[发明专利]一种基于超短FBG光谱线性区的应变传感系统

说明书

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系统。

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系统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，解调仪构建的解调系统已无法满足应用环境对系统的重量、体积、功耗的要求。因此，找到一种适用于超短光纤光栅传感系统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系统。该系统结构简单，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系统，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-λ_B)和S(λ-λ_B)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，该传感系统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系统。具备以下

有益效果：

该基于超短FBG光谱线性区的应变传感系统，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系统图；

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。