專利名稱：光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中的波長標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中對波長進行在線和實時標(biāo)定的方法，屬光纖傳感測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵(簡稱FBG)是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過某種方式對其折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制而形成的一種全光纖器件。FBG已被越來越廣泛地用于光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域。FBG傳感器具有抗電磁干擾，耐腐蝕，使用壽命長，體積小，可以光波長復(fù)用方式實現(xiàn)多點分布測量等顯著的優(yōu)點，因而在無法使用傳統(tǒng)傳感器的場合發(fā)揮了巨大作用。近年來，隨著FBG傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也在日益擴大，并開始在有些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)。
目前限制FBG傳感進一步普及應(yīng)用的主要問題是與傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)相比其價格過高。FBG傳感系統(tǒng)由FBG傳感器和波長解調(diào)兩個主要部分構(gòu)成。隨著FBG制造技術(shù)和工藝水平的不斷發(fā)展和完善，F(xiàn)BG傳感器的制造成本在不斷下降，有望達到與傳統(tǒng)傳感器相當(dāng)?shù)膬r格水平。因此，決定FBG傳感系統(tǒng)價格的關(guān)鍵因素是波長解調(diào)儀的價格。波長解調(diào)儀的功能即通過光譜分析確定每個FBG傳感器對應(yīng)的布拉格波長及其變化。目前較為成熟和使用較為普遍的方法是采用可調(diào)諧掃描光纖濾波器和色散光柵加線陣CCD兩種技術(shù)。采用這些技術(shù)可實現(xiàn)3pm或更高的波長分辨率，但由于器件特性以及外界環(huán)境等因素的影響，實現(xiàn)pm量級的波長精度和穩(wěn)定性，則需要一些特殊技術(shù)，這是造成FBG波長解調(diào)儀成本難以下降的主要原因。而良好的波長分辨率、波長精度和穩(wěn)定性對于FBG傳感系統(tǒng)用于長期監(jiān)測是至關(guān)重要的。
提高FBG傳感系統(tǒng)波長精度和穩(wěn)定性的常用方法之一是采用標(biāo)準(zhǔn)氣體盒。利用已知標(biāo)準(zhǔn)氣體的特征吸收譜對所要檢測的布拉格波長進行校準(zhǔn)或標(biāo)定。這種標(biāo)準(zhǔn)氣體盒具有極高的波長穩(wěn)定性，其溫度穩(wěn)定性可達0.01pm/℃。由于標(biāo)準(zhǔn)氣體盒的價格高，所以一般只用于高精度光譜分析儀器。此外，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體盒需單獨提供一套光電檢測系統(tǒng)，這無疑會使FBG傳感波長解調(diào)系統(tǒng)進一步復(fù)雜化，使其制造成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為光纖布拉格光柵傳感提供一種波長標(biāo)定方法。該方法具有簡單、易于實現(xiàn)以及成本低等顯著特點，為從根本上降低FBG傳感波長解調(diào)系統(tǒng)的造價，從而為普及其應(yīng)用創(chuàng)造條件。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，依據(jù)串接的光纖布拉格光柵的反射的布拉格波長在光譜上互不重疊性，在三端光環(huán)行器的第一端連接寬帶光源，第二端連接光纖布拉格光柵傳感器，第三端連接波長解調(diào)儀，實現(xiàn)對該光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中的波長標(biāo)定方法，其特征在于包括以下過程采用一個光纖布拉格光柵作為波長參考器件，與光纖布拉格光柵傳感器串接，所述光纖布拉格光柵波長參考器件被封裝在恒溫槽中，所述恒溫槽由溫度控制電路控制，恒溫槽的溫度穩(wěn)定精度為±0.1度，則參考器件的反射的布拉格波長在光譜上顯示具有穩(wěn)定性，故以該波長參考器件的布拉格波長為基準(zhǔn)，將其置于光纖布拉格光柵傳感器的布拉格波長顯示光譜的上端、或下端，便能標(biāo)定出光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中的波長。
本發(fā)明的理論依據(jù)是光纖布拉格光柵反射的布拉格波長λB＝2neffΛ是其所受應(yīng)變及其感受溫度的函數(shù)，這是FBG作為傳感器的原理和基礎(chǔ)。由溫度變化引起的布拉格波長的相對改變可表示為ΔλBλB=(α+β)ΔT,]]>其中，α是光纖材料的熱膨脹系數(shù)，β是光纖材料的相對熱光系數(shù)。對于石英材料的普通光纖，其熱膨脹系數(shù)α＝5.5×10-7/℃，相對熱光系數(shù)β＝8.6×10-5/℃。由此可計算出光纖布拉格光柵的相對溫度靈敏度系數(shù)約為7×10-6/℃。在λB＝1550nm的情況下，1℃的溫度變化將導(dǎo)致約11pm的布拉格波長的變化。當(dāng)光纖布拉格光柵作為溫度傳感器時可以采用一定的封裝材料和封裝方式增大其溫度靈敏度。相反，若將光纖布拉格光柵進行恒溫控制，則可將其用作波長參考器件。如溫度控制穩(wěn)定度在±0.1度，則波長穩(wěn)定度優(yōu)于±1pm。
本發(fā)明方法具有簡單、易于實現(xiàn)以及成本低特點，為從根本上降低FBG傳感器波長解調(diào)系統(tǒng)的造價，從而為普及其應(yīng)用創(chuàng)造條件。


圖1為實現(xiàn)本發(fā)明的裝置框圖。圖1中，101為寬帶光源；102為三端光環(huán)行器；103為置于恒溫槽中的光纖布拉格光柵；104為光纖布拉格光柵波長參考器件；105為恒溫槽溫度控制電路；106為波長解調(diào)儀；107為傳輸光纖；108、109為光纖布拉格光柵傳感器。
圖2為光纖布拉格光柵波長參考器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中，201為輸入輸出光纖；202為環(huán)氧樹脂；103為光纖布拉格光柵；203為作為溫度調(diào)節(jié)器件的半導(dǎo)體致冷器；204為固定光纖光柵的金屬板；205為恒溫槽金屬外殼；206為熱敏電阻。
圖3為光譜特性波形曲線。圖3中，301為波長參考器件光纖光柵的波長反射峰；302、303為光纖布拉格光柵傳感器的波長反射峰。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。如附圖1所示，由寬帶光源101發(fā)出的寬譜光首先經(jīng)環(huán)行器102，傳到波長參考器件104，再經(jīng)傳輸光纖107傳至串接在一起的光纖布拉格光柵傳感器108和109。波長參考器件104、光纖布拉格光柵傳感器108和109具有不同的布拉格波長，并且在測量過程中相互不重疊。如附圖2所示，波長參考器件104由光纖光柵103、半導(dǎo)體致冷器203，金屬板204和金屬外殼205組成。熱敏電阻206靠近光纖光柵103安裝，由環(huán)氧樹脂202將其固定在金屬板204表面。熱敏電阻206的輸出信號接溫度控制電路105，由溫度控制電路105的輸出控制半導(dǎo)體致冷器203的電流，形成閉環(huán)反饋控制，使恒溫槽104的溫度恒定在設(shè)置的溫度。此時光纖布拉格光柵202的反射波長穩(wěn)定在固定值，而不隨外界環(huán)境溫度的變化而改變。
波長解調(diào)儀106探測到的由波長參考器件104、FBG傳感器108和109反射光信號的的光譜如附圖3所示。反射峰301對應(yīng)波長參考器件104，反射峰302和303分別對應(yīng)光纖布拉格光柵傳感器108和109。波長解調(diào)儀106在對反射峰302和303測量過程中，是以反射峰301為基準(zhǔn)而進行的。因此，實現(xiàn)了波長解調(diào)過程中對波長的實時在線標(biāo)定，降低了對波長解調(diào)儀106的波長穩(wěn)定性的要求，故可使用低成本的波長解調(diào)器件實現(xiàn)，從而可從根本上降低波長解調(diào)儀的成本。波長參考器件104在使用下的絕對波長值可用已有的波長標(biāo)定方法進行標(biāo)定。
實現(xiàn)本發(fā)明所涉及的波長標(biāo)定方法的關(guān)鍵是對作為波長參考器件光纖布拉格光柵202溫度的控制，使用而現(xiàn)有溫度控制技術(shù)完全可以達到±0.1度的溫度控制穩(wěn)定度。
權(quán)利要求
1.一種光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中的波長標(biāo)定方法，該方法依據(jù)串接的光纖布拉格光柵的反射的布拉格波長在光譜上互不重疊性，在三端光環(huán)行器的第一端連接寬帶光源，第二端連接光纖布拉格光柵傳感器，第三端連接波長解調(diào)儀，實現(xiàn)光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中的波長標(biāo)定，其特征在于包括以下過程采用一個光纖布拉格光柵作為波長參考器件，與光纖布拉格光柵傳感器串接，所述光纖布拉格光柵波長參考器件被封裝在恒溫槽中，所述恒溫槽由溫度控制電路控制，恒溫槽的溫度穩(wěn)定精度為±0.1度，則參考器件的反射布拉格波長在光譜上顯示具有穩(wěn)定性，故以該波長參考器件的布拉格波長為基準(zhǔn)，將其置于光纖布拉格光柵傳感器的布拉格波長顯示光譜的上端、或下端，便能標(biāo)定出光纖布拉格光柵傳感器波長解調(diào)過程中的波長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中對波長進行在線和實時標(biāo)定的方法，屬光纖傳感測量技術(shù)領(lǐng)域。在三端光環(huán)行器的第一端連接寬帶光源，第二端連接光纖布拉格光柵傳感器，第三端連接波長解調(diào)儀，實現(xiàn)對該光纖布拉格光柵傳感波長解調(diào)過程中的波長標(biāo)定的過程采用一個光纖布拉格光柵作為波長參考器件，與光纖布拉格光柵傳感器串接，參考器件被封裝在恒溫槽中，恒溫槽的溫度穩(wěn)定精度為±0.1度，則參考器件的反射的波長在光譜上具有穩(wěn)定性，以其為基準(zhǔn)，并置于光纖布拉格光柵傳感器的布拉格波長顯示光譜的上端、或下端，從而標(biāo)定出光纖布拉格光柵傳感器波長解調(diào)過程中的波長。本發(fā)明方法具有簡單、易于實現(xiàn)以及成本低特點。
文檔編號G01D5/26GK1844855SQ20061001372
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者李恩邦 申請人:國家納米技術(shù)與工程研究院