專利名稱：光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本新型涉及一種對物體的微弱振動(dòng)信號進(jìn)行傳感測量的光纖光柵傳感測試儀，特別是一種適用于由一組或多組光纖布喇格光柵組成的傳感陣列的微振動(dòng)傳感測試儀。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中建立起的一種空間周期性的折射率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。光纖光柵傳感器是借助某種裝置將被測參量的變化轉(zhuǎn)化為作用于光纖光柵上的應(yīng)變或溫度的變化，從而引起光纖光柵布喇格波長的變化。通過標(biāo)定并建立光纖光柵的應(yīng)變或溫度響應(yīng)與被測參量變化關(guān)系，即可由光纖光柵中心波長的變化，測量出被測量的變化。將光纖光柵陣列與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，將其埋入材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部或貼裝在其表面，從而對材料的特性(如溫度、壓力、應(yīng)變、加速度等)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測。這種傳感器陣列已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑業(yè)和科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域。
本新型是一種新型的光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，以光纖光柵作為傳感器件，對物體的微弱振動(dòng)進(jìn)行傳感測量。因采用匹配光纖光柵的方法，儀器具有很高的靈敏度。并且由于采用了全光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也使儀器具有很大的振動(dòng)頻率測量范圍。檢索結(jié)果表明，目前尚沒有與之一致的光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀的專利報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本儀器設(shè)計(jì)的目的旨在利用光纖光柵作為傳感器件，對物體的微弱振動(dòng)信號進(jìn)行傳感測量。本系統(tǒng)可應(yīng)用于各種接觸式微弱振動(dòng)信號測量。
其技術(shù)方案如下這種光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，它包括單模光纖、光纖布喇格光柵等，其特點(diǎn)是傳感測試儀有兩種連接方案，方案1由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)單模光纖、光纖布喇格光柵A透射后，經(jīng)3dB光纖耦合器、單模光纖進(jìn)入光纖布喇格光柵B，從光纖布喇格光柵B反射后的光，再經(jīng)耦合器、波分解復(fù)用器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大電路放大，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，從光纖布喇格光柵B透射的光進(jìn)入折射率匹配液；方案2由寬帶光源發(fā)出的經(jīng)光單模光纖、3dB光纖耦合器進(jìn)入光纖布喇格光柵B，從光纖布喇格光柵B反射后的光，再經(jīng)3dB光纖耦合器入射到光纖布喇格光柵A，經(jīng)光纖布喇格光柵A透射后，經(jīng)波分解復(fù)用器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大電路放大，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，從光纖布喇格光柵B透射的光進(jìn)入折射率匹配液。
光纖光柵A與光纖光柵B為匹配光纖光柵，其布喇格波長應(yīng)基本相同。所謂基本相同，是指任一只光纖光柵的布喇格波長應(yīng)處于另一只光纖光柵的3dB帶寬以內(nèi)。
這兩種方案只是光纖光柵位置上的不同，并無原理上區(qū)別。
測試原理是當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)面會(huì)發(fā)生微小的形變。此微小形變作用于光纖光柵上，光纖會(huì)因?yàn)楸旧淼膹椥远a(chǎn)生物理性的伸長或壓縮，從而反射率也由于光纖彈光效應(yīng)而產(chǎn)生變化。這兩個(gè)物理效應(yīng)使得光纖光柵布喇格波長漂移。由于微振動(dòng)形變作用造成的布喇格波長漂移通常很小，因此認(rèn)為波長漂移與形變成比例。而反射或透射譜曲線漂移時(shí)不隨物體振動(dòng)的變化而改變形狀。當(dāng)物體振動(dòng)方程為p＝pAsinWAt(1)時(shí)，所影響的光纖光柵反射或透射光強(qiáng)相應(yīng)產(chǎn)生變化，如下式Iout=IinR(λ)|p=0+Iin∂T∂PpAsinwAt--(2)]]>pA和wA分別是聲壓的幅度和角頻率，R(λ)為光纖光柵反射或透射譜函數(shù)，Iin和Iout分別為入射進(jìn)入光纖光柵的光強(qiáng)和輸出的光強(qiáng)。從(2)式我們最終可知道，光纖光柵傳感器輸出光強(qiáng)的交流部分和作用在FBG上的振動(dòng)形變成比例。
當(dāng)采用兩只光纖光柵進(jìn)行傳感時(shí)，由于兩只光纖光柵分別粘貼于物體振動(dòng)面的相對位置，因此，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，兩只光纖光柵所受形變正好相反，其布喇格波長的漂移也是向相反方向。因此，可以增加振動(dòng)檢測的靈敏度。
本新型的有益效果是利用光纖光柵作為傳感器件，采用匹配光纖光柵解調(diào)技術(shù)，可以達(dá)到很高的振動(dòng)測量靈敏度以及很寬的振動(dòng)頻率測量范圍。


圖1是本新型傳感測試儀連接方案1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本新型傳感測試儀連接方案1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中1.寬帶光源，2.單模光纖，3.光纖布喇格光柵A，4.光纖布喇格光柵B，5.折射率匹配液，6.波分解復(fù)用器，7.光電轉(zhuǎn)換器，8.3dB光纖耦合器(環(huán)行器)，9.信號放大電路，10.計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明實(shí)施例傳感測試儀有兩種連接方案，方案1如圖1所示由寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)單模光纖2、光纖布喇格光柵A3透射后，經(jīng)3dB光纖耦合器8、單模光纖2進(jìn)入光纖布喇格光柵B4，從光纖布喇格光柵B反射后的光，再經(jīng)耦合器、波分解復(fù)用器6進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大電路9放大，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10進(jìn)行處理，從光纖布喇格光柵B透射的光進(jìn)入折射率匹配液5。
方案2如圖2所示由寬帶光源發(fā)出的經(jīng)光單模光纖、3dB光纖耦合器進(jìn)入光纖布喇格光柵B，從光纖布喇格光柵B反射后的光，再經(jīng)3dB光纖耦合器入射到光纖布喇格光柵A，經(jīng)光纖布喇格光柵A透射后，經(jīng)波分解復(fù)用器6進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大電路9放大，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10進(jìn)行處理，從光纖布喇格光柵B透射的光進(jìn)入折射率匹配液5。
光纖光柵A(圖中3處)的自由態(tài)中心波長為1547.600nm，峰值反射率為99％，譜寬為0.26nm。光纖光柵B(圖中4處)的自由態(tài)中心波長為1547.700nm，峰值反射率為99％，譜寬為0.25nm。寬帶光源1輸出光波長范圍為1520-1570nm，輸出光功率4mW。光電轉(zhuǎn)換器7采用InGaAs-PIN光電二極管，其暗電流為0.025nA，響應(yīng)度為0.85。
在實(shí)際應(yīng)用中，將光纖光柵A或光纖光柵B粘貼于彈性振動(dòng)面上，信號發(fā)生器發(fā)出單頻正弦波，通過驅(qū)動(dòng)電路及換能器，使該彈性振動(dòng)面以不同頻率振動(dòng)。此時(shí)，即可在光電轉(zhuǎn)換器7處檢測到相同頻率的光強(qiáng)變化，經(jīng)放大電路放大后，由計(jì)算機(jī)或微處理器組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10即可顯示出振動(dòng)的頻率、幅度及頻譜特性。
在多路檢測時(shí)，需要加入波分解復(fù)用器6，用以將不同波長的光分開，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。光纖布喇格光柵采用光纖光柵作為基本傳感器件，利用匹配光纖光柵解調(diào)技術(shù)，達(dá)到高靈敏度振動(dòng)信號測量的目的。利用光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)行相關(guān)處理。
這兩種方案只是光纖光柵位置上的不同，并無原理上區(qū)別。
由于光纖的端面反射，使得光源的光譜對后端光電檢測器件造成很大的影響。因此，需要將不用的光纖端面浸入折射率匹配液中，以盡量減少端面反射。
由于光纖的端面反射，使得光源的光譜對后端光電檢測器件造成很大的影響。因此，需要將不用的光纖端面浸入折射率匹配液中，以盡量減少端面反射。進(jìn)行微振動(dòng)傳感測試時(shí)，可根據(jù)需要將光纖光柵A和光纖光柵B其中的一只或全部粘貼于待測物體的表面或埋入其內(nèi)部。具體方法為若只粘貼一只光纖光柵，則應(yīng)將其粘貼于需要測量物體的表面或埋入其內(nèi)部。此時(shí)，檢測靈敏度相對較低。
若粘貼兩只光纖光柵，則應(yīng)將其粘貼于物體振動(dòng)面的兩側(cè)相對位置。此時(shí)，檢測靈敏度相對校高。
圖1和圖2分別對應(yīng)以上所述技術(shù)方案1與技術(shù)議案2。且圖中以1路振動(dòng)測量為例，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要進(jìn)行路數(shù)擴(kuò)展。
權(quán)利要求1.一種光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，它包括單模光纖、光纖布喇格光柵，其特征在于傳感測試儀有兩種連接方案，方案1由寬帶光源(1)發(fā)出的光經(jīng)單模光纖(2)、光纖布喇格光柵A(3)透射后，經(jīng)3dB光纖耦合器(8)、單模光纖(2)進(jìn)入光纖布喇格光柵B(4)，從光纖布喇格光柵B反射后的光，再經(jīng)耦合器、波分解復(fù)用器(6)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器(7)轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大電路(9)放大，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(10)進(jìn)行處理，從光纖布喇格光柵B透射的光進(jìn)入折射率匹配液(5)；方案2由寬帶光源發(fā)出的經(jīng)光單模光纖、3dB光纖耦合器進(jìn)入光纖布喇格光柵B，從光纖布喇格光柵B反射后的光，再經(jīng)3dB光纖耦合器入射到光纖布喇格光柵A，經(jīng)光纖布喇格光柵A透射后，經(jīng)波分解復(fù)用器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大電路放大，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)或微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，從光纖布喇格光柵B透射的光進(jìn)入折射率匹配液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，其特征在于光纖布喇格光柵A與光纖布喇格光柵B為匹配光纖布喇格光柵，并采用匹配光纖光柵解調(diào)技術(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，其特征在于兩個(gè)光纖布喇格光柵，可根據(jù)檢測需要粘貼其中的一只或兩只。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，其特征在于光纖布喇格光柵可以是光纖布喇格光柵陣列，由一個(gè)或數(shù)個(gè)光纖布喇格光柵所組成，其組成數(shù)量根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要而定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感測試儀，其特征在于所述的3dB耦合器可以是光纖環(huán)形器。
專利摘要本新型涉及一種對物體的微弱振動(dòng)信號進(jìn)行傳感測量的光纖光柵傳感測試儀，特別是一種適用于由一組或多組光纖布喇格光柵組成的傳感陣列的微振動(dòng)傳感測試儀。該新型是由寬帶光源、布喇格光纖光柵、2×2光纖耦合器、匹配液、單模光纖、光電轉(zhuǎn)換器、放大電路及數(shù)據(jù)處理等所組成，有兩種連接方式，將光纖光柵經(jīng)適當(dāng)封裝后，粘貼于待測物體的振動(dòng)面上，對物體的微弱振動(dòng)進(jìn)行傳感測量，采用匹配光纖光柵的方法，使儀器具有很高的靈敏度。由于采用了全光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也使儀器具有很大的振動(dòng)頻率測量范圍。當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，將引起傳感光纖光柵布喇格波長發(fā)生漂移，通過本儀器可檢測出物體振動(dòng)的頻率、幅度。本新型可適用于物體振動(dòng)，特別是微弱振動(dòng)的測量。
文檔編號G01H9/00GK2708279SQ20032011239
公開日2005年7月6日 申請日期2003年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者董孝義, 開桂云, 劉波, 張偉剛, 曾劍, 袁樹忠 申請人:南開大學(xué)