[发明专利]多物理量光纤传感系统、其反馈回路控制以及其检测方法

权利要求书

1.一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述装置包括可调谐激光器(1)、耦合器(2)、第一环形器(3)、相移光纤光栅(4)、平衡光电探测器(5)、第二环形器(6)、光纤布拉格光栅(7)、光电探测器(8)和数据采集模块(9)、滤波器(10)、PID控制器(11)、执行电路(12)；

其中，所述可调谐激光器(1)经耦合器(2)分成第一光路和第二光路；

第一环形器(3)、相移光纤光栅(4)、平衡光电探测器(5)共同构成第一光路；第二环形器(6)、光纤布拉格光栅(7)、光电探测器(8)共同构成第二光路；第一光路、第二光路的输出端连接到数据采集模块(9)上，数据采集模块(9)、滤波器(10)、PID控制器(11)、执行电路(12)、可调谐激光器(1)构成反馈回路。

2.如权利要求1所述的一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述可调谐激光器(1)的输出端与耦合器(2)的入射端连接，耦合器(2)的第一个出射端与第一环形器(3)的入射端连接，第一环形器(3)的反射端与相移光纤光栅(4)的入射端连接，相移光纤光栅(4)的出射端与平衡光电探测器(5)的第一入射端连接；第一环形器(3)的出射端与平衡光电探测器(5)的第二入射端连接，平衡光电探测器(5)的出射端与数据采集模块(9)的入射端连接。

3.如权利要求1所述的一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述耦合器(2)的第二个出射端与第二环形器(6)的入射端连接，第二环形器(6)的反射端与光纤布拉格光栅(7)的入射端连接；第二环形器(6)的出射端与光电探测器(8)的入射端连接，光电探测器(8)的出射端与数据采集模块(9)的入射端连接。

4.如权利要求1所述的一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述数据采集模块(9)的输出端与滤波器(10)的输入端连接，滤波器(10)的低频信号输出端与PID控制器(11)的输入端连接，PID控制器(11)的输出端与执行电路(12)的输入端连接，执行电路(12)的输出端与可调谐激光器(1)的输入端连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述相移光纤光栅反射信号与透射信号均通过光栅增敏装置，并被平衡光电探测器接收。

6.如权利要求5所述的一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述相移光栅增敏装置采用桥式共振结构，其两端通过粘合剂并有间隙的粘结在待测试件表面。

7.如权利要求5所述的光一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，当超声波信号通过桥式共振结构后，通过公式求得共振频率，所述公式为其中l为相移光栅到达胶两端的长度，c_f为超声波在光纤中传播的群速度，f_n为共振频率。

8.如权利要求6所述的一种多物理量光纤传感系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅整体粘贴在待测试件表面上。

9.如权利要求1所述的系统反馈回路控制方法，其特征在于，所述控制方法如下：

激光器的波长的调节使其位于相移光栅光谱陡峭斜坡处，此时通过数据采集模块采集各个频带的数据，滤波器将数据采集模块采集到的各个频带的信号分离成高频和低频信号；低频信号作为反馈信号提供给PID控制器，PID控制器输出控制信号进入执行电路，执行电路控制可调谐激光器的波长使光的波长位于相移光栅光谱的陡峭斜坡处，让整个相移光栅传感系统重新处于平衡位置。

10.多物理量光纤传感检测方法，其特征在于，所述检测方法如下：

通过光电检测器将高频超声信号记录为电压振动信号，光纤布拉格光栅接收全频带的超声信号，桥式结构的相移光栅接收并放大特定的共振频率的超声；当低频信号应变与温度传入相移光栅与光纤光栅后，仅检测温度信号，光纤布拉格光栅检测应变及温度信号；随着外界温度的变化，通过反馈回路调节激光器波长使相移光栅传感系统重新到达平衡位置，通过以下公式实现对超声波、温度及应变的同时测量：

其中，△λ_PS-FBG为相移光栅的波长变化量，λ_PS-FBG为相移光栅的中心波长，△λ_FBG为光纤布拉格光栅的波长变化量，△λ_laser为激光器调节引起的波长偏移量，λ_FBG为光纤光栅的中心波长，C_T1为相移光栅的温度系数，C_T2为光纤光栅的温度系数，C_ε为光纤光栅的应变系数，△T为温度变化量，△ε为应变变化量。