[发明专利]基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体是一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器。

背景技术

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且具有谐振波长对应力、应变、温度、反射率、浓度等外界条件比较敏感的特点，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

应力、应变、温度、反射率、浓度等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化，因此测量光栅谐振波长的变化就可以获得周围环境参量的变化。

将多个光栅组合起来作为传感原件，也可以制作传感器，比如说基于波长编码的光纤光栅组应力传感器或基于幅度编码的光纤光栅组应力传感器。其中基于波长编码的光纤光栅组应力传感器是将具有不同谐振波长的多个光纤布拉格光栅写入同一光纤中，然后接宽谱光源并用光谱仪观察反射谱。可以观察到反射谱为多个具有不同中心波长的反射峰。当对其中某一个光栅施加应力时，其对应的谐振波长就会发生改变，反映到光谱图中相应波长的反射峰就会发生漂移，然后根据波长的漂移量可以得出应力所处位置和所受应力大小。另外基于幅度编码的光纤光栅组应力传感器是将多个具有相同谐振波长而具有不同反射率的光纤布拉格光栅写入同一光纤中，然后接宽谱光源并用光谱仪观察反射谱。可以观察到反射谱为只有一个具有一定功率值的反射峰，由于各个光栅的反射率是已知的，故各个光栅的反射光功率对此反射峰的功率贡献值是一定的。当对其中某一个光栅施加应力时，其对应的谐振波长就会发生改变，则此光栅对原反射峰的功率贡献就会失去，于是通过原反射峰功率值的改变量就可以得出应力所处位置和所受应力大小。

对于上述第一种传感器，不能设定的波长太多，从而限制了光栅的个数，也就限制了传感范围和传感精度。对于上述第二种传感器，光栅的个数也不能太多，因为光栅太多，每个光栅的功率贡献值太小，也会影响传感精度。

发明内容

本发明提出了一种基于波长和幅度双编码的不规则光纤光栅组应力传感器，该传感器将波长编码和幅度编码结合在一起，并采用不规则的光纤光栅组分布形式。本发明可以排除各个谐振峰两侧的旁瓣干扰，从而可以增加传感器的传感精度。

本发明采取了如下技术方案：包括宽谱光源、环行器、单模光纤、切趾光栅组、折射率匹配液、光谱仪和计算机处理系统，其中，环形器的第一端口与宽谱光源相连接，环形器的第二端口依次与单模光纤、切趾光栅组相连接，切趾光栅组尾端插入折射率匹配液中，环形器的第三端口与光谱仪相连接，光谱仪将接收的信号传送给计算机处理系统，所述切趾光栅组由M×N个切趾光栅构成，该切趾光栅组中包括M种不同谐振波长，每种谐振波长中又包括N个具有相同谐振波长但反射率不同的切趾光栅，M、N均为大于等于2的整数。

所述切趾光栅组中的每N个具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅在整个光栅组中按照反射率从小到大或从大到小的顺序排列。

所述切趾光栅组中的谐振波长采用不规则的方式排布，即M个不同谐振波长任意排列。

具有相同谐振波长不同反射率的切趾光栅之间不相邻排列，之间排列有其他谐振波长的切趾光栅。

切趾光栅序列中各光栅按如下规则进行编码：

对M个谐振波长采用二进制码进行编码；

对每N个具有相同谐振波长的光栅按照反射率从小到大或从大到小的顺序采用二进制码进行编码；

将上述得到的谐振波长的编码和具有此谐振波长的某个反射率的光栅的编码组合在一起，此码字唯一确定一个光栅，然后将此码字、此光栅在切趾光栅组中所处的位置参数和此光栅的反射率参数一并存储到计算机处理系统中。

当整个系统处于工作状态时，如果不受外力影响，光谱仪显示为M个具有不同中心波长的反射峰。由于具有同一谐振波长的不同反射率的各光栅共同决定此谐振波长处反射功率值的大小，本发明根据不同的谐振波长和不同的反射率，对每一个切趾光栅进行编码，并将编码和光栅所处位置参数和功率参数对应存储到计算机处理系统中。当某一个光栅处受到应力作用时，其谐振波长就要发生改变，其对原谐振波长处的反射功率值的贡献就会失去，反映到光谱仪上以此光栅原谐振波长为中心波长的反射峰波形就会产生相应的变化，然后将变化后的结果输入到计算机处理系统中，经过计算机处理系统计算分析便可得知应力所处位置和所受应力大小。