[发明专利]基于超磁致伸缩和啁啾光纤叠栅解调的测重仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感系统，适用于1g～90g物体重量的检测。

背景技术

近年来，光纤传感器在许多领域都有着广泛的应用。尤其是光纤光栅传感技术克服了分布式光纤传感技术受强度干扰的缺点；并且易于制作、造价低廉、重复性好；灵敏度高、测量范围宽、结构简单等。 这些优势使得光纤光栅传感技术广泛应用于地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学和化学传感中。

光纤光栅传感系统的传感量主要以波长的微小位移为载体，所以传感系统中应有精密的波长检测装置。光纤光栅的温度和应变灵敏度很小，为了达到1 ⁰C和10 με的测量精度，中心反射波长位移量的测量精度应高于0.01 nm。因此，中心波长偏移量的解调精度直接限制了整个系统的检测精度，解调系统的设计就成为光纤光栅传感系统的关键技术之一。

传统的光谱仪、单色仪等解调设备实时性强，操作方便，易于观察，但仪器昂贵，精度不高，携带不便。为了开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解调系统，国内外开展了许多研究工作，提出了多种解调方法：CCD分光计法、可调谐光纤法布里-珀罗滤波器检测法、非平衡马赫-曾德尔干涉仪检测法、可调光源检测法、匹配光栅检测法等。CCD分光计法利用衍射光栅等分光元件，将传感光栅的反射谱（或透射谱）经透镜准直后在空间展开，再投射到CCD阵列上，实质是将波长的检测转换成对应位置光强的测量。该方法光能利用率高，响应速度快，抗干扰能力强。不足之处在于影响波长分辨力的因素较多，如曲面光栅的光谱分辨力、CCD的空间分辨力等。可调谐光纤法布里-珀罗滤波器检测法通过压电陶瓷的驱动，周期性的改变法布里-珀罗腔的腔长，继而使可导通的窄频带不断移动，当其移动到与某个传感光栅反射光谱恰好重合时，被导通的光功率到达最大值，经光电探测器接收并转换成电信号，再由示波器对进行放大后的电信号进行显示。由于F-P腔调谐范围很宽，精度较高，适合在实用系统中采用。但由于光路中含有非光纤元件，因而滤波损耗较大，并且重复性较差，而且高精度的F-P腔成本太高。非平衡马赫-曾德尔干涉仪法是一种参量转化解调法，该方法利用传感光纤中传输光相位的变化量来进行检测，具有高带宽、高解析度。但是在检测过程中由于随机相位的影响，这种方法只能用来测量动态应变，不适合检测静态应变，并且测量范围有限。可调光源检测法采用经过标定的可调窄线宽激光光源来查询传感光栅阵列，当波长恰好为光纤光栅中心波长时，照射到传感光栅上的光就会被相应光栅强烈反射，反射信号经信号处理后，就可以得到光纤光栅反射率与波长的对应关系。这种方法可以获得较高的信噪比和系统分辨率，检测方便。但是目前DBR光纤激光器的稳定性不够理想，降低了系统的检测精度。

以上几类解调方法存在的共性问题是成本昂贵、结构复杂。匹配光栅法可以有效解决这一问题。匹配光栅法采用一个可调谐光纤光栅作为窄带滤波器构建解调系统，所用可调谐光纤光栅又称为匹配光纤光栅。匹配光栅法见于【潘子军，赵建林，李恩普，周王民，姜碧强，吕全超，成振龙. 压电陶瓷驱动的动态匹配光栅滤波解调法优化[J].光子学报.2010,39(2):243-246.】。除了作为传感元件的光纤光栅外，还要使用一相同的光纤光栅作为参考光栅用于解调。参考光栅在压电陶瓷的作用下，其反射波长将在一定范围内来回移动，光谱移动范围涵盖可传感光栅的反射谱，传感光栅和解调光栅的波峰重合时，光信号强烈反射，此时驱动信号对应着传感光栅的反射波长，根据压电陶瓷的电压-波长调谐关系，通过测量驱动元件的驱动信号即可获得作用于传感光栅的物理量。此方法要求传感光栅与匹配光栅反射谱特性非常接近，因此对光栅的制作要求很高，另外受压电陶瓷可调范围和响应速度的限制，传感光栅测量的物理量范围较小，频率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于超磁致伸缩和啁啾光纤叠栅解调的测重仪，克服传统的光纤解调系统结构复杂、成本高的问题，克服了匹配光栅法解调精度低，因受制于压电陶瓷可调范围和响应速度而导致传感量的测量范围较小，频率较低。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于超磁致伸缩和啁啾叠栅解调的测重仪，该装置包括：宽带光源、第一耦合器、第二耦合器、传感头、信号处理系统。

宽带光源与第一耦合器的第一端口连接，第一耦合器的第二端口与传感头连接，第一耦合器的第三端口与第二耦合器第一端口连接，第二耦合器第二端口与解调系统连接；第二耦合器的第三端口与信号处理系统连接。