基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明為基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，所用系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光光源、分光器、上位機(jī)、光功率計(jì)和n個(gè)光纖光柵傳感器。本實(shí)時(shí)測(cè)量方法的步驟為：Ⅰ、實(shí)驗(yàn)取得各光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)與標(biāo)定的待測(cè)物理量之間的線性關(guān)系式的標(biāo)定參數(shù)；Ⅱ、生成n個(gè)光纖光柵傳感器的參考數(shù)據(jù)表；Ⅲ、實(shí)測(cè)各個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的物理參量。本法上位機(jī)控制激光光源先對(duì)各FBG進(jìn)行參考掃描，得到各FBG的參考數(shù)據(jù)表，實(shí)測(cè)時(shí)先按表依次輸出特定波長(zhǎng)，測(cè)量反射光功率，由此根據(jù)參考數(shù)據(jù)表調(diào)整特定輸出波長(zhǎng)和計(jì)算各FBG中心波長(zhǎng)的偏移量并進(jìn)行解調(diào)。測(cè)量速度大大提高，保證測(cè)量實(shí)時(shí)性；測(cè)量精度高，可檢測(cè)低至0.1pm波長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)的物理量變化。
【專利說(shuō)明】基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法
(一)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電檢測(cè)領(lǐng)域，具體為一種基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵成熟的制作方法極大地推動(dòng)了光纖光柵應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，使得光纖光柵成為最有發(fā)展前途的無(wú)源器件之一。其典型的應(yīng)用是光纖光柵傳感器，具有電絕緣性良好，抗電磁干擾(EMI)和抗射頻干擾(RFI)能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐蝕，體積小、重量輕，傳輸損耗小、容量大，結(jié)構(gòu)形式靈活、靈敏度高等特性，故其構(gòu)成的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及振動(dòng)等多參量檢測(cè)的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)有突出的優(yōu)勢(shì)，正逐漸取代傳統(tǒng)傳感器而成為傳感器家族的主力軍。
[0003]光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,縮寫為FBG)是利用光纖材料的光敏特性，以一定的寫入技術(shù)在裸光纖的一段范圍內(nèi)寫入具有周期性折射率的芯內(nèi)體光柵，其實(shí)質(zhì)作用是在纖芯內(nèi)形成以共振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器，寬帶光源或可調(diào)諧光源輸出光經(jīng)過(guò)光柵時(shí)，光譜中以光柵的Bragg波長(zhǎng)為中心的窄帶光譜在光柵處被反射而被解調(diào)，其他大部分光將發(fā)生透射而沿原來(lái)方向傳輸。光纖光柵纖芯在外界溫度、應(yīng)力等物理量的作用下，折射率將發(fā)生改變，從而引起光柵反射光中心波長(zhǎng)漂移。此特性即為光纖布拉格光柵傳感器的工作原理，通過(guò)檢測(cè)反射光波長(zhǎng)的變化即可得出光纖光柵傳感器所處環(huán)境待測(cè)物理量的變化。
[0004]目前，光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)光源采用寬帶激光光源或者連續(xù)可調(diào)諧激光光源。采用寬帶激光光源的光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)最大缺點(diǎn)是光源輸出的光功率密度低，有效功率僅為其輸出總功率的千分之一以下，因而，該系統(tǒng)的光纖傳感器只能在近距離范圍內(nèi)使用，且測(cè)量點(diǎn)數(shù)較少。順應(yīng)光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)向著波分復(fù)用和光纖傳感網(wǎng)的方向發(fā)展趨勢(shì)，光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)采用可調(diào)諧激光光源，提高了功率和分辨率。但目前可調(diào)諧激光光源主要采用連續(xù)掃描方式，只有對(duì)應(yīng)光纖傳感器設(shè)定波長(zhǎng)(或者頻率)的部分功率得到應(yīng)用，因此激光功率利用不充分，測(cè)量速度受限，其分辨率也有待提高。
(二)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，在可調(diào)諧激光光源的光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)中采用波分復(fù)用方法，提高了測(cè)量速度和分辨率。
[0006]本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，本方法所用的基于布拉格光纖光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光光源、分光器、上位機(jī)、光功率計(jì)和η個(gè)光纖光柵傳感器。所述光纖光柵傳感器為光纖布拉格光柵傳感器(Fiber BraggGrating Sensor,FBG)0上位機(jī)連接控制可調(diào)諧激光光源和光功率計(jì),可調(diào)諧激光光源連接一個(gè)3dB稱合器,激光從3dB稱合器的一個(gè)分光端口輸入、到達(dá)其合路端口串接的η個(gè)光纖光柵傳感器，η為I~120的整數(shù)。3dB耦合器的另一分光端口接至光功率計(jì)，用以捕獲該3dB耦合器合路端串聯(lián)的η個(gè)光纖光柵傳感器的反射光功率，并且功率計(jì)的同步觸發(fā)輸入口連接可調(diào)諧激光光源的同步觸發(fā)輸出口，使功率計(jì)采集數(shù)據(jù)與光源波長(zhǎng)變化同步。
[0007]每個(gè)光纖光柵傳感器有一定的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍,其反射光譜在此范圍內(nèi)出現(xiàn)功率反射波峰，功率的峰值Pmax對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為中心波長(zhǎng)λ。，也即為該光纖光柵傳感器波長(zhǎng)，功率峰值所處的波峰為主模。同時(shí)，定義與主模相鄰的最高邊模的波峰功率為主模底部功率Pfflin,主模波峰兩側(cè)譜線的功率Pmin處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之差為該光纖光柵傳感器反射光譜的帶
見(jiàn)入BW。
[0008]當(dāng)光纖光柵傳感器周圍外界環(huán)境的溫度、應(yīng)力等物理量發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)使纖芯光柵的有效折射率或周期隨之變化，故反射光譜在一定的范圍內(nèi)偏移，傳感器中心波長(zhǎng)改變，通過(guò)檢測(cè)各光纖光柵傳感器反射光譜的變化，即可從中解調(diào)得到外界特定物理量的變化。串聯(lián)的η個(gè)光纖光柵傳感器的工作波長(zhǎng)范圍無(wú)交叉重疊，即它們的反射光譜偏移范圍均不相同。根據(jù)外界測(cè)試條件，劃定η個(gè)光纖光柵傳感器的工作波長(zhǎng)范圍,且各光纖光柵傳感器的工作波長(zhǎng)范圍均屬于本系統(tǒng)使用的可調(diào)諧激光光源所覆蓋的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
[0009]當(dāng)η個(gè)光纖光柵傳感器的反射光譜的帶寬λ Bff相等，同時(shí)其測(cè)量物理量的動(dòng)態(tài)范圍也相等，即反射光譜偏移量△ λ相等，在保證各傳感器反射光譜波形完整性的基礎(chǔ)上，光纖光柵傳感器的數(shù)量η滿足:
[0010]η〈(λΑα-λΒΙ)/Λ λ
[0011]其中，λ -為本系統(tǒng)所用的可調(diào)諧激光光源的掃描波長(zhǎng)總帶寬。各個(gè)光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)偏移量△ λ越大，測(cè)試的物理量的動(dòng)態(tài)范圍就越大，但是復(fù)用的光纖光柵傳感器數(shù)量η將降低，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理分配傳感器數(shù)量和測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。
[0012]各光纖光柵傳感器對(duì)與其中心波長(zhǎng)相同的輸入光的反射率為80~90%。
[0013]本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量方法的工作步驟如下:
[0014]1、實(shí)驗(yàn)取得各光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)與標(biāo)定的待測(cè)物理量之間的線性關(guān)系式的標(biāo)定參數(shù)
[0015]光纖光柵傳感器的光譜偏移量與不同物理參量均視為線性關(guān)系式，但線性關(guān)系式中的斜率不同。如摻鍺熔融石英光纖制成的光纖光柵傳感器用于應(yīng)變測(cè)量時(shí)，其光纖光柵布拉格傳感器的波長(zhǎng)漂移與軸向應(yīng)變量之間的理論關(guān)系式表示為:
[0016]Δ λ =0.78 λ ε
[0017]ε是軸向應(yīng)變量，在1550nm窗口中其軸向應(yīng)變量響應(yīng)為:1.209pm/ μ ε。
[0018]而將摻鍺熔融石英光纖制成的光纖光柵傳感器用于溫度測(cè)量，其波長(zhǎng)偏移與溫度變化的理論關(guān)系式表示為:
[0019]Λ λ =8.85X 10-6 λ AT
[0020]Δ T是溫度變化量，在1550nm窗口中其溫度響應(yīng)約為:10pm/°C。
[0021 ] 由于光纖布拉格光柵傳感器的制作工藝和封裝材料的不同,各個(gè)光纖布拉格光柵傳感器與 相同的待測(cè)物理量的線性關(guān)系式中的響應(yīng)參數(shù)斜率和截距也會(huì)不同。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定各光纖布拉格光柵傳感器的中心波長(zhǎng)偏移量與待測(cè)物理量的線性關(guān)系式中的斜率和截距，才可由光纖布拉格光柵傳感器的中心波長(zhǎng)偏移解調(diào)得到被測(cè)物理量的變化。
[0022]使用標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)定待測(cè)物理量至少三個(gè)不同的值，同時(shí)記錄在各標(biāo)定的待測(cè)物理量作用下對(duì)應(yīng)的各光纖布拉格光柵傳感器的中心波長(zhǎng)，使用線性擬合方法計(jì)算待測(cè)物理量與光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)的線性關(guān)系式，并且記錄此線性方程式的響應(yīng)參數(shù)斜率和截距值。
[0023]當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)中使用的多個(gè)光纖布拉格光柵傳感器的制作材料、工藝和封裝方式均相同，可以標(biāo)定其中一個(gè)光纖布拉格光柵傳感器的響應(yīng)參數(shù)作為測(cè)量系統(tǒng)中使用的各光纖布拉格光柵傳感器共同的響應(yīng)參數(shù)，此種情況的測(cè)量精度不高。
[0024]I1、生成η個(gè)光纖光柵傳感器的參考數(shù)據(jù)表
[0025]在實(shí)時(shí)測(cè)試之前在初始狀態(tài)下，使用可調(diào)諧激光光源對(duì)η個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量η個(gè)串聯(lián)光纖光柵傳感器的反射光譜分布情況，功率單位為mw，一個(gè)波峰代表一個(gè)光纖光柵傳感器。第i個(gè)光纖光柵傳感器反射光譜主模峰值功率為Pimax、底部功率為Pimin，i為η個(gè)光纖光柵傳感器的序號(hào)，i=0, I, 2，3，……η_1。在第i個(gè)光纖光柵傳感器反射光譜主模波峰的任意一側(cè)選取具有單調(diào)性的一段譜線作為該光纖光柵傳感器的參考光譜，主模波峰左側(cè)為單調(diào)遞增，右側(cè)則單調(diào)遞減。參考光譜的上端點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ iH、對(duì)應(yīng)功率為PiH，其下端點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為、對(duì)應(yīng)功率為Ρα。即參考光譜上端點(diǎn)的 功率值PiH最大，最佳方案為選擇取PiH為主模峰值功率Pimax的90~95%，參考光譜的下端點(diǎn)的功率的值Pa最小，最佳方案為選擇取Pa為主模底部功率Pimin的105~110%。參考光譜對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度即為Xil^P 之差的絕對(duì)值，主要由光纖光柵傳感器的制作特性決定。為了方便計(jì)算，本系統(tǒng)各光纖光柵傳感器的參考光譜均取主模波峰左側(cè)或均取右側(cè)，從而得到以i為序的參考數(shù)據(jù)表，包括初始狀態(tài)下各個(gè)光纖光柵傳感器的反射光譜參數(shù)λ iE、A1、PiH以及Pv其中Xi為參考光譜的中間波長(zhǎng)，Xi第一次賦值為Xi=(XSUiJXill) ；λ?Ε=0.5| λ iH-AiL|D此外，還必須記錄該光纖光柵傳感器初始狀態(tài)下反射光譜的中心波長(zhǎng)值
入iC°
[0026]II1、實(shí)測(cè)各個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的物理參量
[0027]按照步驟II所得參考數(shù)據(jù)表中η個(gè)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)λ i依次設(shè)定可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)，使用光功率計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量各光纖光柵傳感器的反射光功率，記錄各λ i對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感器當(dāng)前的反射光功率，并計(jì)算各光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)偏移量△ λρ由于各個(gè)傳感器的工作波長(zhǎng)范圍不同，根據(jù)激光光源的輸出波長(zhǎng)和反射光功率即可以判定對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感器序號(hào)，進(jìn)而利用插值法由當(dāng)前反射光功率和參考表計(jì)算出各光纖光柵傳感器反射光譜的偏移。根據(jù)步驟I所得各光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)與待測(cè)物理量的線性關(guān)系式可以解調(diào)得到各傳感器所在測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的待測(cè)物理量，連續(xù)測(cè)量時(shí)即可得到該待測(cè)物理量的緩變情況。具體步驟如下:
[0028]1、設(shè)置 i=0 ；
[0029]i1、設(shè)置可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)為入i ;
[0030]ii1、通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量第i個(gè)光纖光柵傳感器反射光功率值Pi并根據(jù)步驟I所得參考數(shù)據(jù)表的第i個(gè)光纖光柵傳感器相應(yīng)功率值進(jìn)行判斷:
[0031]ii1-1、當(dāng) PiL < Pi < PiH，執(zhí)行步驟iv ；
[0032]ii1-2、當(dāng)Pi≤Ρα，調(diào)整可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)，[0033]當(dāng)參考光譜處于主模波峰左側(cè)設(shè)置λ i= λ ^ λ iE，
[0034]當(dāng)參考光譜處于主模波峰右側(cè)設(shè)置λ i= λλ iE，
[0035]之后返回執(zhí)行步驟ii ；
[0036]iii _3、當(dāng)Pi≤PiH，調(diào)整可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)，
[0037]當(dāng)參考光譜處于主模波峰左側(cè)設(shè)置入f λ iE，
[0038]當(dāng)參考光譜處于主模波峰右側(cè)設(shè)置入f λ iE，
[0039]之后返回執(zhí)行步驟ii ；
[0040]iv、計(jì)算反射光譜偏移量，實(shí)時(shí)解調(diào)待測(cè)物理量；在步驟II所得參考數(shù)據(jù)表中，利用插值法得出該光纖光柵傳感器當(dāng)前功率值Pi對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值λ/，將λ/與當(dāng)前可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)Ai相比較，由此計(jì)算其反射光譜中心波長(zhǎng)的偏移量Λ Ai=A1-Ai'，根據(jù)步驟II得到的第i個(gè)光纖光柵傳感器發(fā)射光譜初始狀態(tài)中心波長(zhǎng)λ iC計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)光纖光柵傳感器的發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)為.)' iC=iC+A λ i，進(jìn)而解調(diào)得到溫度、或壓力、或應(yīng)力等待測(cè)物理參量的數(shù)據(jù)。
[0041]V、當(dāng)i=n_l，未收到停止命令的情況下跳至步驟i，若收到停止命令則運(yùn)行結(jié)束；當(dāng)i-1,設(shè)置i=i+l,跳至步驟ii。[0042]IV、持續(xù)實(shí)時(shí)解調(diào)待測(cè)物理量
[0043]不斷循環(huán)執(zhí)行步驟III，對(duì)η個(gè)光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)持續(xù)循環(huán)測(cè)定和對(duì)待測(cè)物理量持續(xù)解調(diào)，實(shí)時(shí)跟蹤緩變的待測(cè)物理量，直至接收到停止命令，運(yùn)行停止。
[0044]本發(fā)明基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)為:1、上位機(jī)控制可調(diào)諧激光光源先對(duì)各光纖光柵傳感器進(jìn)行參考掃描，得到各光纖光柵傳感器的參考數(shù)據(jù)表，實(shí)測(cè)時(shí)只需按照該表上各光纖光柵傳感器的參考光譜中間波長(zhǎng)λ i依次設(shè)定可調(diào)諧激光光源輸出特定波長(zhǎng)，測(cè)定各個(gè)光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的偏移量并進(jìn)行解調(diào)，每次測(cè)定某個(gè)光纖光柵傳感器反射光譜的偏移，無(wú)需可調(diào)諧激光光源在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，從而使測(cè)量速度大大提高，保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性；2、測(cè)量精度高，可以檢測(cè)低至0.1pm波長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)的物理量變化。
(四)【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1為本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例所用某個(gè)光纖布拉格光柵傳感器反射光譜圖；
[0046]圖2為本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例所用基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖3為本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例的流程圖；
[0048]圖4為本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例所用3個(gè)光纖布拉格光柵傳感器初始狀態(tài)的部分反射光譜圖。
(五)【具體實(shí)施方式】
[0049]本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例所用第i個(gè)光纖布拉格光柵傳感器反射光譜圖如圖1所示，其反射光譜有主模和邊模。主模波峰峰值功率為Pimax，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為該光纖布拉格光柵傳感器的中心波長(zhǎng)λ iC；，也即為該光纖光柵傳感器波長(zhǎng)。同時(shí)，定義與主模相鄰的最高邊模的波峰功率為主模底部功率Pimin,主模波峰兩側(cè)譜線的功率Pimin處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之差為該光纖光柵傳感器反射光譜的帶寬λ iBW。
[0050]本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例所用的基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括可調(diào)諧激光光源、分光器、上位機(jī)、光功率計(jì)和η個(gè)光纖光柵傳感器，圖中虛線表光路。所述光纖光柵傳感器為光纖布拉格光柵傳感器(FBG)，本例采用摻鍺熔融石英光纖制成，且為未進(jìn)行封裝、未加保護(hù)管的裸纖布拉格光柵傳感器。上位機(jī)連接控制可調(diào)諧激光光源和光功率計(jì)，可調(diào)諧激光光源連接一個(gè)3dB率禹合器，激光從3dB稱合器的一個(gè)分光端口輸入、到達(dá)其合路端口串接的η個(gè)光纖光柵傳感器。3dB耦合器的另一分光端口接至光功率計(jì)，并且同步電纜連接功率計(jì)的同步觸發(fā)輸入口和可調(diào)諧激光光源的同步觸發(fā)輸出口。
[0051]各光纖光柵傳感器對(duì)與其中心波長(zhǎng)相同的輸入光的反射率為80~90%。本例為用于鋼片的應(yīng)變測(cè)量的方法。
[0052]本例可調(diào)諧激光光源的調(diào)諧范圍為1524~1610nm，總帶寬λ ALL為86nm，假設(shè)待測(cè)應(yīng)變量范圍為±400 μ ε ,那么各光纖光柵傳感器反射譜的偏移入(1范圍約為±0.49nm,即各傳感器反射光譜的中心波長(zhǎng)間隔必須>0.98nm，假設(shè)各傳感器的最大工作帶寬λ Μ為
0.53nm,那么，串聯(lián)的傳感器數(shù)量必須滿足n〈 ( λ ALL- λ BW) / λ d，故n最大值為87。本例取n=3。
[0053]本基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量方法實(shí)施例流程圖如圖3所示，具體工作步驟如下:
[0054]1、實(shí)驗(yàn)取得各光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)與標(biāo)定的待測(cè)物理量之間的線性關(guān)系式的標(biāo)定參數(shù)
[0055]本例中，將3個(gè)光纖布拉格光柵(FBG)傳感器并行粘貼于鋼片的中部，鋼片的一端固定、鋼片呈水平，鋼片另一端連接彈壓片一端，在彈壓片另一端懸掛砝碼，砝碼重量不同，彈壓片懸掛砝碼的一端上下活動(dòng)、彈壓片對(duì)鋼片產(chǎn)生拉應(yīng)力。本例設(shè)定未懸掛砝碼的狀態(tài)為初始狀態(tài)，鋼片的應(yīng)變?yōu)镺。在靠近FBG傳感器的鋼片上粘貼應(yīng)變電阻片，應(yīng)變電阻片連接靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，可測(cè)得鋼片的應(yīng)變電阻值，并由此得到鋼片的應(yīng)變量。本例改變彈壓片懸掛的砝碼重量，標(biāo)定三個(gè)不同的鋼片應(yīng)變量值，同時(shí)記錄在各標(biāo)定的應(yīng)變量作用下對(duì)應(yīng)的各光纖布拉格光柵傳感器的中心波長(zhǎng)，所得數(shù)據(jù)如表1所不。本例3個(gè)光纖布拉格光柵傳感器的序號(hào)為i=0、l、2。
[0056]表1標(biāo)定鋼片應(yīng)變量下各FBG傳感器的中心波長(zhǎng)
[0057]
【權(quán)利要求】
1.基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，本方法所用的基于布拉格光纖光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光光源、分光器、上位機(jī)、光功率計(jì)和η個(gè)光纖光柵傳感器；所述光纖光柵傳感器為光纖布拉格光柵傳感器；上位機(jī)連接控制可調(diào)諧激光光源和光功率計(jì)，可調(diào)諧激光光源連接一個(gè)3dB耦合器，激光從3dB耦合器的一個(gè)分光端口輸入、到達(dá)其合路端口串接的η個(gè)光纖光柵傳感器，η為I~120的整數(shù)；3dB耦合器的另一分光端口接至光功率計(jì)，；并且功率計(jì)的同步觸發(fā)輸入口連接可調(diào)諧激光光源的同步觸發(fā)輸出口 ；每個(gè)光纖光柵傳感器有一定的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍，其反射光譜在此范圍內(nèi)出現(xiàn)功率反射波峰，功率的峰值Pmax對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為中心波長(zhǎng)λ c,與主模相鄰的最高邊模的波峰功率為主模底部功率Pmin，主模波峰兩側(cè)譜線的功率Pmin處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之差為該光纖光柵傳感器反射光譜的帶寬Xbw ;各光纖光柵傳感器對(duì)與其中心波長(zhǎng)相同的輸入光的反射率為80~90% ；其特征在于本實(shí)時(shí)測(cè)量方法的工作步驟如下: 1、實(shí)驗(yàn)取得各光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)與標(biāo)定的待測(cè)物理量之間的線性關(guān)系式的標(biāo)定參數(shù) 使用標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)定待測(cè)物理量至少三個(gè)不同的值，同時(shí)記錄在各標(biāo)定的待測(cè)物理量作用下對(duì)應(yīng)的各光纖布拉格光柵傳感器的中心波長(zhǎng)，使用線性擬合方法計(jì)算待測(cè)物理量與光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)的線性關(guān)系式，并且記錄此線性方程式的響應(yīng)參數(shù)斜率和截距值； I1、生成η個(gè)光纖光柵傳感器的參考數(shù)據(jù)表 在實(shí)時(shí)測(cè)試之前在初始狀態(tài)下，使用可調(diào)諧激光光源對(duì)η個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量η個(gè)串聯(lián)光纖光柵傳感器的反射光譜分布情況，功率單位為mw，一個(gè)波峰代表一個(gè)光纖光柵傳感器；第i個(gè)光纖光柵傳感器反射光譜主模峰值功率為Pimax、底部功率為Pimin，i為η個(gè)光纖光柵傳感器的序號(hào)，i=0, I, 2，3，......η_1 ;在第i個(gè)光纖光柵傳感器反射光譜主模波峰的任意一側(cè)選取具有單調(diào)性的一段譜線作為該光纖光柵傳感器的參考光譜；參考光譜的上端點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ iH、對(duì)應(yīng)功率為PiH，其下端點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ對(duì)應(yīng)功率為PiL，本系統(tǒng)各光纖光柵傳感器的參考光譜均取主模波峰左側(cè)或均取右側(cè)，從而得到以i為序的參考數(shù)據(jù)表，包括初始狀態(tài)下各個(gè)光纖光柵傳感器的反射光譜參數(shù)AiE、A1、PiH以及Pv其中Xi為參考光譜的中間波長(zhǎng)，Xi第一次賦值為Xi=(XSUiJXill) ；λ?Ε=0.5| λ iH-AiL| ;同時(shí)記錄該光纖光柵傳感器初始狀態(tài)下反射光譜的中心波長(zhǎng)值λ iC ； II1、實(shí)測(cè)各個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的物理參量 按照步驟II所得參考數(shù)據(jù)表中η個(gè)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)λ i依次設(shè)定可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)，使用光功率計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量各光纖光柵傳感器的反射光功率，記錄各λ i對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感器當(dāng)前的反射光功率，并計(jì)算各光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)偏移量△ Xi ;根據(jù)可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)和反射光功率判定對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感器序號(hào)，利用插值法由當(dāng)前反射光功率和參考數(shù)據(jù)表計(jì)算各光纖光柵傳感器反射光譜的偏移；根據(jù)步驟I所得各光纖布拉格光柵傳感器中心波長(zhǎng)與待測(cè)物理量的線性關(guān)系式解調(diào)得到各傳感器所在測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的待測(cè)物理量； IV、持續(xù)實(shí)時(shí)解調(diào)待測(cè)物理量 不斷循環(huán)執(zhí)行步驟III，對(duì)η個(gè)光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)持續(xù)循環(huán)測(cè)定和對(duì)待測(cè)物理量持續(xù)解調(diào)，實(shí)時(shí)跟蹤緩變的待測(cè)物理量，直至接收到停止命令，運(yùn)行停止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于所述步驟III的具體步驟如下: 1、設(shè)置i=0 ； ?、設(shè)置可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)為入i ； ii1、通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量第i個(gè)光纖光柵傳感器反射光功率值Pi并根據(jù)步驟I所得參考數(shù)據(jù)表的第i個(gè)光纖光柵傳感器相應(yīng)功率值進(jìn)行判斷:
ii1-1、當(dāng) PiL < Pi < PiH，執(zhí)行步驟iv ； iii _2、當(dāng)Pi ( Ρα，調(diào)整可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)， 當(dāng)參考光譜處于主模波峰左側(cè)設(shè)置λ i= λ i+ λ iE， 當(dāng)參考光譜處于主模波峰右側(cè)設(shè)置λ i= λ r λ iE， 之后返回執(zhí)行步驟ii ； iii _3、當(dāng)Pi ^ PiH，調(diào)整可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)， 當(dāng)參考光譜處于主模波峰左側(cè)設(shè)置λ i= λ r λ iE， 當(dāng)參考光譜處于主模波峰右側(cè)設(shè)置λ i= λ i+ λ iE， 之后返回執(zhí)行步驟ii ； iv、計(jì)算反射光譜偏移量，實(shí)時(shí)解調(diào)待測(cè)物理量；在步驟II所得參考數(shù)據(jù)表中，利用插值法得出該光纖光柵傳感器當(dāng)前功率`值Pi對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值λ/，將λ/與當(dāng)前可調(diào)諧激光光源的輸出波長(zhǎng)Ai相比較，由此計(jì)算其反射光譜中心波長(zhǎng)的偏移量Λ Ai=A1-Ai'，根據(jù)步驟II得到的第i個(gè)光纖光柵傳感器發(fā)射光譜初始狀態(tài)中心波長(zhǎng)λ iC計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)光纖光柵傳感器的發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)為iC=^iC+A λ i，進(jìn)而解調(diào)得到溫度、或壓力、或應(yīng)力等待測(cè)物理參量的數(shù)據(jù)； V、當(dāng)i=n_l，未收到停止命令的情況下跳至步驟i，若收到停止命令則運(yùn)行結(jié)束；當(dāng)i幸η-1，設(shè)置i=i+l，跳至步驟ii。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于: 當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)中使用的多個(gè)光纖布拉格光柵傳感器的制作材料、工藝和封裝方式均相同，所述步驟I標(biāo)定其中一個(gè)光纖布拉格光柵傳感器的響應(yīng)參數(shù)作為測(cè)量系統(tǒng)中使用的各光纖布拉格光柵傳感器共同的響應(yīng)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于: 所述步驟II中參考光譜上端點(diǎn)的功率值PiH為主模峰值功率Pimax的90~95%，參考光譜的下端點(diǎn)的功率的值Pa為主模底部功率Pimin的105~110%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于: 所述當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的η個(gè)光纖光柵傳感器的反射光譜的帶寬λ Bff相等，同時(shí)其測(cè)量物理量的動(dòng)態(tài)范圍也相等，即反射光譜偏移量△ λ相等，在保證各傳感器反射光譜波形完整性的基礎(chǔ)上，光纖光柵傳感器的數(shù)量η滿足:
η〈(入 ALL-入 BW) / A 入 其中，λ ALL為本系統(tǒng)所用的可調(diào)諧激光光源的掃描波長(zhǎng)總帶寬。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK103674079SQ201210363013
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月26日
【發(fā)明者】李嚴(yán), 趙克 申請(qǐng)人:桂林優(yōu)西科學(xué)儀器有限責(zé)任公司