專利名稱：一種基于波長可調(diào)諧激光器的高空間分辨率光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于波長可調(diào)諧單縱模窄線寬DFB激光器的高空間分辨率頻域反射分布式光纖傳感技術(shù)，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測及高精度定位。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)安全評估是通過各種傳感方法獲得并分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，并根據(jù)分析結(jié)果作出安全性判斷與預(yù)警。目前用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器主要包括應(yīng)變片，光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，布里淵散射的分布式光纖傳感器(BOTDR，B0TDA)及傳統(tǒng)的光纖頻域反射技術(shù)OFDR等。實驗及工程實際表明，應(yīng)變片及光纖FBG傳感器進行空間上離散點的應(yīng)變分布測量，而無法對結(jié)構(gòu)總體進行分析。而B0TDR/B0TDA及傳統(tǒng)OFDA光纖傳感器的空間分辨率最多只能達到幾十厘米，且應(yīng)變測量精度不高，不能實現(xiàn)準確監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布信息及有效評估健康狀態(tài)。在許多工程結(jié)構(gòu)中，往往要求能夠在很長的測量距離中，在保證應(yīng)變測量精度的同時，能實現(xiàn)高空間分辨率的分布式應(yīng)變，以同時滿足對結(jié)構(gòu)整體和局部監(jiān)測評估。這對大型結(jié)構(gòu)的安全評估具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于波長可調(diào)諧激光器的高空間分辨率光纖傳感系統(tǒng)，在幾公里甚至更長的傳感光纖上，能夠?qū)崿F(xiàn)2_空間分辨率，且同時應(yīng)變測量精度可達到5μ ε。該高性能光纖傳感系統(tǒng)可用于結(jié)構(gòu)分布應(yīng)變的高精度檢測，測量距離長，空間分辨率及應(yīng)變傳感精度高。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種基于波長可調(diào)諧激光器的高空間分辨率光纖傳感系統(tǒng)，包括波長可調(diào)諧激光器、壓電陶瓷、鋸齒波電壓驅(qū) 動、第一耦合器、光纖干涉儀、光電探測器、偏振控制器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光纖傳感器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、信號分析及處理系統(tǒng)以及電腦顯示，其中:波長可調(diào)諧激光器的控制端口連接壓電陶瓷的輸出端口，壓電陶瓷的控制端口連接鋸齒波電壓驅(qū)動的輸出端口 ；波長可調(diào)諧激光器的輸出連接第一耦合器的輸入端口，第一耦合器其中一個輸出端口連接光纖干涉儀的輸入，光纖干涉儀的輸出連接光電探測器的輸入端口 ；光電探測器輸出端口連接數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)采集端口 ；第一耦合器的另外一個輸出端口連接偏振控制器的輸入，偏振控制器的輸出連接第二耦合器的輸入；第二耦合器的兩個輸出端口分別連接第三耦合器和第四耦合器的一個輸入端口 ；第三耦合器輸出連接光纖傳感器，第三I禹合器的第二個輸入端口與第四I禹合器的第二個輸入端口連接，第四耦合器的輸出端口連接光電探測器的輸入端口 ；光電探測器的輸出端口連接數(shù)據(jù)采集卡的采集端口，數(shù)據(jù)采集卡的輸出接入信號分析及處理系統(tǒng)，信號分析及處理系統(tǒng)的輸出端口連接至電腦顯示。所述的波長可調(diào)諧激光器為單縱模窄線寬光纖DFB激光器或基于半導(dǎo)體技術(shù)或微機電系統(tǒng)技術(shù)的窄帶激光器。
當可調(diào)諧激光器波長以一定速度開始掃描，光纖中各點均會有散射光出現(xiàn)，當激光器發(fā)出的參考光與光纖的散射光拍頻，會出現(xiàn)拍頻信號，通過高速探測采集并分析拍頻信號幅度、頻率、相位及相關(guān)性，可實現(xiàn)高空間分辨率的傳感。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有具有高空間分辨率，分布式應(yīng)變高精度在線監(jiān)測，穩(wěn)定性和重復(fù)性好，靈敏度高等特點。


圖1是本發(fā)明一種具體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。如圖1所示，本發(fā)明傳感器系統(tǒng)所用波長可調(diào)諧激光器I為單縱模窄線寬光纖DFB激光器，該單縱模窄線寬光纖DFB激光器是針對該傳感系統(tǒng)而進行特殊設(shè)計制作。該單縱模窄線寬光纖DFB激光器通過相位掩模法，利用準分子激光器，在高濃度摻鉺光纖上，先寫入一段長光纖布拉格光柵，然后在光柵中間一段進行二次寫入，使其產(chǎn)生λ /4相移,從而形成摻鉺λ/4相移分布反饋DFB光柵。最后結(jié)合980nm泵浦光，形成單縱模窄線寬光纖DFB激光器。該激光器線寬僅有幾百赫茲，具有很長的相干長度，因此能夠滿足長距離高分辨率的頻域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)要求。通過選擇合適相位掩模板，使激光器的初始波長在1520nm左右。將單縱模窄線寬光纖DFB激光器中的分布反饋DFB光柵部分粘貼于壓電陶瓷2上，通過鋸齒波電壓驅(qū)動3使壓電陶瓷2產(chǎn)生伸縮，形成周期性應(yīng)變，實現(xiàn)光纖DFB激光器的波長在一定波長范圍內(nèi)的重復(fù)掃描。單縱模窄線寬光纖DFB激光器發(fā)出波長隨時間變化的窄線寬激光入第一耦合器4后分為兩路，一路進入光纖干涉儀5，當DFB激光波長變化時，干涉儀輸出一系列干涉峰，·光干涉峰經(jīng)光電探測器6探測后轉(zhuǎn)化為脈沖電壓，光電探測器6的輸出連接數(shù)據(jù)采集卡13的觸發(fā)端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的被動觸發(fā)采集。另一路激光經(jīng)過偏振控制器7消除偏振噪聲后，進入第二耦合器8后再次分為兩路，其中一路作為傳感光經(jīng)過第三耦合器9進入傳感光纖11，另一路光則作為參考光進入第四耦合器10，與傳感光纖的后向散射光進行干涉。干涉光經(jīng)光電探測器12檢測后通過數(shù)據(jù)采集卡13采集，最后利用信號分析及處理系統(tǒng)14進行信號解析并最終通過電腦顯示15。單縱模窄線寬光纖DFB激光器也可用基于半導(dǎo)體技術(shù)或微機電系統(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)的波長可調(diào)諧窄帶激光器代替。波長可調(diào)諧單縱模窄線寬光纖DFB激光器發(fā)出的兩路光由于分別進入傳感光纖11和第四耦合器10，造成參考光和傳感光纖的反射光光程不同，因此在第四耦合器10處發(fā)生干涉。由于激光器波長可調(diào)諧，導(dǎo)致干涉條紋發(fā)生變化，通過付利葉頻譜分析及數(shù)字信號處理，可得到干涉條紋的頻域特性。當外界應(yīng)變發(fā)生變化，干涉條紋的頻域特性也會相應(yīng)變化，空間分辨率也包含在干涉條紋的頻域信息內(nèi)。由于干系統(tǒng)所采用的光源為單縱模窄線寬光纖DFB激光器，其空間相干性非常高，因此通過信號分析及處理系統(tǒng)14，便能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變測量精度及其高空間分辨率的光纖頻域傳感技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于波長可調(diào)諧激光器的高空間分辨率光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括波長可調(diào)諧激光器(I)、壓電陶瓷(2)、鋸齒波電壓驅(qū)動(3)、第一耦合器(4)、光纖干涉儀(5)、光電探測器(6)、偏振控制器(7)、第二耦合器(8)、第三耦合器(9)、第四耦合器(10)、光纖傳感器(11)、光電探測器(12)、數(shù)據(jù)采集卡(13)、信號分析及處理系統(tǒng)(14)以及電腦顯示(15)，其中:單波長可調(diào)諧激光器(I)的控制端口連接壓電陶瓷(2)的輸出端口，壓電陶瓷(2 )的控制端口連接鋸齒波電壓驅(qū)動(3 )的輸出端口 ；波長可調(diào)諧激光器(I)的輸出連接第一率禹合器(4)的輸 入端口，第一I禹合器(4)其中一個輸出端口連接光纖干涉儀(5)的輸入，光纖干涉儀(5)的輸出連接光電探測器(6)的輸入端口 ；光電探測器(6)輸出端口連接數(shù)據(jù)采集卡(13)的觸發(fā)采集端口 ；第一耦合器(4)的另外一個輸出端口連接偏振控制器(7)的輸入，偏振控制器(7)的輸出連接第二I禹合器(8)的輸入；第二I禹合器(8)的兩個輸出端口分別連接第三耦合器(9)和第四耦合器(10)的一個輸入端口 ；第三耦合器(9)輸出連接光纖傳感器(11)，第三耦合器(9)的第二個輸入端口與第四耦合器(10)的第二個輸入端口連接，第四耦合器(IO )的輸出端口連接光電探測器(12 )的輸入端口；光電探測器(12 )的輸出端口連接數(shù)據(jù)采集卡(13)的采集端口，數(shù)據(jù)采集卡(13)的輸出接入信號分析及處理系統(tǒng)(14)，信號分析及處理系統(tǒng)(14)的輸出端口連接至電腦顯示(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波長可調(diào)諧激光器的高空間分辨率光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的波長可調(diào)諧激光器為單縱模窄線寬光纖DFB激光器或基于半導(dǎo)體技術(shù)或微機電系統(tǒng)技術(shù)的窄帶激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于波長可調(diào)諧激光器的高空間分辨率光纖傳感系統(tǒng)，包括波長可調(diào)諧激光器、壓電陶瓷、鋸齒波電壓驅(qū)動、第一耦合器、光纖干涉儀、光電探測器、偏振控制器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光纖傳感器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、信號分析及處理系統(tǒng)以及電腦顯示，其中波長可調(diào)諧激光器的控制端口連接壓電陶瓷的輸出端口，壓電陶瓷的控制端口連接鋸齒波電壓驅(qū)動的輸出端口；光電探測器的輸出端口連接數(shù)據(jù)采集卡的采集端口，數(shù)據(jù)采集卡的輸出接入信號分析及處理系統(tǒng)，信號分析及處理系統(tǒng)的輸出端口連接至電腦顯示。具有高空間分辨率，分布式應(yīng)變高精度在線監(jiān)測，穩(wěn)定性和重復(fù)性好，靈敏度高等特點。
文檔編號G01B11/16GK103245299SQ20131017669
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者孫安, 吳智深 申請人:東南大學(xué)