基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力测量方法

摘要

基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力测量方法，本发明属于光纤光栅传感器测量领域。它是为了解决现有光纤光栅传感器常用的解调技术中，在测量静态拉力时，光纤光栅不具有温度自动补偿功能，进而导致测量过程受温度影响的问题。本发明所述的基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力测量方法，分束器将DFB激光器发出的窄带激光分成强度相同的两束激光，并分别经过两个光电探测器探测将光信号转化为电信号，数据处理模块将此电信号转化波长的调谐量，实现温度自动跟踪补偿；同时电压只与应力有关而与温度无关，从而使测量过程不会受温度影响。本发明适用于在光纤光栅传感器常用的解调技术中测量静态拉力或动态拉力。

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器测量领域。

背景技术

由于光纤光栅具有灵敏度高、抗电磁干扰、可远程感测、易埋植、易贴敷等优良特性， 因此在诸多领域得到了广泛的应用。DFB激光器分布式反馈激光器光纤光栅解调方法是光 纤光栅传感器常用的解调技术，然而此解调方法在测量静态拉力时不能对温度进行自动补 偿，因此限制了此方法的广泛使用。

发明内容

本发明是为了解决现有光纤光栅传感器常用的解调技术中，在测量静态拉力时，光纤 光栅不具有温度自动补偿功能，进而导致测量过程受温度影响的问题，现提供基于DFB激 光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力测量方法。

基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器，它包括：DFB激光器、分光器、第 一环形器、第二环形器、传感光纤光栅、匹配光纤光栅、第一光电探测器、第二光电探测 器、数据处理模块和波长调制器；

DFB激光器发出的激光入射到分光器中，分光器将该激光分成强度相同的两束激光；

一束激光经第一环形器透射到传感光纤光栅中，经该传感光纤光栅反射的激光发送给 第一环形器，经第一环形器透射后的激光束入射到第一光电探测器的光敏面上；

另一束激光经第二环形器透射到匹配光纤光栅中，经该匹配光纤光栅反射的激光发送 给第二环形器，经第二环形器透射后的激光束入射到第二光电探测器的光敏面上；

第一光电探测器的信号输出端和第二光电探测器的信号输出端同时连接数据处理模块 的信号输入端，数据处理模块器信号输出端连接波长调制器的信号输入端，波长调制器的 信号输出端连接DFB激光器的信号输入端；

数据处理模块中嵌入有软件实现的控制模块，该控制模块包括：

根据第二光电探测器的输出电压V₂，获得温度变化ΔT时，DFB激光器输出激光波长 的调谐量的单元；

根据第一光电探测器的输出电压V₁，获得应力P的单元。

基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力测量方法，该方法是基于下述装置实现的， 所述装置包括：

DFB激光器、分光器、第一环形器、第二环形器、传感光纤光栅、匹配光纤光栅、第 一光电探测器和第二光电探测器；

DFB激光器发出的激光入射到分光器中，分光器将该激光分成强度相同的两束激光；

一束激光经第一环形器透射到传感光纤光栅中，经该传感光纤光栅反射的激光发送给 第一环形器，经第一环形器透射后的激光束入射到第一光电探测器的光敏面上；

另一束激光经第二环形器透射到匹配光纤光栅中，经该匹配光纤光栅反射的激光发送 给第二环形器，经第二环形器透射后的激光束入射到第二光电探测器的光敏面上；所述基 于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力测量方法包括以下步骤：

步骤一：待测应力P径向作用于传感光纤光栅，开启DFB激光器，获得第二光电探测 器的输出电压V₂；然后执行步骤二；

步骤二：根据步骤一获得的第二光电探测器的输出电压V₂，获得温度变化ΔT时，DFB 激光器输出激光波长的调谐量，然后执行步骤三；

步骤三：根据步骤二获得的波长的调谐量对DFB激光器输出的激光进行调谐，然后执 行步骤四；

步骤四：采集第一光电探测器的输出电压V₁，根据下述公式：

V₁=k₁I₀β₁(1-P_ε)λ₁₀P/(2E)+k₁I₀β₁λ₁₀/2+Bβ₁

求解待测应力P，实现对应力的测量；

其中，β₁表示第一光电探测器的光电转换因子；k₁表示传感光纤光栅的反射率下降沿 的斜率；I₀表示DFB激光器输出激光的光强；B为常数；P_e表示有效光弹系数，E为弹性 模量，λ₁₀表示表示传感光纤光栅反射谱线性区间的中心波长。

本发明所述的基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力测量方法，通过 分束器将DFB激光器发出的窄带激光分成强度相同的两束激光，两束激光分别通过传感光 纤光栅和匹配光纤光栅反射，两束反射光分别经过两个光电探测器探测，其中第一光电探 测器将光信号转化为电信号由示波器显示；第二光电探测器将光信号转化为电信号，数据 处理模块将此电信号转化为DFB激光器波长的调谐量，通过波长调谐器调节DFB激光器 的波长，实现温度自动跟踪补偿；在测量静态拉力时，电压只与应力有关而与温度无关， 温度同时作用于传感光纤光栅和匹配光纤光栅时，匹配光栅调节DFB激光器的波长，使传 感光纤光栅、匹配光纤光栅的反射谱平移量和DFB激光器波长平移量相同，从而使测量过 程不会受温度影响。本发明所述的基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力 测量方法，适用于在光纤光栅传感器常用的解调技术中测量静态拉力或动态拉力。

附图说明

图1为基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器的结构示意图。

图2为传感光纤光栅和匹配光纤光栅的反射光谱图，其中曲线1为传感光纤光栅的反 射光谱曲线，曲线2为匹配光纤光栅的反射光谱曲线，直线DFB为DFB激光器的光谱。

图3为基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力测量方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于DFB激光器 解调的双光纤光栅的应力传感器，它包括：DFB激光器1、分光器2、第一环形器3、第二 环形器4、传感光纤光栅5、匹配光纤光栅6、第一光电探测器7、第二光电探测器9、数 据处理模块10和波长调制器11；

DFB激光器1发出的激光入射到分光器2中，分光器2将该激光分成强度相同的两束 激光；

一束激光经第一环形器3透射到传感光纤光栅5中，经该传感光纤光栅5反射的激光 发送给第一环形器3，经第一环形器3透射后的激光束入射到第一光电探测器7的光敏面 上；

另一束激光经第二环形器4透射到匹配光纤光栅6中，经该匹配光纤光栅6反射的激 光发送给第二环形器4，经第二环形器4透射后的激光束入射到第二光电探测器9的光敏 面上；

第一光电探测器7的信号输出端和第二光电探测器8的信号输出端同时连接数据处理 模块10的信号输入端，数据处理模块器10信号输出端连接波长调制器11的信号输入端， 波长调制器11的信号输出端连接DFB激光器1的信号输入端；

数据处理模块10中嵌入有软件实现的控制模块，该控制模块包括：

根据第二光电探测器9的输出电压V₂，获得温度变化ΔT时，DFB激光器1输出激光 波长的调谐量的单元；

根据第一光电探测器7的输出电压V₁，获得应力P的单元。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于DFB激光器解调的双光 纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括：示波器8，第一光电探测 器7的波形信号输出端连接示波器8的波形信号输入端。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于DFB激光器解调的 双光纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，所述DFB激光器1所发出激光的 带宽在0.008pm至0.012pm之间。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于DFB激光器解调的 双光纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，所述分光器2的分光比为1:1。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于DFB激光器解调的 双光纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，第一环形器3和第二环形器4为 完全相同的环形器。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于DFB激光器解调的 双光纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，传感光纤光栅5和匹配光纤光栅 6的反射光谱宽度相同。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于DFB激光器解调的 双光纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，第一光电探测器7和第二光电探 测器9的带宽均为5MHz。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于DFB激光器解调的 双光纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，第一光电探测器7的输出电压V₁为：

V₁=k₁I₀β₁(1-P_ε)λ₁₀P/(2E)+k₁I₀β₁λ₁₀/2+Bβ₁，

第二光电探测器9的输出电压V₂为：

V₂=k₂I₀β₂Δλ_T/2+k₂I₀β₂(λ-λ₂₀)/2+Aβ₂，

其中，β₁和β₂分别表示第一光电探测器7和第二光电探测器9光电转换因子；k₁表示 传感光纤光栅5的反射率下降沿的斜率；k₂表示匹配光纤光栅6的反射率上升沿的斜率；I₀表示DFB激光器1输出激光的光强；A和B均为常数；Δλ_T表示传感光纤光栅5和匹配光 纤光栅6的反射谱平移量；λ₁₀和λ₂₀分别表示传感光纤光栅5和匹配光纤光栅6的反射谱 线性区间的中心波长；P_e表示有效光弹系数，E为弹性模量，P表示应力，λ表示反射谱 的波长。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的基于DFB激光器解调的双光 纤光栅的应力传感器作进一步说明，本实施方式中，所述DFB激光器1所发出激光的带宽 为0.01pm。

具体实施方式十：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于DFB激光器 解调的双光纤光栅的应力测量方法，该方法是基于下述装置实现的，所述装置包括：

DFB激光器1、分光器2、第一环形器3、第二环形器4、传感光纤光栅5、匹配光纤 光栅6、第一光电探测器7和第二光电探测器9；

DFB激光器1发出的激光入射到分光器2中，分光器2将该激光分成强度相同的两束 激光；

一束激光经第一环形器3透射到传感光纤光栅5中，经该传感光纤光栅5反射的激光 发送给第一环形器3，经第一环形器3透射后的激光束入射到第一光电探测器7的光敏面 上；

另一束激光经第二环形器4透射到匹配光纤光栅6中，经该匹配光纤光栅6反射的激 光发送给第二环形器4，经第二环形器4透射后的激光束入射到第二光电探测器9的光敏 面上；所述基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力测量方法包括以下步骤：

步骤一：待测应力P径向作用于传感光纤光栅5，开启DFB激光器1，获得第二光电 探测器9的输出电压V₂；然后执行步骤二；

步骤二：根据步骤一获得的第二光电探测器9的输出电压V₂，获得温度变化ΔT时， DFB激光器1输出激光波长的调谐量，然后执行步骤三；

步骤三：根据步骤二获得的波长的调谐量对DFB激光器1输出的激光进行调谐，然后 执行步骤四；

步骤四：采集第一光电探测器7的输出电压V₁，根据下述公式：

V₁=k₁I₀β₁(1-P_ε)λ₁₀P/(2E)+k₁I₀β₁λ₁₀/2+Bβ₁

求解待测应力P，实现对应力的测量；

其中，β₁表示第一光电探测器7的光电转换因子；k₁表示传感光纤光栅5的反射率下 降沿的斜率；I₀表示DFB激光器1输出激光的光强；B为常数；P_e表示有效光弹系数，E 为弹性模量，λ₁₀表示表示传感光纤光栅5反射谱线性区间的中心波长。

DFB激光器为窄带激光器，其谱宽远小于传感光纤光栅5和匹配光纤光栅6的半峰值 宽度，且DFB激光器的中心波长处于传感光纤光栅5反射光谱的下降沿，处于匹配光纤光 栅6反射光谱的上升沿。传感光纤光栅5和匹配光纤光栅6的反射谱相同，如图2所示。

本发明所述的基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器，通过分束器将DFB 激光器发出的窄带激光分成强度相同的两束激光，两束激光分别通过传感光纤光栅和匹配 光纤光栅反射，两束反射光分别经过两个光电探测器探测，其中第一光电探测器将光信号 转化为电信号由示波器显示；第二光电探测器将光信号转化为电信号，数据处理模块将此 电信号转化为DFB激光器波长的调谐量，通过波长调谐器调节DFB激光器的波长，实现 温度自动跟踪补偿；在测量静态拉力时，电压只与应力有关而与温度无关，温度同时作用 于传感光纤光栅和匹配光纤光栅时，匹配光栅调节DFB激光器的波长，使传感光纤光栅、 匹配光纤光栅的反射谱平移量和DFB激光器波长平移量相同，从而使测量过程不会受温度 影响。本发明所述的基于DFB激光器解调的双光纤光栅的应力传感器及应力测量方法，适 用于在光纤光栅传感器常用的解调技术中测量静态拉力或动态拉力。