雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)及分布式傳感信息獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)及分布式傳感信息獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍寬、體積小、易于復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的研究和利用。光纖光柵是光纖芯區(qū)折射率受永久性、周期性調(diào)制的一種特殊光纖。其發(fā)射譜線的中心波長(zhǎng)是一個(gè)與光纖折射率和折射率擾動(dòng)周期有關(guān)的物理量。當(dāng)外界物理量改變時(shí)，就改變了光柵的折射率和周期，進(jìn)而改變反射譜線的中心波長(zhǎng)。所以通過(guò)檢測(cè)中心波長(zhǎng)的變化可感知外界物理量的變化。單模光纖光柵由于其折射率的同向同行，所以反射譜只有一個(gè)中心波長(zhǎng)，作為傳感時(shí)只能感知一個(gè)外界物理量。而雙芯光纖光柵的中心波長(zhǎng)由于纖芯存在較大的折射率差異，所以其反射譜將出現(xiàn)兩個(gè)中心波長(zhǎng)。
[0003]光纖光柵的諧振波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變都有關(guān)系，即溫度和應(yīng)變會(huì)同時(shí)引起光纖光柵的諧振波峰的變化，而單個(gè)光纖光柵的峰值波長(zhǎng)檢測(cè)變化無(wú)法區(qū)分波長(zhǎng)的漂移量是由溫度變化引起的還是由應(yīng)變引起的，或者由兩者共同引起的，這就是溫度和應(yīng)力的交叉影響。大部分的方案是利用多個(gè)光纖光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的分離傳感。
[0004]目前解決光纖光柵應(yīng)力溫度交叉的問(wèn)題的方法主要有以下幾種:
[0005]1、參考文獻(xiàn)I:(馬曉川，等.高靈敏度穩(wěn)定光纖光柵溫度傳感器的研究[J].光電子激光，2013，07期.)，介紹了一種光纖溫度傳感器，利用壓力去敏。當(dāng)只要光柵處于恒壓條件，便可消除交叉敏感，該方案需要恒壓才能去掉應(yīng)變的交叉干擾。
[0006]2、參考文獻(xiàn)2:(何少靈等，溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)母呔裙饫w光柵壓力傳感器，中國(guó)激光，2015，，4(6);)，介紹了一種光纖光柵壓力傳感器，利用溫度補(bǔ)償去敏。溫補(bǔ)光柵與彈性膜片分離，使其對(duì)溫度響應(yīng)基本相同，從而使應(yīng)變測(cè)量不受環(huán)境溫度的影響。該方案中，溫度補(bǔ)償封裝法只是消除了光纖光柵熱敏的熱膨脹部分，并沒(méi)有消除光敏部分，因此在溫度封裝金屬中，對(duì)封裝材料的膨脹系數(shù)、封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面要求較高。
[0007]3、參考文獻(xiàn)3:(禹大寬等.新穎的光纖光柵溫度壓力同時(shí)區(qū)分測(cè)量傳感器[J].光電子激光，2007( 10): 1146-1149.)，介紹了一種分段封裝的光纖布拉格光柵(FBG，F(xiàn)iberBragg Grating)，使其產(chǎn)生兩個(gè)光柵的效果，一個(gè)光纖布拉格光柵同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度，另一個(gè)光纖布拉格光柵只對(duì)溫度做檢測(cè)，測(cè)得的波長(zhǎng)漂移量相減即可求得溫度和壓力的變化以解決交叉敏感問(wèn)題。該方法的不足之處在于封裝手段容易產(chǎn)生反射光譜的啁啾問(wèn)題。
[0008]目前，光纖光柵陣列的傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前研究的熱門方向，它也存在不足和缺點(diǎn)，如光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)力的交叉影響，復(fù)用能力低等缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)由于受到光源譜寬的限制，復(fù)用容量只能達(dá)到數(shù)十個(gè)。時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)可以在時(shí)域上大大增加系統(tǒng)的復(fù)用容量，但是傳輸?shù)乃p和光源強(qiáng)度有限，復(fù)用的光柵數(shù)量也僅為數(shù)十個(gè)。另外頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)、碼分多址復(fù)用(CDMA)技術(shù)，也均在一定程度上受到帶寬和傳輸損耗的限制。如何提高傳感網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用能力，光纖光柵溫度應(yīng)變的分離傳感，是其重點(diǎn)和難點(diǎn)，上述幾種方法難以滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的就是要提供一種穩(wěn)定性好的雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)及分布式傳感息獲取方法。
[0010]為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:它包括掃描激光器、半導(dǎo)體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、光環(huán)形器、光電探測(cè)器，解調(diào)儀、脈沖函數(shù)發(fā)生器、光連接器和雙芯光纖光柵陣列，其中，掃描激光器的輸出端連接半導(dǎo)體光放大器的輸入端，半導(dǎo)體光放大器的輸出端連接光環(huán)形器的第一接口，光連接器的第一接口連接光環(huán)形器的第二接口，光連接器的第二接口連接雙芯光纖光柵陣列中的第一光纖光柵陣列，光連接器的第三接口連接雙芯光纖光柵陣列中的第二光纖光柵陣列，光環(huán)形器的第三接口連接光電探測(cè)器的輸入端，光電探測(cè)器的光柵波長(zhǎng)探測(cè)電信號(hào)輸出端連接解調(diào)儀的光柵波長(zhǎng)探測(cè)電信號(hào)輸入端，脈沖函數(shù)發(fā)生器的半導(dǎo)體光放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接半導(dǎo)體光放大器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，脈沖函數(shù)發(fā)生器的解調(diào)控制信號(hào)輸出端連接解調(diào)儀的解調(diào)控制信號(hào)輸入端，解調(diào)儀的脈沖函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接脈沖函數(shù)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，所述第一光纖光柵陣列的中心波長(zhǎng)和第二光纖光柵陣列的中心波長(zhǎng)隨雙芯光纖光柵陣列所受溫度和/或應(yīng)變的改變而變化，且在每個(gè)時(shí)刻第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中的兩個(gè)中心波長(zhǎng)不相等。
[0011]—種利用上述雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)獲取分布式傳感信息的方法，包括如下步驟:
[0012]步驟I:掃描激光器輸出窄帶直流激光；
[0013]步驟2:半導(dǎo)體光放大器在脈沖函數(shù)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)下將窄帶直流激光在時(shí)域上進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制形成脈沖光信號(hào)；
[0014]步驟3:脈沖光信號(hào)通過(guò)光環(huán)形器和光連接器進(jìn)入作為傳感載體的雙芯光纖光柵陣列的第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中；
[0015]步驟4:由雙芯光纖光柵陣列的第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列反射的脈沖光信號(hào)經(jīng)過(guò)光環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器；
[0016]步驟5:光電探測(cè)器將反射的脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的光柵波長(zhǎng)探測(cè)電信號(hào)輸送給解調(diào)儀，同時(shí)，脈沖函數(shù)發(fā)生器將解調(diào)控制信號(hào)輸送給解調(diào)儀；
[0017]步驟6:解調(diào)儀在解調(diào)控制信號(hào)的控制下將光柵波長(zhǎng)探測(cè)電信號(hào)解調(diào)為空間場(chǎng)內(nèi)的分布式傳感信息。
[0018]本發(fā)明的原理為:雙芯光纖光柵在制作時(shí)，纖芯折射率的差異會(huì)帶來(lái)兩個(gè)中心波長(zhǎng)的光纖光柵，雙光纖光柵對(duì)溫度、應(yīng)力等存在固有的敏感特性，即不同的敏感系數(shù)(波長(zhǎng)/應(yīng)力;波長(zhǎng)/溫度等)，通過(guò)兩組不同的敏感系數(shù)，雙芯光纖光柵的反射譜將出現(xiàn)兩個(gè)中心波長(zhǎng)，能記錄兩個(gè)參量的變化，通過(guò)對(duì)其敏感系數(shù)的標(biāo)定，能將溫度與應(yīng)力的交叉敏感問(wèn)題解決。
[0019]本發(fā)明提出的雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)及分布式傳感信息獲取方法，一方面，雙芯光纖中折射率的差異，在刻寫光柵過(guò)程中會(huì)帶來(lái)成柵中心波長(zhǎng)的不同，相當(dāng)于在一個(gè)光纖上同時(shí)刻寫了兩個(gè)光柵，固有特性能夠?qū)囟扰c應(yīng)力的交叉影響分離解調(diào)；另外一方面，在拉制光纖的過(guò)程中直接將光柵進(jìn)行在線刻寫，單芯光纖光柵的反射率、中心波長(zhǎng)和帶寬等光學(xué)參數(shù)均相同，該雙芯光纖光柵的陣列，由于其窄帶寬、弱反射的特點(diǎn)，光源譜寬與傳輸損耗的限制大大減少，復(fù)用容量與傳感距離能得到大幅提高。
[0020]另外，傳統(tǒng)的分布式光柵，是多個(gè)光柵焊接(焊接會(huì)帶來(lái)熔接損耗)，本發(fā)明采用的在線刻寫方式避免了熔接損耗，同時(shí)，在傳統(tǒng)焊接的過(guò)程中會(huì)有虛焊或者焊點(diǎn)，虛焊或者焊點(diǎn)會(huì)帶來(lái)新的反射信號(hào)，影響解調(diào)的穩(wěn)定性;本發(fā)明還具有無(wú)溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明中雙芯光纖光柵陣列的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明中單個(gè)雙芯光纖光柵受溫度變化的光譜圖；
[0024]圖4為本發(fā)明中單個(gè)雙芯光纖光柵受應(yīng)力變化的光譜圖；
[0025]圖5為本發(fā)明中雙芯光纖光柵的溫度/應(yīng)力敏感特性曲線。
[0026]其中，I一掃描激光器、2—半導(dǎo)體光放大器、3—光隔離器、4一光環(huán)形器、5—光電探測(cè)器、6—解調(diào)儀、7—脈沖函數(shù)發(fā)生器、8—光連接器、9一雙芯光纖光柵陣列、9.1一第一光纖光柵陣列、9.2—第二光纖光柵陣列。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0028]如圖1和2所不的雙芯光纖光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)，它包括掃描激光器1、半導(dǎo)體光放大器2、光環(huán)形器4、光電探測(cè)器5、解調(diào)儀6、脈沖函數(shù)發(fā)生器7、光連接器8和雙芯光纖光柵陣列9，其中，掃描激光器I的輸出端連接半導(dǎo)體光放大器2的輸入端，半導(dǎo)體光放大器2的輸出端連接光環(huán)形器4的第一接口，光連接器8的第一接口連接光環(huán)形器4的第二接口，光連接器8的第二接口連接雙芯光纖光柵陣列9中的第一光纖光柵陣列9.1，光連接器8的第三接口連接雙芯光纖光柵陣列9中的第二光纖光柵陣列9.2，光環(huán)形器4的第三接口連接光電探測(cè)器5的輸入端，光電探測(cè)器5的光柵波長(zhǎng)探測(cè)電信號(hào)輸出端連接解調(diào)儀6的光柵波長(zhǎng)探測(cè)電信號(hào)輸入端，脈沖函數(shù)發(fā)生器7的半導(dǎo)體光放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接半導(dǎo)體光放大器2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，脈沖函數(shù)發(fā)生器7的解調(diào)控制信號(hào)輸出端連接解調(diào)儀6的解調(diào)控制信號(hào)輸入端，解調(diào)儀6的脈沖函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接脈沖函數(shù)發(fā)生器7的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，所述第一光纖光柵陣列9.1的中心波長(zhǎng)和第二光纖光柵陣列9.2的中心波長(zhǎng)隨雙芯光纖光柵陣列9所受溫度和/或應(yīng)變的改變而變化，且在每個(gè)時(shí)刻第一光纖光柵陣列9.1和第二光纖光柵陣列9.2中的兩個(gè)中心波長(zhǎng)不相等。雙光柵的中心波長(zhǎng)由于雙芯折射率的差異會(huì)有不同，它能檢測(cè)物理多參量的變化值(溫度，應(yīng)力，彎曲等)，根據(jù)兩組光纖光柵對(duì)溫度、應(yīng)力的不同固有敏感特性，通過(guò)數(shù)據(jù)處理能解決溫度應(yīng)力交叉敏感。上述的雙芯光纖光柵陣列9 一方面通過(guò)反射光強(qiáng)與激光波長(zhǎng)的關(guān)系可由中心波長(zhǎng)漂移量推算被測(cè)量大??；另一方面，通過(guò)反射光強(qiáng)與時(shí)間之間的關(guān)系，由反射光脈沖與輸入光脈沖的時(shí)間延遲推算出被測(cè)量的空間位置。該發(fā)明能有效解決光纖光柵應(yīng)力交叉敏感的問(wèn)題，并能進(jìn)行多參量的測(cè)量，有效的提高光纖光柵的復(fù)用能力，以彌補(bǔ)現(xiàn)有光纖傳感技術(shù)的不足，為光纖傳感網(wǎng)絡(luò)提出新的方法。
[0029]上述技術(shù)方案中，它還包括光隔離器3，所述半導(dǎo)體光放大器2的輸出端通過(guò)光隔離器3連接光環(huán)形器4的第一接口。
[0030]上述技術(shù)方案中，所述掃描激光器I輸出激光的波長(zhǎng)范圍為1510?1590nm。這個(gè)波長(zhǎng)的波段范圍適合大多數(shù)傳感器系統(tǒng)所使用的光學(xué)器件，滿足了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性的要求。
[0031]上述技術(shù)方案中，所述半導(dǎo)體光放大器2能將掃描激光器I輸出的激光的光強(qiáng)值提高15?25dB。上述光強(qiáng)值提高值與解調(diào)中分布式個(gè)數(shù)以及精度相匹配。