dBm，激光线宽小于5pm，波长稳定性小于1pm。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述超短光纤光栅为HI1060FLEX 高掺锗光纤光栅。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述稳频激光器发出的激光束经过超短光纤光栅后的反射光功率信号可以表示为：
其中，R(λ-λB)和S(λ-λB)分别是激光的光功率函数和超短光纤光栅的反射谱函数。由于稳频激光器处于稳定的环境中，可以将其光谱函数看作是一个稳定的常量，则反射光功率函数可以表示为
从式(2)中可以看到，该传感***的功率只与超短光纤光栅的反射谱有关。当被测参量发生改变时，超短光纤光栅的中心波长随待测参量变化而发生飘移，从而使经光栅边缘反射回来的激光束光功率发生变化。因此，基于此原理可以实现对应变及温度的有效测量。
有益效果
本发明提供了一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***。具备以下
有益效果：
该基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，通过稳频激光器输出激光束经超短光纤光栅边缘线性区反射回来的光功率进行解调，具有结构简单、功耗低的优点；采用超短光纤光栅作为传感元件，可避免栅区长度长，在封装过程中产生啁啾的问题，并可实现高空间分辨率测量，实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的不同栅区长度的光栅反射谱图；
图2为本发明的不同折射率调制深度的光栅反射谱图；
图3为本发明的光纤光栅传感解调原理示意图图；
图4为本发明的光纤光栅传感解调***图；
图5为本发明的不同应变下的超短光纤光栅反射谱图；
图6为本发明的光功率与挠度关系曲线图。
图中：1-稳频激光器、2-环形器、3-超短光纤光栅、4-光电二极管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：本发明是为了解决传统光纤光栅因栅区较长，不适用于梯度场测量及封装过程中易产生啁啾的问题，提供了一种基于超短光纤光栅光谱线性区的传感解调***。该***结构简单，功耗低，具有较高的空间测量分辨率。
定义反射光谱宽度Δλ0为峰值波长两侧零点的间距，根据耦合模理论，其波长的相对值为
其中，是平均折射率变化，υ是折射率调制清晰度。λd是的中心反射波长，L是光栅长度。对于弱光栅，有
可见反射光谱带宽与光栅长度成反比；对于强光栅，有
此时，反射光谱宽度与折射率调制深度成正比。
对光栅的带宽与布拉格光纤光栅的栅区长度以及调制深度之间的关系进行仿真，得到不同栅区长度与调制深度下的光谱图。
图1是8×10-4折射率调制深度下，不同栅区长度的光栅反射谱。观察光谱图可以发现，随着长度的增加，光纤光栅边沿变得更加陡峭，反射光谱宽度逐渐变窄。图2是0.5mm栅区长度下，不同折射率调制深度的光栅反射谱。当光栅长度不变时，反射光谱宽度随折射率调制深度的增加而增加。综上所述，为了实现光纤光栅的边缘线性区域的最大化，同时兼顾反射率，可以通过减小栅区长度和提高折射率调制深度来实现；从栅区长度为0.5mm、折射率调制深度为8×10-4的光纤光栅反射谱看到，在其反射峰值两侧各有一段近似线性区域，利用该线性区可以对传感***进行线性解调。
稳频光纤激光器具备线宽窄、高稳定性、高集成度和高输出功率性能，其3dB带宽只有0.02nm左右，远小于超短光纤光栅的反射谱宽度。
一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，包括稳频激光器1、环形器2、超短光纤光栅3和光电二极管4；所述环形器2的一端与稳频激光器1 的一端相连，且环形器2的另一端通过超短光纤光栅3；所述光电二极管4用来接收经超短光纤光栅3反射回来激光束经环形器后的反射光功率。
所述稳频激光器1为稳频激光器为安捷伦8164A可调激光光源。最大输出功率为8dBm，激光线宽小于5pm，波长稳定性小于1pm。一分钟内功率稳定性波动小于1％。使用功率计代替PD来监测反射回来的光功率，功率计为 Newport公司的2936-C。
超短光纤光栅的制备采用相位掩模板下准分子激光器紫外曝光的方法。商用掩模板掩模区长度一般为10mm，因此需要在掩模板前面放置宽度可调的光阑，通过调节光阑宽度大小来实现不同栅区长度的超短光纤光栅写制。通过上述仿真可知，要保证栅区长度较短的情况下实现一定的反射率，需要尽可能提高折射率调制深度，这对光纤的光敏性提出了较高的要求。通过对多种光纤进行实验，最终采用了HI1060FLEX高掺锗光纤。为提高光敏性，刻写之前将其放入低温、高压载氢罐中进行载氢处理，时长2周。刻写完成后，退火24h。刻写过程中发现，准分子激光器的能量密度不能过高，过高的能量密度会产生大量的热，热将光纤中的氢气驱逐出光纤，降低了光纤的光敏性，从而导致折射率调制深度的降低。但能量密度也不能过低，否则将增加刻写时间，并且增加擦写的可能性。
采用镁铝合金7075-T6材质的三角形等强度梁来验证该传感***的应变传感特性。等强度梁厚2mm，中心线长度为28mm。裸光纤光栅栅区长度小于 0.5mm，中心波长为1550.84nm，3dB带宽2.5nm，光谱线性区域大于1nm。为保证激光束正好落在光纤光栅的边缘线性区域，设置激光器输出波长 1549.9nm，输出功率5dBm。光纤光栅粘贴在等强度梁上表面的中心线上，粘贴位置表面砂纸打磨后酒精擦拭干净，用胶带将两端固定。使用环氧树脂DP420将光纤光栅覆盖粘贴，并在室温下固化24小时。通过微分头对等强度梁的自由端进行加载，微分头控制的挠度范围为0～25mm；如图5所示。
裸光纤光栅表贴于等强度梁上固化完成后，在室温下，对等强度梁加载，施加应变。图4.是加载过程中不同应变下的US-FBG反射谱。
从图中看到随着挠度的增加，光谱向短波长方向漂移微分头每行进1mm，记录从US-FBG反射回的光功率。光功率随等强度梁挠度呈现良好的线性关系，如图6所示；
使用最小二乘法对实验数据进行拟合，拟合结果为：P＝1.09183x+11.45983，线性度达到0.997以上根据材料力学中的悬臂梁弯曲理论，等强度梁弯曲时其表面应变与自由端挠度的关系可以由ε＝Fh/l2表示，其中F是梁末端(施加作用力P)的挠度。经换算可得，应变灵敏度系数为1.34pm/ε和54.59nW/ε。
如图3所示；所述稳频激光器1发出的激光束经过超短光纤光栅3后的反射光功率信号可以表示为：
其中，R(λ-λB)和S(λ-λB)分别是激光的光功率函数和超短光纤光栅的反射谱函数。由于稳频激光器处于稳定的环境中，可以将其光谱函数看作是一个稳定的常量，则反射光功率函数可以表示为
从式(2)中可以看到，该传感***的功率只与超短光纤光栅的反射谱有关。当被测参量发生改变时，超短光纤光栅的中心波长随待测参量变化而发生飘移，从而使经光栅边缘反射回来的激光束光功率发生变化。因此，基于此原理可以实现对应变及温度的有效测量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，其特征在于：包括稳频激光器(1)、环形器(2)、超短光纤光栅(3)和光电二极管(4)；所述环形器(2)的一端与稳频激光器(1)的一端相连，且环形器(2)的另一端通过超短光纤光栅(3)；所述光电二极管(4)用来接收经超短光纤光栅(3)反射回来激光束经环形器后的反射光功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，其特征在于：所述稳频激光器(1)为8164A可调激光光源；最大输出功率为8dBm，激光线宽小于5pm，波长稳定性小于1pm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，其特征在于：所述超短光纤光栅(3)为HI1060FLEX高掺锗光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感***，其特征在于：所述稳频激光器(1)发出的激光束经过超短光纤光栅(3)后的反射光功率信号可以表示为：
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其中，R(λ-λB)和S(λ-λB)分别是激光的光功率函数和超短光纤光栅的反射谱函数，由于稳频激光器处于稳定的环境中，可以将其光谱函数看作是一个稳定的常量，则反射光功率函数可以表示为
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>&amp;ap;</mo> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>S</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
当被测参量发生改变时，超短光纤光栅的中心波长随待测参量变化而发生飘移，从而使经光栅边缘反射回来的激光束光功率发生变化。
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