[发明专利]基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法

说明书

（一）技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体为一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法。

（二）背景技术

光纤光栅成熟的制作方法极大地推动了光纤光栅应用技术的发展，使得光纤光栅成为最有发展前途的无源器件之一。其典型的应用是光纤光栅传感器，具有电绝缘性良好，抗电磁干扰（EMI）和抗射频干扰（RFI）能力强，化学性能稳定、耐腐蚀，体积小、重量轻，传输损耗小、容量大，结构形式灵活、灵敏度高等特性，故其构成的应力、应变、温度及振动等多参量检测的光纤光栅传感网络有突出的优势，正逐渐取代传统传感器而成为传感器家族的主力军。

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，缩写为FBG）是利用光纤材料的光敏特性，以一定的写入技术在裸光纤的一段范围内写入具有周期性折射率的芯内体光栅,其实质作用是在纤芯内形成以共振波长为中心的窄带光学滤波器，宽带光源或可调谐光源输出光经过光栅时,光谱中以光栅的Bragg波长为中心的窄带光谱在光栅处被反射而被解调，其他大部分光将发生透射而沿原来方向传输。光纤光栅纤芯在外界温度、应力等物理量的作用下，折射率将发生改变，从而引起光栅反射光中心波长漂移。此特性即为光纤布拉格光栅传感器的工作原理，通过检测反射光波长的变化即可得出光纤光栅传感器所处环境待测物理量的变化。

目前，光纤传感器测量系统光源采用宽带激光光源或者连续可调谐激光光源。采用宽带激光光源的光纤传感器测量系统最大缺点是光源输出的光功率密度低，有效功率仅为其输出总功率的千分之一以下，因而，该系统的光纤传感器只能在近距离范围内使用，且测量点数较少。顺应光纤传感器测量系统向着波分复用和光纤传感网的方向发展趋势，光纤传感器测量系统采用可调谐激光光源，提高了功率和分辨率。但目前可调谐激光光源主要采用连续扫描方式，只有对应光纤传感器设定波长（或者频率）的部分功率得到应用，因此激光功率利用不充分，测量速度受限，其分辨率也有待提高。

（二）发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，在可调谐激光光源的光纤传感器测量系统中采用波分复用方法，提高了测量速度和分辨率。

本发明设计了基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法，本方法所用的基于布拉格光纤光栅传感器测量系统包括可调谐激光光源、分光器、上位机、光功率计和n个光纤光栅传感器。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG）。上位机连接控制可调谐激光光源和光功率计，可调谐激光光源连接一个3dB耦合器，激光从3dB耦合器的一个分光端口输入、到达其合路端口串接的n个光纤光栅传感器，n为1～120的整数。3dB耦合器的另一分光端口接至光功率计，用以捕获该3dB耦合器合路端串联的n个光纤光栅传感器的反射光功率，并且功率计的同步触发输入口连接可调谐激光光源的同步触发输出口，使功率计采集数据与光源波长变化同步。

每个光纤光栅传感器有一定的波长响应范围，其反射光谱在此范围内出现功率反射波峰，功率的峰值P_max对应的波长称为中心波长λ_C，也即为该光纤光栅传感器波长，功率峰值所处的波峰为主模。同时，定义与主模相邻的最高边模的波峰功率为主模底部功率P_min，主模波峰两侧谱线的功率P_min处所对应的波长之差为该光纤光栅传感器反射光谱的带宽λ_BW。

当光纤光栅传感器周围外界环境的温度、应力等物理量发生变化时，将会使纤芯光栅的有效折射率或周期随之变化，故反射光谱在一定的范围内偏移，传感器中心波长改变，通过检测各光纤光栅传感器反射光谱的变化，即可从中解调得到外界特定物理量的变化。串联的n个光纤光栅传感器的工作波长范围无交叉重叠，即它们的反射光谱偏移范围均不相同。根据外界测试条件，划定n个光纤光栅传感器的工作波长范围，且各光纤光栅传感器的工作波长范围均属于本系统使用的可调谐激光光源所覆盖的波长范围内。

当n个光纤光栅传感器的反射光谱的带宽λ_BW相等，同时其测量物理量的动态范围也相等，即反射光谱偏移量Δλ相等，在保证各传感器反射光谱波形完整性的基础上，光纤光栅传感器的数量n满足：

n<(λ_ALL-λ_BW)/Δλ