專利名稱：光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行在線和實(shí)時(shí)標(biāo)定的方法，屬光纖傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵(簡(jiǎn)稱FBG)是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過(guò)某種方式對(duì)其折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制而形成的一種全光纖器件。FBG已被越來(lái)越廣泛地用于光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域。FBG傳感器具有抗電磁干擾，耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，體積小，可以光波長(zhǎng)復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布測(cè)量等顯著的優(yōu)點(diǎn)，因而在無(wú)法使用傳統(tǒng)傳感器的場(chǎng)合發(fā)揮了巨大作用。近年來(lái)，隨著FBG傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也在日益擴(kuò)大，并開始在有些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)。
目前限制FBG傳感進(jìn)一步普及應(yīng)用的主要問(wèn)題是與傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)相比其價(jià)格過(guò)高。FBG傳感系統(tǒng)由FBG傳感器和波長(zhǎng)解調(diào)兩個(gè)主要部分構(gòu)成。隨著FBG制造技術(shù)和工藝水平的不斷發(fā)展和完善，F(xiàn)BG傳感器的制造成本在不斷下降，有望達(dá)到與傳統(tǒng)傳感器相當(dāng)?shù)膬r(jià)格水平。因此，決定FBG傳感系統(tǒng)價(jià)格的關(guān)鍵因素是波長(zhǎng)解調(diào)儀的價(jià)格。波長(zhǎng)解調(diào)儀的功能即通過(guò)光譜分析確定每個(gè)FBG傳感器對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)及其變化。目前較為成熟和使用較為普遍的方法是采用可調(diào)諧掃描光纖濾波器和色散光柵加線陣CCD兩種技術(shù)。采用這些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3pm或更高的波長(zhǎng)分辨率，但由于器件特性以及外界環(huán)境等因素的影響，實(shí)現(xiàn)pm量級(jí)的波長(zhǎng)精度和穩(wěn)定性，則需要一些特殊技術(shù)，這是造成FBG波長(zhǎng)解調(diào)儀成本難以下降的主要原因。而良好的波長(zhǎng)分辨率、波長(zhǎng)精度和穩(wěn)定性對(duì)于FBG傳感系統(tǒng)用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。
提高FBG傳感系統(tǒng)波長(zhǎng)精度和穩(wěn)定性的常用方法之一是采用標(biāo)準(zhǔn)氣體盒。利用已知標(biāo)準(zhǔn)氣體的特征吸收譜對(duì)所要檢測(cè)的布拉格波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)或標(biāo)定。這種標(biāo)準(zhǔn)氣體盒具有極高的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，其溫度穩(wěn)定性可達(dá)0.01pm/℃。由于標(biāo)準(zhǔn)氣體盒的價(jià)格高，所以一般只用于高精度光譜分析儀器。此外，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體盒需單獨(dú)提供一套光電檢測(cè)系統(tǒng)，這無(wú)疑會(huì)使FBG傳感波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步復(fù)雜化，使其制造成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為光纖布拉格光柵傳感提供一種波長(zhǎng)標(biāo)定方法。該方法具有簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低等顯著特點(diǎn)，為從根本上降低FBG傳感波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的造價(jià)，從而為普及其應(yīng)用創(chuàng)造條件。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)串接的光纖布拉格光柵的反射的布拉格波長(zhǎng)在光譜上互不重疊性，在三端光環(huán)行器的第一端連接寬帶光源，第二端連接光纖布拉格光柵傳感器，第三端連接波長(zhǎng)解調(diào)儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)該光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)標(biāo)定方法，其特征在于包括以下過(guò)程采用一個(gè)光纖布拉格光柵作為波長(zhǎng)參考器件，與光纖布拉格光柵傳感器串接，所述光纖布拉格光柵波長(zhǎng)參考器件被封裝在恒溫槽中，所述恒溫槽由溫度控制電路控制，恒溫槽的溫度穩(wěn)定精度為±0.1度，則參考器件的反射的布拉格波長(zhǎng)在光譜上顯示具有穩(wěn)定性，故以該波長(zhǎng)參考器件的布拉格波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，將其置于光纖布拉格光柵傳感器的布拉格波長(zhǎng)顯示光譜的上端、或下端，便能標(biāo)定出光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)。
本發(fā)明的理論依據(jù)是光纖布拉格光柵反射的布拉格波長(zhǎng)λB＝2neffΛ是其所受應(yīng)變及其感受溫度的函數(shù)，這是FBG作為傳感器的原理和基礎(chǔ)。由溫度變化引起的布拉格波長(zhǎng)的相對(duì)改變可表示為ΔλBλB=(α+β)ΔT,]]>其中，α是光纖材料的熱膨脹系數(shù)，β是光纖材料的相對(duì)熱光系數(shù)。對(duì)于石英材料的普通光纖，其熱膨脹系數(shù)α＝5.5×10-7/℃，相對(duì)熱光系數(shù)β＝8.6×10-5/℃。由此可計(jì)算出光纖布拉格光柵的相對(duì)溫度靈敏度系數(shù)約為7×10-6/℃。在λB＝1550nm的情況下，1℃的溫度變化將導(dǎo)致約11pm的布拉格波長(zhǎng)的變化。當(dāng)光纖布拉格光柵作為溫度傳感器時(shí)可以采用一定的封裝材料和封裝方式增大其溫度靈敏度。相反，若將光纖布拉格光柵進(jìn)行恒溫控制，則可將其用作波長(zhǎng)參考器件。如溫度控制穩(wěn)定度在±0.1度，則波長(zhǎng)穩(wěn)定度優(yōu)于±1pm。
本發(fā)明方法具有簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低特點(diǎn)，為從根本上降低FBG傳感器波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的造價(jià)，從而為普及其應(yīng)用創(chuàng)造條件。


圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置框圖。圖1中，101為寬帶光源；102為三端光環(huán)行器；103為置于恒溫槽中的光纖布拉格光柵；104為光纖布拉格光柵波長(zhǎng)參考器件；105為恒溫槽溫度控制電路；106為波長(zhǎng)解調(diào)儀；107為傳輸光纖；108、109為光纖布拉格光柵傳感器。
圖2為光纖布拉格光柵波長(zhǎng)參考器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中，201為輸入輸出光纖；202為環(huán)氧樹脂；103為光纖布拉格光柵；203為作為溫度調(diào)節(jié)器件的半導(dǎo)體致冷器；204為固定光纖光柵的金屬板；205為恒溫槽金屬外殼；206為熱敏電阻。
圖3為光譜特性波形曲線。圖3中，301為波長(zhǎng)參考器件光纖光柵的波長(zhǎng)反射峰；302、303為光纖布拉格光柵傳感器的波長(zhǎng)反射峰。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明。如附圖1所示，由寬帶光源101發(fā)出的寬譜光首先經(jīng)環(huán)行器102，傳到波長(zhǎng)參考器件104，再經(jīng)傳輸光纖107傳至串接在一起的光纖布拉格光柵傳感器108和109。波長(zhǎng)參考器件104、光纖布拉格光柵傳感器108和109具有不同的布拉格波長(zhǎng)，并且在測(cè)量過(guò)程中相互不重疊。如附圖2所示，波長(zhǎng)參考器件104由光纖光柵103、半導(dǎo)體致冷器203，金屬板204和金屬外殼205組成。熱敏電阻206靠近光纖光柵103安裝，由環(huán)氧樹脂202將其固定在金屬板204表面。熱敏電阻206的輸出信號(hào)接溫度控制電路105，由溫度控制電路105的輸出控制半導(dǎo)體致冷器203的電流，形成閉環(huán)反饋控制，使恒溫槽104的溫度恒定在設(shè)置的溫度。此時(shí)光纖布拉格光柵202的反射波長(zhǎng)穩(wěn)定在固定值，而不隨外界環(huán)境溫度的變化而改變。
波長(zhǎng)解調(diào)儀106探測(cè)到的由波長(zhǎng)參考器件104、FBG傳感器108和109反射光信號(hào)的的光譜如附圖3所示。反射峰301對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)參考器件104，反射峰302和303分別對(duì)應(yīng)光纖布拉格光柵傳感器108和109。波長(zhǎng)解調(diào)儀106在對(duì)反射峰302和303測(cè)量過(guò)程中，是以反射峰301為基準(zhǔn)而進(jìn)行的。因此，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中對(duì)波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)在線標(biāo)定，降低了對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)儀106的波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求，故可使用低成本的波長(zhǎng)解調(diào)器件實(shí)現(xiàn)，從而可從根本上降低波長(zhǎng)解調(diào)儀的成本。波長(zhǎng)參考器件104在使用下的絕對(duì)波長(zhǎng)值可用已有的波長(zhǎng)標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所涉及的波長(zhǎng)標(biāo)定方法的關(guān)鍵是對(duì)作為波長(zhǎng)參考器件光纖布拉格光柵202溫度的控制，使用而現(xiàn)有溫度控制技術(shù)完全可以達(dá)到±0.1度的溫度控制穩(wěn)定度。
權(quán)利要求
1.一種光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)標(biāo)定方法，該方法依據(jù)串接的光纖布拉格光柵的反射的布拉格波長(zhǎng)在光譜上互不重疊性，在三端光環(huán)行器的第一端連接寬帶光源，第二端連接光纖布拉格光柵傳感器，第三端連接波長(zhǎng)解調(diào)儀，實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)標(biāo)定，其特征在于包括以下過(guò)程采用一個(gè)光纖布拉格光柵作為波長(zhǎng)參考器件，與光纖布拉格光柵傳感器串接，所述光纖布拉格光柵波長(zhǎng)參考器件被封裝在恒溫槽中，所述恒溫槽由溫度控制電路控制，恒溫槽的溫度穩(wěn)定精度為±0.1度，則參考器件的反射布拉格波長(zhǎng)在光譜上顯示具有穩(wěn)定性，故以該波長(zhǎng)參考器件的布拉格波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，將其置于光纖布拉格光柵傳感器的布拉格波長(zhǎng)顯示光譜的上端、或下端，便能標(biāo)定出光纖布拉格光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行在線和實(shí)時(shí)標(biāo)定的方法，屬光纖傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。在三端光環(huán)行器的第一端連接寬帶光源，第二端連接光纖布拉格光柵傳感器，第三端連接波長(zhǎng)解調(diào)儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)該光纖布拉格光柵傳感波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)標(biāo)定的過(guò)程采用一個(gè)光纖布拉格光柵作為波長(zhǎng)參考器件，與光纖布拉格光柵傳感器串接，參考器件被封裝在恒溫槽中，恒溫槽的溫度穩(wěn)定精度為±0.1度，則參考器件的反射的波長(zhǎng)在光譜上具有穩(wěn)定性，以其為基準(zhǔn)，并置于光纖布拉格光柵傳感器的布拉格波長(zhǎng)顯示光譜的上端、或下端，從而標(biāo)定出光纖布拉格光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)過(guò)程中的波長(zhǎng)。本發(fā)明方法具有簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1844855SQ20061001372
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者李恩邦 申請(qǐng)人:國(guó)家納米技術(shù)與工程研究院