專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖布喇格光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖布喇格光柵(FBG)。
本發(fā)明具體涉及提高FBG傳感器的測(cè)量精度。FBG傳感器是過(guò)去至少10年間迅猛發(fā)展的一個(gè)主題。在FBG傳感器的制造、詢(xún)問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)化(多路復(fù)用)方面已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。許多詢(xún)問(wèn)方案已經(jīng)證明了優(yōu)于1pm的波長(zhǎng)探測(cè)分辨率。FBG傳感器的幾十至幾百、或更多的多路化已經(jīng)利用波分復(fù)用(WDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)或它們的組合得以實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的FBG傳感器系統(tǒng)，另一個(gè)重要問(wèn)題是要提高傳感器陣列中每一個(gè)傳感器的總測(cè)量精度。FBG傳感器陣列可以被例如寬帶源和法布里—珀羅可調(diào)諧濾光器詢(xún)問(wèn)。盡管已經(jīng)用這種方法獲得了優(yōu)于1pm的波長(zhǎng)探測(cè)分辨率，但是，由調(diào)諧裝置的壓電效應(yīng)引起的濾光器的不可重復(fù)性和波長(zhǎng)響應(yīng)的非線(xiàn)性、以及濾光器和其它部件的熱系數(shù)的漂移和不穩(wěn)定性可以產(chǎn)生幾個(gè)納米的總測(cè)量不準(zhǔn)確度。使用可調(diào)諧激光器的詢(xún)問(wèn)方案具有類(lèi)似的問(wèn)題。可以通過(guò)在具有相似的中心波長(zhǎng)的檢測(cè)FBG和基準(zhǔn)FBG之間進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量來(lái)將上述問(wèn)題的一部分減至最小。更完善的方法是使用基于固定的法布里—珀羅干涉儀與基準(zhǔn)FBG的組合的多波長(zhǎng)基準(zhǔn)系統(tǒng)。采用后一種方法，用波分復(fù)用(WDM)的FBG傳感器陣列，已經(jīng)獲得了±5με(～±6pm)總測(cè)量精度。然而為了達(dá)到好的波長(zhǎng)測(cè)量精度，上述兩種方法要求基準(zhǔn)光柵和法布里-珀羅可調(diào)諧濾光器有精確的波長(zhǎng)控制。
本發(fā)明的目的在于克服或至少是減小這些問(wèn)題。
按照本發(fā)明提供了一種把氣體吸收譜線(xiàn)用作動(dòng)態(tài)多波長(zhǎng)基準(zhǔn)以校準(zhǔn)激光源的瞬時(shí)波長(zhǎng)的光纖布喇格光柵傳感器。
所述光纖布喇格傳感器可包括將來(lái)自激光器的光分為兩束的光纖定向耦合器；讓所述光線(xiàn)的一部分通過(guò)的氣體單元；用于監(jiān)控通過(guò)所述氣體單元的光線(xiàn)以便確定氣體吸收譜線(xiàn)(并因此確定光的波長(zhǎng))的第一光探測(cè)器；用于監(jiān)控從布喇格光柵反射回來(lái)的另一部分光線(xiàn)并確定波長(zhǎng)的第二光探測(cè)器；和用于同時(shí)接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)光探測(cè)器的信號(hào)的計(jì)算機(jī)。
可以使用乙炔氣體吸收譜線(xiàn)、氰化氫氣體吸收譜線(xiàn)、碘化氫氣體吸收譜線(xiàn)、氨氣吸收譜線(xiàn)。也可以使用在可調(diào)諧光源的光譜范圍內(nèi)有吸收譜線(xiàn)的其它合適氣體的組合。
現(xiàn)在以參照附圖舉例的方式描述按照本發(fā)明的FBG傳感器陣列，其中

圖1是傳感器的示意圖；圖2(a)和2(b)分別示出來(lái)自光探測(cè)器PD1和PD2的三次連續(xù)掃描的信號(hào)的三種光譜。
圖3是波長(zhǎng)與可調(diào)諧光源的調(diào)諧步長(zhǎng)的關(guān)系。
參照附圖，在圖1中，使用一個(gè)新焦點(diǎn)(型號(hào)6262)外腔可調(diào)諧二極管激光器10作為光源?？梢圆捎闷渌目烧{(diào)諧光源如光纖激光器、外腔激光器或耦合到可調(diào)諧濾光器組合的寬帶光源。來(lái)自可調(diào)諧激光器的光被50/50類(lèi)型的光纖定向耦合器(DC)11分為兩束。一半光被導(dǎo)向一個(gè)3-FBG傳感器陣列12，同時(shí)另一半光被導(dǎo)向充有高濃度(～70％體積)乙炔的氣體單元13。三個(gè)FBG分別具有標(biāo)稱(chēng)布喇格波長(zhǎng)1529、1530和1531納米。在1515到1540納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)乙炔氣體有大約40條間隔近似相等的吸收譜線(xiàn)。從三個(gè)FBG反射的光通過(guò)耦合器11由新焦點(diǎn)(型號(hào)1611)光探測(cè)器PD2探測(cè)，而來(lái)自氣體單元的光由另一個(gè)同類(lèi)型的光探測(cè)器PD1探測(cè)。來(lái)自?xún)蓚€(gè)光探測(cè)器的信號(hào)供個(gè)人計(jì)算機(jī)PC用作數(shù)據(jù)記錄和信號(hào)處理。
當(dāng)以?xún)x器限制的步長(zhǎng)10pm從1528nm到1532nm對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行400個(gè)步長(zhǎng)的掃描時(shí)，來(lái)自?xún)蓚€(gè)光探測(cè)器的信號(hào)被同時(shí)記錄。該波長(zhǎng)范圍覆蓋了三個(gè)光柵的布喇格波長(zhǎng)和六條乙炔吸收譜線(xiàn)范圍。
圖2顯示關(guān)于以三分鐘的時(shí)間間隔作三次連續(xù)掃描的吸收和反射信號(hào)。圖2中所示的信號(hào)是來(lái)自光探測(cè)器的用意在使不希望有的干涉信號(hào)降至最小的數(shù)字式低通濾光器平滑后的信號(hào)形式?？梢钥闯鲆?yàn)榭烧{(diào)諧激光器的不可重復(fù)性問(wèn)題，相同吸收譜線(xiàn)的激光波長(zhǎng)讀數(shù)(關(guān)于調(diào)諧步數(shù))在各次掃描中各不相同。波長(zhǎng)偏離可以達(dá)到25個(gè)步長(zhǎng)或250pm。如果將激光讀數(shù)直接作為對(duì)布喇格波長(zhǎng)的度量，則測(cè)量誤差可能對(duì)絕大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)都太大而不能接受。然而，當(dāng)記錄在圖2(a)中的吸收譜線(xiàn)和圖2(b)中的反射光譜向同方向漂移大約相同數(shù)量時(shí)，可利用氣體吸收譜線(xiàn)作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償由激光的不可重復(fù)性引起的誤差。吸收譜線(xiàn)的中心波長(zhǎng)事實(shí)上與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)(例如，對(duì)乙炔的1531.59吸收譜線(xiàn)＜100KHz/℃)。這樣，可利用氣體吸收譜線(xiàn)作為絕對(duì)波長(zhǎng)基準(zhǔn)而精確地確定FBG的布喇格波長(zhǎng)。
圖3顯示激光器的波長(zhǎng)與調(diào)諧步數(shù)的關(guān)系。激光波長(zhǎng)由在調(diào)諧范圍內(nèi)的六條氣體吸收譜線(xiàn)(圖中的菱形)校正。這種線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合用于小的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。圖3中所示的線(xiàn)性關(guān)系在各次掃描中水平地向左或右漂移多達(dá)25個(gè)步長(zhǎng)或250pm。然而盡管可調(diào)諧激光器有不可重復(fù)性，三個(gè)FBG的布喇格波長(zhǎng)仍被精確地確定。三個(gè)FBG的布喇格波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏移分別是2.1pm，1.9pm和2pm。如果進(jìn)行直接測(cè)量(不使用波長(zhǎng)基準(zhǔn))是不可能達(dá)到這個(gè)結(jié)果的。對(duì)于較寬的調(diào)諧范圍，激光器調(diào)諧的非線(xiàn)性可能會(huì)大，因此為了保持測(cè)量精度可能需要較高次的而不是線(xiàn)性的曲線(xiàn)擬合。
本發(fā)明的實(shí)施例包括使用圖1所示FBG傳感器的高精度應(yīng)變(溫度)測(cè)量系統(tǒng)，其中使用氣體吸收譜線(xiàn)作為多波長(zhǎng)基準(zhǔn)。
所述FBG光學(xué)系統(tǒng)可以串聯(lián)(如圖1所示)、或并聯(lián)或串/并聯(lián)組合(沒(méi)有示出)連接?？捎眠x定的高濃度氣體如乙炔或氰化氫氣體填充密封的氣體單元。也可使用氰化氫、碘化氫和氨氣、或這些氣體的組合或其它在可調(diào)諧光源的光譜內(nèi)有吸收譜線(xiàn)的氣體。
所述FBG具有不同的標(biāo)稱(chēng)布喇格波長(zhǎng)λ1λ2λ3...λN，并在整個(gè)操作范圍內(nèi)彼此互不重疊。該條件允許使用波分復(fù)用(WDM)。在波長(zhǎng)范圍λ1至λN內(nèi)，所述氣體或氣體混合物有許多密集的吸收譜線(xiàn)。來(lái)自?xún)蓚€(gè)光探測(cè)器PD1和PD2的信號(hào)被連接到用于數(shù)據(jù)記錄和信號(hào)處理的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC。當(dāng)掃描激光波長(zhǎng)時(shí)來(lái)自?xún)蓚€(gè)光探測(cè)器的信號(hào)被同時(shí)記錄。
在每次掃描中，有對(duì)應(yīng)于與不同F(xiàn)BG的布喇格波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)的激光波長(zhǎng)的N個(gè)PD2的輸出峰值。于是通過(guò)記錄對(duì)應(yīng)于這些峰值的激光波長(zhǎng)可以得到所述各FBG的布喇格波長(zhǎng)。加到特定FBG上的應(yīng)變從該FBG的布喇格波長(zhǎng)的變化中推斷出。
實(shí)際上因?yàn)榭烧{(diào)諧激光器的不可重復(fù)性問(wèn)題，相同布喇格波長(zhǎng)或吸收譜線(xiàn)的激光波長(zhǎng)讀數(shù)隨各次掃描而變化。然而，當(dāng)同時(shí)記錄各次掃描的吸收譜線(xiàn)和反射光譜時(shí)，由激光器的不可重復(fù)性引起的誤差通過(guò)將激光器的波長(zhǎng)與氣體吸收譜線(xiàn)比較而得到補(bǔ)償。由于在一個(gè)掃描范圍內(nèi)有許多吸收譜線(xiàn)，并且精確地知道這些吸收譜線(xiàn)的中心波長(zhǎng)，因而可以通過(guò)非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合將可調(diào)諧光源的非線(xiàn)性問(wèn)題降至最小。
由于吸收譜線(xiàn)的中心波長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)，所以，利用氣體吸收譜線(xiàn)作為絕對(duì)波長(zhǎng)基準(zhǔn)可以極為精確地確定所述FBG的布喇格波長(zhǎng)。
本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用包括對(duì)土木結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和航天構(gòu)件的應(yīng)變/溫度的測(cè)量，包括對(duì)土木結(jié)構(gòu)諸如隧道、橋梁、高速公路和建筑物的監(jiān)視?？梢员O(jiān)示航天構(gòu)件諸如航天飛機(jī)和飛機(jī)、復(fù)合材料在凝固過(guò)程中的動(dòng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)控、復(fù)合材料測(cè)試、醫(yī)療應(yīng)用中的超聲檢測(cè)、以及蒸氣管道和力傳輸線(xiàn)都可以被監(jiān)控。
權(quán)利要求1.一種光纖布拉格光柵傳感器，它包括可調(diào)諧激光器；光纖定向耦合器；第一光探測(cè)器；第二光探測(cè)器；以及計(jì)算機(jī)，其特征在于包括氣體單元。
2.按照權(quán)利要求1的光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于使用乙炔氣體吸收譜線(xiàn)。
3.按照權(quán)利要求1的光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于使用氰化氫氣體吸收譜線(xiàn)。
4.按照權(quán)利要求1的光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于使用碘化氫氣體吸收譜線(xiàn)。
5.按照權(quán)利要求1的光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于使用氨氣吸收譜線(xiàn)。
專(zhuān)利摘要一種高精度光纖布喇格光柵傳感器，其中氣體吸收譜線(xiàn)用作動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)頻率基準(zhǔn)以便連續(xù)校準(zhǔn)激光光源的波長(zhǎng)。所述光纖布喇格傳感器包括將來(lái)自激光器的光分為兩束的光纖定向耦合器；讓所述光線(xiàn)的一部分通過(guò)的氣體單元；用于監(jiān)控通過(guò)所述氣體單元的光線(xiàn)以便確定氣體吸收譜線(xiàn)(并因此確定光的波長(zhǎng))的第一光探測(cè)器；用于監(jiān)控從布喇格光柵反射回來(lái)的另一部分光線(xiàn)并確定波長(zhǎng)的第二光探測(cè)器；和用于同時(shí)接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)光探測(cè)器的信號(hào)的計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G01D5/26GK2558960SQ01209000
公開(kāi)日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者靳偉, 陳志超, 何海律 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)