專利名稱：光纖光柵傳感器的波長檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波長的檢測儀，尤其是涉及一種光纖光柵傳感器的波長檢測儀。特別適用于高速、高分辨率的測量光纖光柵傳感器(包括單個或多個光纖光柵傳感器) 的特性。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型光纖無源器件，自1978年問世至今，世界上許多科研和工程技術(shù)人員投身到光纖光柵的研制和應(yīng)用工作中。與其相關(guān)的各種技術(shù)得到了很大發(fā)展。 1989年研究成功的基于掩膜板的紫外寫入制作技術(shù)使光纖光柵的批量化生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用成為可能。現(xiàn)在，光纖光柵已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于光纖通信和傳感領(lǐng)域之中。在傳感器領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器具有(1)基于光波波長和帶寬為傳感機制，使測量信號不受光源強度波動、光纖彎曲、光纖連接損耗和探測器靈敏度變化等因素的影響；( 可以使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個光纖光柵傳感器，同時對多個測量點、多個物理量進行準(zhǔn)分布測量；C3)體積小、重量輕、不受電磁干擾、本質(zhì)安全。所以，光纖光柵已被應(yīng)用于制作高精度、高可靠性的溫度、應(yīng)變、壓力、位移、振動、聲音和磁場等傳感器，在航空、船舶、電力、石油化工和醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。大多數(shù)光纖光柵傳感器對各種物理量的測量是基于光纖光柵的波長隨物理量的改變這一特性來實現(xiàn)的。因此，制作光纖光柵傳感器的波長檢測儀，對光纖光柵的波長進行測量并將其解調(diào)成所測物理量的值是光纖光柵傳感器系統(tǒng)中一項不可避免的重要技術(shù)。目前，人們已經(jīng)用多種方法設(shè)計制作出光纖光柵傳感器波長的檢測儀器。然而，這些儀器中有的測量分辨率高但速度慢，有的測量速度高但分辨率低。因此，目前的光纖光柵傳感器的波長檢測儀還沒有同時具備既高分辨率又高速測量光纖光柵傳感器波長的功能。而且，現(xiàn)有技術(shù)的光纖光柵波長解調(diào)儀基本是針對一定規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，一般可以測量幾十個到上百個光纖光柵傳感器的波長，因而結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，成本也相應(yīng)的較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，達到一臺光纖光柵傳感器的波長檢測儀同時具備既高分辨率又高速測量光纖光柵傳感器波長的目的，本發(fā)明提供一種新型光纖光柵傳感器的波長檢測儀，能夠同時高速高分辨率地測量光纖光柵傳感器的波長，能夠同時測量光纖光柵傳感器的靜態(tài)和動態(tài)性能。本發(fā)明為了達到上述的目的，提供一種光纖光柵傳感器的波長檢測儀，它包括至少1個光輸入端口，至少1個數(shù)據(jù)輸出端口，與光輸入端口輸出端連接的至少1個波長調(diào)制模塊，與波長調(diào)制模塊連接的至少1個數(shù)據(jù)采集模塊，與數(shù)據(jù)采集模塊連接的至少1個數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊的輸出端連接到數(shù)據(jù)輸出端口上。如上述的結(jié)構(gòu)，所述被檢測的光纖光柵傳感器輸出的光從光輸入端口入射到波長調(diào)制模塊中，波長調(diào)制模塊將不同波長的光調(diào)制成與其不同波長相對應(yīng)的光強并將其轉(zhuǎn)化為與光強相對應(yīng)的電信號；數(shù)據(jù)采集模塊將該電信號(模擬信號)分成若干等份并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到數(shù)據(jù)處理模塊中；數(shù)據(jù)處理模塊通過該信號的透射函數(shù)的倒數(shù)獲得所述光纖光柵傳感器的波長值從數(shù)據(jù)輸出端口輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的波長檢測儀相比具有顯著的效益。 具有較高的測量速率，較寬的速率測量范圍。如上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，因為本發(fā)明的光纖光柵傳感器的波長檢測儀所采用的光學(xué)、光纖器件均為無源器件，不影響測量速度。所述的波長調(diào)制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)所包含器件均可采用目前具備很高工作頻率的商用產(chǎn)品。所以本發(fā)明的波長檢測儀能夠用來測量較高頻率變化的光纖光柵傳感器的波長。同時又可以對光纖光柵傳感器的波長作靜態(tài)測量。所以測量速度的動態(tài)范圍較寬。測量速率可以達到IOOMHz。測量速率的動態(tài)范圍為0 IOOMHz。 具有很高的波長分辨率。如上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，因為本發(fā)明內(nèi)包括波長調(diào)制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。波長調(diào)制模塊將不同波長的光調(diào)制成與波長相對應(yīng)的光強并將其轉(zhuǎn)化為與光強相對應(yīng)的電信號，數(shù)據(jù)采集模塊將其信號分成若干等分，每一等分即為波長檢測儀的波長分辨率。當(dāng)波長調(diào)制模塊所選擇的器件其自由光譜范圍(FSR)達到0.4nm，數(shù)據(jù)采集模塊所選擇的器件達到14 位時，數(shù)據(jù)采集模塊可以將二分之一個自由光譜范圍(FSR)即0. 2nm內(nèi)的波長分成16384 等份。因此，該波長檢測儀具有0.0125pm的波長分辨率。這樣的波長分辨率可以對應(yīng)于光纖光柵傳感器的0. 0125微應(yīng)變。所以本發(fā)明的波長檢測儀具有0. 0125pm的波長分辨率?！ぞ哂休^寬的波長測量范圍。如上述的結(jié)構(gòu)，因為本發(fā)明內(nèi)包括波長調(diào)制模塊，可以選擇或增加波長調(diào)制模塊內(nèi)的不同器件用以擴展波長測量范圍。目前本發(fā)明的波長檢測儀的測量帶寬可達到40nm。 結(jié)構(gòu)較簡單。如上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，與上述現(xiàn)有技術(shù)中的光纖光柵波長解調(diào)儀對比，本發(fā)明的波長檢測儀既可以測量單個光纖光柵傳感器的波長，又可以測量多個光纖光柵傳感器的波長，其結(jié)構(gòu)比較簡單，成本比較低廉。


圖1是本發(fā)明的光纖光柵傳感器的波長檢測儀一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的光纖光柵傳感器的波長檢測儀中的波長調(diào)制模塊第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是應(yīng)用本發(fā)明的光纖光柵傳感器的波長檢測儀進行檢測光纖光柵傳感器特性的一實施例的示意圖；圖4是圖2所示的波長調(diào)制模塊內(nèi)兩個基本光纖F-P器件的透射譜線圖；圖4中 橫坐標(biāo)為光波長λ，單位為nm ；縱坐標(biāo)為光纖F-P器件的透射函數(shù)；曲線15為圖2中基本光纖F-P器件7的透射函數(shù)曲線，曲線16為圖2中基本光纖F-P器件8的透射函數(shù)曲線；圖5為圖4中波長調(diào)制模塊內(nèi)兩個基本光纖F-P器件透射函數(shù)的倒數(shù)譜線圖；圖 5中橫坐標(biāo)為光波長λ，單位為nm ；縱坐標(biāo)為透射函數(shù)的倒數(shù)。正弦曲線17為基本光纖 F-P器件7的透射函數(shù)15的倒數(shù)，正弦曲線18為基本光纖F-P器件8的透射函數(shù)16的倒
圖6為圖5中波長調(diào)制模塊內(nèi)兩個基本光纖F-P器件透射函數(shù)的倒數(shù)偏置后的譜線圖；圖6中橫坐標(biāo)為光波長λ，單位為nm ；縱坐標(biāo)為偏置后的光纖F-P器件透射函數(shù)的倒數(shù)。曲線19為基本光纖F-P器件7透射函數(shù)的倒數(shù)曲線17取偏置后的正弦曲線，曲線 20為基本光纖F-P器件8透射函數(shù)的倒數(shù)曲線18取偏置后的正弦曲線；圖7為波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括兩個輔助光纖F-P器件的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖7所示第二實施例的波長調(diào)制模塊中一組偏置后的光纖F-P器件透射函數(shù)倒數(shù)的譜線圖；圖8中橫坐標(biāo)為光波長λ，單位為nm ；縱坐標(biāo)為光纖F-P器件透射函數(shù)的倒數(shù)；曲線25為輔助光纖F-P器件21透射函數(shù)的倒數(shù)；曲線沈輔助光纖F-P器件22透射函數(shù)的倒數(shù)；圖9為波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括擴展光纖F-P器件的第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為圖9所示的波長調(diào)制模塊內(nèi)基本光纖F-P器件7、8和擴展光纖F-P器件 27的透射函數(shù)取倒數(shù)并偏置后的正弦曲線圖；圖10中曲線四為擴展光纖F-P器件27透射函數(shù)取倒數(shù)并偏置后的正弦曲線；圖11為波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括光纖斜邊濾波器的第四實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為圖11所示的第四實施例的波長調(diào)制模塊內(nèi)兩個基本光纖F-P器件透射函數(shù)和光纖斜邊濾波器的譜線圖；圖12中橫坐標(biāo)為光波長λ，單位為nm ；縱坐標(biāo)為透射函數(shù)。線32為光纖斜邊濾波器30的透射函數(shù)；圖13為波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括數(shù)據(jù)處理電路模塊的第五實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為本發(fā)明中包括多個波長調(diào)制模塊的一實施例結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明光纖光柵傳感器的波長檢測儀的結(jié)構(gòu)特征。如圖1所示，本發(fā)明的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，它包括光輸入端口 1，與光輸入端口輸出端1連接的波長調(diào)制模塊2，與波長調(diào)制模塊2連接的數(shù)據(jù)采集模塊3，與數(shù)據(jù)采集模塊3連接的數(shù)據(jù)處理模塊4以及與數(shù)據(jù)處理模塊4連接的的數(shù)據(jù)輸出端口 5。在本實施例中，光輸入端口輸出端1與波長調(diào)制模塊2之間是以光纖連接的；波長調(diào)制模塊2 與數(shù)據(jù)采集模塊3之間，數(shù)據(jù)采集模塊3與數(shù)據(jù)處理模塊4之間以及數(shù)據(jù)處理模塊4與數(shù)據(jù)輸出端口 5之間均以電纜連接。所述數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)包括至少1個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)包括至少1個微處理器。所述波長調(diào)制模塊2內(nèi)包括至少1個與光輸入端口 1輸出端連接的多路光纖分路器，與多路光纖分路器輸出端連接的至少2個光纖F-P器件，分別與光纖F-P器件輸出端連接的至少2個光電探測器，與光電探測器輸出端連接的至少1個電輸出端口。圖2是波長調(diào)制模塊2第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實施例中，波長調(diào)制模塊 2包含1個多路光纖分路器，2個光纖F-P器件，2個光電探測器和1個電輸出端口。這個結(jié)構(gòu)為波長調(diào)制模塊的基本結(jié)構(gòu)，稱為基本波長調(diào)制模塊。基本波長調(diào)制模塊內(nèi)所包括的 2個光纖F-P器件稱為基本光纖F-P器件。
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如圖2所示，在本實施例中，波長調(diào)制模塊2包括與光輸入端口 1輸出端以光纖連接的1個多路光纖分路器6，與多路光纖分路器的一個輸出端以光纖連接的為第一基本光纖F-P器件7，與多路光纖分路器另一個輸出端以光纖連接的為第二基本光纖F-P器件8， 與第一基本光纖F-P器件7輸出端以光纖連接的為第一光電探測器9，與第二基本光纖F-P 器件8輸出端以光纖連接的為第二光電探測器10，與第一、第二光電探測器9、10的輸出端以電線纜連接的電輸出端口 11。圖3是應(yīng)用本發(fā)明的光纖光柵傳感器的波長檢測儀進行檢測光纖光柵傳感器特性的一實施例的示意圖。如圖3所示，在測試光纖光柵傳感器波長時，由寬帶光源12發(fā)出的光經(jīng)耦合器13入射至光纖光柵傳感器14。在本實施例中，所述光纖光柵傳感器中光纖光柵的周期為1 μ m量級。光纖光柵傳感器14將部分寬帶光源12發(fā)出的光反射，反射光經(jīng)華禹合器13傳輸?shù)焦饫w光柵傳感器的波長檢測儀的光輸入端口 1。從光輸入端口 1進入波長檢測儀由光纖傳輸至波長調(diào)制模塊2，波長調(diào)制模塊2將輸入光根據(jù)不同的波長調(diào)制成相應(yīng)的不同的光強并轉(zhuǎn)化為電信號，數(shù)據(jù)采集模塊3將波長調(diào)制模塊2輸出的模擬電信號分成若干等份并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊4中，數(shù)據(jù)處理模塊4對于輸入的信號進行分析處理，它通過波長調(diào)制模塊輸出的透射函數(shù)的倒數(shù)獲得所述光纖光柵傳感器的波長值。再由數(shù)據(jù)輸出端口 5輸出。如圖2所示，輸入波長調(diào)制模塊2內(nèi)的光被多路光纖分路器6分成兩路，其中一路傳輸?shù)降谝换竟饫wF-P器件7中，另一路傳輸?shù)降诙竟饫wF-P器件8中。輸入光纖F-P器件的光在F-P器件內(nèi)形成干涉，致使不同波長的輸入光有著不同的輸出強度。光纖F-P器件的透射函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵傳感器的波長檢測儀，包括至少1個光輸入端口，至少1個數(shù)據(jù)采集模塊，至少1個數(shù)據(jù)處理模塊以及至少1個數(shù)據(jù)輸出端口，其特征在于包括連接于光輸入端口輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊輸入端之間的至少1個波長調(diào)制模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端連接，數(shù)據(jù)處理模塊的輸出端連接到數(shù)據(jù)輸出端口 ；所述被檢測的光纖光柵傳感器輸出的光從光輸入端口入射到波長調(diào)制模塊中，波長調(diào)制模塊將不同波長的光調(diào)制成與其不同波長相對應(yīng)的光強并將其轉(zhuǎn)化為與光強相對應(yīng)的電信號；數(shù)據(jù)采集模塊將該電信號分成若干等份并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到數(shù)據(jù)處理模塊中；數(shù)據(jù)處理模塊通過該信號的透射函數(shù)的倒數(shù)獲得所述光纖光柵傳感器的波長值從數(shù)據(jù)輸出端口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)包括至少1個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)包括至少1個微處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述波長調(diào)制模塊內(nèi)包括至少1個與光輸入端口輸出端連接的多路光纖分路器，與多路光纖分路器輸出端連接的至少2個光纖F-P器件，分別與光纖F-P器件輸出端連接的至少2個光電探測器，與光電探測器輸出端連接的至少1個電輸出端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述波長調(diào)制模塊內(nèi)所包括的至少2個的光纖F-P器件中包括透射譜線形狀相同而存在相位差的兩個基本光纖F-P器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括與所述兩個基本光纖F-P器件同周期但不同相位的兩個輔助光纖F-P器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括自由光譜范圍是所述基本光纖F-P器件兩倍或兩倍整數(shù)倍的擴展光纖F-P 器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括光纖斜邊濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖光柵傳感器的波長檢測儀，其特征在于所述波長調(diào)制模塊內(nèi)還包括連接在光電探測器輸出端的數(shù)據(jù)處理電路模塊。
全文摘要
一種光纖光柵傳感器的波長檢測儀，包括至少1個光輸入端口，至少1個波長調(diào)制模塊，至少1個數(shù)據(jù)采集模塊，至少1個數(shù)據(jù)處理模塊以及至少1個數(shù)據(jù)輸出端口。被檢測的光纖光柵傳感器輸出的光從光輸入端口入射到波長調(diào)制模塊中，波長調(diào)制模塊將不同波長的光調(diào)制成與不同波長相對應(yīng)的光強并將其轉(zhuǎn)化為與光強相對應(yīng)的電信號；數(shù)據(jù)采集模塊將該電信號分成若干等分并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到數(shù)據(jù)處理模塊中；數(shù)據(jù)處理模塊通過該信號的透射函數(shù)的倒數(shù)獲得所述光纖光柵傳感器的波長值。具有較高的測量速率，較寬的速率測量范圍，很高的波長分辨率和較寬的波長測量范圍。
文檔編號G01J9/00GK102226722SQ20111007661
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者韋占雄 申請人:韋占雄