[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

说明书

本发明公开了一种多物理量光纤传感系统、其反馈回路控制以及其检测方法，传感系统包括光栅传感光路单元、信号处理单元、反馈回路以及相移光纤光栅增敏结构。该传感系统实现解调精度高，可同时测量超声、应变和温度的目的；该系统的反馈回路包括数据采集模块、滤波器，比例‑积分‑微分控制器(PID)，执行电路，以实现激光器波长对外界干扰变化的实时跟随，使相移光栅传感系统处于平衡位置。本发明解决了现有光纤布拉格光栅传感系统对超声波等高频信号不敏感的问题，解决了普通光纤光栅系统无法同时检测温度与应变的问题，并且提高了现有相移光纤光栅超声检测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种信号增敏装置及光纤多物理量检测系统。

背景技术

光纤布拉格光栅作为一种光纤传感器件，由于其体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等独特优点，可替代普通电学应变片，在结构健康监测等领域具有广泛应用前景。光纤光栅的测量原理是当它感受到温度、应变、振动等物理量影响时，会引起光纤有效折射率和光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅中心波长发生变化。目前在航空航天、土木工程和医学等领域已得到广泛应用。

传统光纤光栅解调设备带宽仅为2KHz，精度为2pm(约20με)。而随着对高精度传感器的需求的日益增加，受制于较长的光栅长度以及较缓的光谱谐波，现有带宽普遍低于500KHz,精度远低于压电材料传感器。相移光纤光栅作为一种非均匀周期的光栅，具有窄带透射峰及高斜率的斜边的性能，使其拥有高灵敏度传感特性，现成功用于裂纹、冲击等各类损伤的超声检测。该相移光纤光栅是在均匀折射率的光纤布拉格光栅中，在某一特定位置上引入π的相位偏移，由此可以将相移光栅看作由同一根光纤上的相位不同的两个子光栅构成，这两个子光栅类似Fabry-Perot谐振腔,允许谐振波长的光进入光栅阻带，在阻带中打开一个线宽极窄的投射窗口。该带宽远小于传统光栅的反射带宽，且具有陡峭的光谱斜边，其中心波长对应变，温度等外界影响非常敏感，因此适用于高精度传感领域。

另一方面，传统的光纤光栅传感系统对温度与应变同时敏感，即均能引起光栅中心波长的变化，使得无法仅仅通过光栅波长中心波长的变化区分温度与应变的影响，存在交叉敏感的问题，而且目前能同时区分并测量温度、应变及超声波的检测方法灵敏度低、没有足够的带宽以及解调系统复杂的问题，如能同时测量多个物理量，可以为后续的建筑物健康诊断提供更为全方位的信息。比如，用温度对超声探伤中的基准进行校正以及超声损伤定位、定量的分析校准。鉴于此，本发明提出一种能同时测量超声波、温度以及应变的光纤传感系统设计方法。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种双通道光纤光栅检测系统及检测方法，该系统及方法可以同时针对宽带超声波、窄带共振超声波、应变及温度实现高精度测量，并且提高检测材料损伤的灵敏度。

为了实现上述效果，本发明提供的一种信号接收装置，包括可调谐激光器、耦合器、第一环形器、相移光纤光栅、平衡光电探测器、光纤布拉格栅、第二环形器、光电探测器和数据采集模块。

其中，第一环形器、相移光纤光栅和平衡光电探测器共同构成第一光路；第二环形器、光纤布拉格光栅和光电探测器共同构成第二光路；可调谐激光器、数据采集模块、滤波器、PID控制器和执行电路构成反馈回路。

所述可调谐激光器的输出端与1×2耦合器的入射端连接；1×2耦合器的第一个出射端与第一环形器的入射端连接；第一环形器的反射端与相移光纤光栅的入射端连接；相移光纤光栅的出射端与平衡光电探测器的第一入射端连接；第一环形器的出射端与平衡光电探测器的第二入射端连接；平衡光电探测器的出射端与数据采集模块的入射端连接；

1×2耦合器的第二个出射端与第二环形器的入射端连接；第二环形器的反射端与光纤布拉格光栅的入射端连接；第二环形器的出射端与光电探测器的入射端连接；光电探测器的出射端与数据采集模块的入射端连接；