專利名稱：溫度自動補償光纖光柵動態(tài)應變測量方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動態(tài)應變量及振動量的測量方法及系統(tǒng)，尤其涉及溫度自動補 償光纖光柵動態(tài)應變測量方法及其系統(tǒng)。
技術背景光纖布拉格光柵(FBG)傳感器件被認為是21世紀最有前途的光纖傳感器 件，作為新型的光纖傳感器件，它除具有光纖傳感器的優(yōu)點，如抗電磁干擾、 本質安全等，還具有許多獨特的優(yōu)勢傳感信息量波長調(diào)制，不受光源光強波 動、線路損耗的影響，傳感重復性和穩(wěn)定性好，可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡化測量；其 自參考特性使它能夠實現(xiàn)絕對測量。緩變參量測量和網(wǎng)絡化傳感技術都己經(jīng)比較成熟，并且已得到了廣泛應用。 而在許多場合，非常需要用FBG傳感器測量快速、瞬態(tài)應變或振動。如大型 電力設備正常運行時的電磁振動和故障狀態(tài)下的瞬態(tài)結構應變，由于特殊的電 磁環(huán)境，無法實現(xiàn)測量；對防爆條件要求苛刻的化工設備故障、儲油罐或石油 管道的泄露誘導的瞬態(tài)應變或振動監(jiān)測；需要長距離傳輸測量信號的海底纜線、 石油管道的健康狀況監(jiān)測；用FBG實現(xiàn)加速度傳感；FBG傳感器用于分析彈道 測試引起的環(huán)境波動和在破壞性實驗結構破壞引起的振動波等。在上述動態(tài)監(jiān) 測中，擾動的幅度和頻率信息對研究結構的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整 性尤為重要。用FBG測量快速或瞬態(tài)應變，需要高速波長解調(diào)方法。這類事件 的特點或是頻率高，或是持續(xù)時間短，利用目前常用的掃描解調(diào)方法，如法-珀干涉儀，其掃描頻率才千赫茲，根本無法實現(xiàn)千赫茲及以上的解調(diào)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術之不足，提供一種能實現(xiàn)千赫及千赫 以上解調(diào)的溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量方法及其系統(tǒng)，它通過如下技術方 案來實現(xiàn)其方法是采用傳感布拉格光纖光柵和濾波布拉格光纖光柵為匹配光柵， 通過PID閉環(huán)控制結構控制濾波布拉格光纖光柵中心波長，在FBGs的中心波長 隨溫度時，使濾波布拉格光纖光柵中心波長隨傳感布拉格光纖光柵中心波長變 化而變化，保持兩者的中心波長之差恒定，由此穩(wěn)定所述測量系統(tǒng)的靜態(tài)工作 點，達到對環(huán)境溫度的自適應。溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量系統(tǒng)的靜態(tài)工作點選在系統(tǒng)輸出值的1/2處。所述傳感布拉格光纖光柵和濾波布拉格光纖光柵的中心波長之差為0.6AA， M為光柵反射譜半高全寬。其系統(tǒng)包括寬帶光源、耦合器、傳感布拉格光纖光柵、濾波布拉格光纖光柵、光電二極管、前置放大器、A/D數(shù)據(jù)轉換器、計算機、電致伸縮材料及 電致伸縮材料驅動電源，所述濾波布拉格光纖光柵粘貼在電致伸縮材料上，寬 帶光源通過光纖連接第一耦合器的一輸入端，該耦合器的輸出端通過光纖連接 傳感布拉格光纖光柵，第二耦合器輸入端與第一耦合器的另一個輸入端連接， 第二耦合器輸出端通過光纖分別連接第三耦合器的一輸入端和光電二極管的輸 入端，第三耦合器的輸出端通過光纖連接濾波布拉格光纖光柵，第三耦合器的 另一輸入端連接光電二極管輸入端，所述光電二極管輸出端通過電信號連接線 連接前置放大器的輸入端，A/D數(shù)據(jù)轉換器的輸出端連接所述前置放大器的輸出端，其輸出端連接所述計算機對應輸入端，計算機對輸入信息處理后通過并 行口及數(shù)據(jù)線將控制信號傳輸?shù)诫娭律炜s材料的驅動電源對其輸出電壓進行控 制。所述第一耦合器、第三耦合器是3dB耦合器，所述第二耦合器是h 9耦合器。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是基于FBG光學帶通濾波器邊緣的相關解調(diào) 方法而實現(xiàn)的系統(tǒng)，其動態(tài)范圍小，針對匹配FBG制造困難和溫度造成的匹配 光柵失配問題，提出濾波FBG波長自動跟蹤方法，該方法大大降低了對匹配FBG 制造技術的要求、提高系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性。使系統(tǒng)在寬溫度范圍內(nèi)正常工作。并 實現(xiàn)動態(tài)應變和測量點溫度同時測量。利用FBG邊緣相關波長解調(diào)法的高靈敏 度，實現(xiàn)了基于等應變梁的高諧振頻率(千赫及千赫以上解調(diào))、高加速度值的 加速度傳感系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖。圖2是本發(fā)明系統(tǒng)用于溫度擾動實驗的結構示意圖。圖3是單光柵解調(diào)原理示意圖。圖4是PID控制結構圖。圖5是FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)工作原理示意圖。圖6是系統(tǒng)溫度跟蹤特性和跟蹤工作點電壓偏差曲線圖7是閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號波形。
具體實施方式
對照圖l，本發(fā)明系統(tǒng)主要由光傳感系統(tǒng)和電測量系統(tǒng)兩部分組成。其中， 光系統(tǒng)有寬帶光源、耦合器、傳感布拉格光纖光柵(FBGs)和濾波布拉格光纖光柵(FBGF)組成。電系統(tǒng)主要有光電二極管(PD)、前置放大器、A/D轉換 器、計算機、電致伸縮材料(PZT)及電致伸縮材料的驅動電源組成。圖中細連 接線代表光纖，粗連接線代表電信號連接線。對照圖2，它是上述本發(fā)明系統(tǒng)用于溫度擾動的實驗，可對溫控箱進行實時 監(jiān)控。其溫度控制系統(tǒng)主要由溫控箱、溫箱電源、溫控器、溫度測量裝置和熱 電偶等組成。而光系統(tǒng)中的FBGs和FBGF用防啁啾技術粘貼在電致伸縮材料上。其中， 粘貼有FBGs的電致伸縮材料PZTl置于溫控箱內(nèi)。寬帶光源通過光纖連接第一 耦合器即3dB耦合器的一輸入端，該耦合器的輸出端通過光纖分別連接傳感布 拉格光纖光柵FBGs，第二耦合器即l: 9耦合器輸入端與上述3dB耦合器的另 一輸入端連接。1: 9耦合器的輸出端通過光纖分別連接第三耦合器(即另一3dB 耦合器)的輸入端和電系統(tǒng)中的光電二極管PD1輸入端。第三耦合器的輸出端 通過光纖連接光纖光柵濾波器FBGF，第三耦合器的另一輸入端連接光電二極管 PD2輸入端。電系統(tǒng)中的兩光電二極管PD1、 PD2的輸出端通過電信號連接線連接前置 放大器的輸入端，A/D數(shù)據(jù)轉換器的輸出端連接該前置放大器的輸出端，其輸 出端連接所述計算機對應信號輸入端。計算機對輸入信號進行處理，并通過并 行口及數(shù)據(jù)線將控制信號傳輸?shù)诫娭律炜s材料的驅動電源對其輸出電壓進行控 制。圖2所示的發(fā)明系統(tǒng)中，寬帶光源采用其平坦度和溫度穩(wěn)定性都較好的ASE 寬帶光源，工作波長為1529 1564nm，輸出功率10dBm。耦合器采用標準光纖 耦合器Standard Coupler LW601-Series,其中3dB耦合器的分光比為50/50 ， 1: 9耦合器的分光比為10/90。光纖布拉格光柵傳感器FBGs和濾波布拉格光纖光柵FBGp是一匹配光柵對。貼在電致伸縮材料棒上的傳感布拉格光纖光柵FBGS 的中心波長為1539.8nm，而作為動態(tài)應變傳感器的FBGS中心波長應與解調(diào) FBGF濾波器中心波長匹配。前置放大器采用現(xiàn)有普通的電信號放大器。A/D轉 換器采用光隔離模擬量輸入、輸出的PCI2318卡。電致伸縮材料選用型號為 PTBS3.5x3.5/20的PZT，長度為20mm，耐壓200V。電致伸縮材料驅動電源的 輸出電壓范圍為0 300V，帶有并口，可計算機程控。上述發(fā)明系統(tǒng)工作時，其平坦化ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB耦合器后進入 FBGs。當FBGs受到交變微擾時，其輸出的反射譜隨之在一定波長范圍變化， 如圖3中虛線所示。解調(diào)光柵的反射譜是固定不變的，如圖3中實線所示。FBGS 的反射光信號經(jīng)3dB耦合器。滿足FBGS布拉格波長的光被反射經(jīng)1:9耦合器分 為兩路，弱光強一路直接被光電探測器PD1接收轉換為電流信號作為參考信號， 另一路經(jīng)第二個3dB耦合器進入由電致伸縮材料PZT2調(diào)諧的FBGF。兩光柵的 反射譜重疊部分對應的光被FBGf反射，重疊部分的面積與反射光強度成正比。 當FBGs與FBGp的中心波長差小，反射譜重疊部分就大，光電二極管得到的光 信號就強，反之，光信號小。通過光電二極管PD2轉換為載有被測量信息的電 信號，實現(xiàn)FBGs傳感解調(diào)。兩路電信號分別經(jīng)前置放大器后，通過軟件對數(shù)據(jù) 進行濾波、分析和處理，并通過PID控制程序得到偏差和控制輸出，通過計算 機并口控制PZT驅動電源。本發(fā)明系統(tǒng)是基于計算機的FBG動態(tài)應變工作點自動跟蹤測量解調(diào)系統(tǒng)。 當環(huán)境溫度變化時，在FBGs的中心波長隨溫度變化而變化時，工作點隨之變化， 系統(tǒng)輸出直流量也發(fā)生相應的變化。此時，如給PZT1加50Hz、幅值5V的交流 電壓，F(xiàn)BGs受交變應變，通過數(shù)據(jù)采集卡采集系統(tǒng)的輸出信號、光強波動補償 信號經(jīng)計算機的相關程序實現(xiàn)濾波和PID控制算法，給出調(diào)節(jié)控制指令，控制指令通過計算機并口傳送給電致伸縮材料驅動電源驅動PZT2，使FBGf的中心 波長跟隨溫度造成的FBGs的中心波長變化，對工作點漂移進行調(diào)整，從而實現(xiàn) 溫度補償。對照圖4，本發(fā)明采用閉環(huán)控制結構，其PID控制器的數(shù)學表達式為《)=rWi(0 (1)其中e(/)為偏差，KO為目標值，少(0為測量值。柳=尺,(,)+I e(f)d, +.轉)/ & (2) 其中11 (t)為控制輸出；Kp為比例系數(shù)；《為積分系數(shù)，^=71/7^ iQ為微分系數(shù)，《d=rd/r。 r為采樣周期，刀為積分時間，&為微分時間。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對模擬信號直接以連續(xù)控制算式進行運 算，故在計算機控制系統(tǒng)中采用的是離散化的算法設計的。對照圖5，工作點對應系統(tǒng)輸出的直流分量。當被測量較大時，工作點上移或下移都將導致系統(tǒng)輸出波形失真，使系統(tǒng)測量范圍變小。 一般布拉格光纖光柵FBG的3dB帶寬在零點幾個納米，用FBG作為濾波器FBGF實現(xiàn)FBG傳感 寬帶解調(diào)的突出特點是靈敏度高、動態(tài)范圍小，可實現(xiàn)動態(tài)解調(diào)。其工作點在 兩FBG的中心波長差為0.6ZU時，靈敏度最高。在滿足交流被測量的正負半周 靈敏度一致性的同時，使測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍盡可能大，本發(fā)明的工作點選在 系統(tǒng)最大輸出電壓的1/2處，對應的兩FBG的中心波長差為0.6M, M為光柵 反射譜半高全寬。當FBGF的中心波長保持不變，F(xiàn)BGs受到交變信號的擾動時，相關后的光 強波動如圖5所示，光強變化轉換成的電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡進入計算機，經(jīng)數(shù)字濾波分離出直流和交流兩部分，交流分量反映FBGs受到的 交變擾動，直流成分對應FBG靜態(tài)工作點相對位置和光強波動情況。通過電測 量系統(tǒng)的直流輸出，就可獲得靜態(tài)工作點的信息。由于布拉格光纖光柵FBG的溫度敏感性高，工作點隨溫度的變化而變化。 一般FBG的溫度靈敏度系數(shù)為10pm/°C，即環(huán)境溫度變化rC， FBG中心波長 飄移10pm， FBG相關解調(diào)的工作區(qū)間不過200pm，若不采取相應的措施，l(TC 的環(huán)境溫度會導致系統(tǒng)無法實現(xiàn)測量。過去解決途徑一般是采取恒溫措施，對 FBGp進行溫度控制，但因為FBGs的溫度無法得到有效控制，不能從根本上解 決環(huán)境溫度造成的測量范圍減小的問題。本發(fā)明采用中心波長可調(diào)諧的匹配光 柵結構，設計了具有溫度補償功能的FBG振動傳感器及其高速波長解調(diào)系統(tǒng)。 通過閉環(huán)控制FBGF的中心波長，使其隨著溫度造成FBGS中心波長的變化而變 化，保持兩FBG中心波長差恒定，從而穩(wěn)定了測量系統(tǒng)的靜態(tài)工作點，達到解 調(diào)系統(tǒng)對環(huán)境溫度的自適應。此外，在被測點的材料熱膨脹系數(shù)己知的前提下，該系統(tǒng)還能同時測量 FBGs的環(huán)境溫度，實現(xiàn)雙參數(shù)同時測量。因為工作點自動跟蹤應變測量的過程， 其實就是建立控制調(diào)節(jié)量與溫度變化一一對應的過程，解讀控制調(diào)節(jié)量就可獲 得溫度信息。對照圖6，在上述溫度擾動實驗中，從溫度跟蹤曲線可以看到，在整個溫度 變化循環(huán)過程中系統(tǒng)的跟蹤輸出調(diào)節(jié)電壓與傳感器的環(huán)境溫度變化趨勢有良好 的一致性。在溫度變化快時，系統(tǒng)輸出的直流分量與目標值的偏差在70mV左 右，為系統(tǒng)控制偏差最大處，當溫度變化緩慢時，偏差僅為20mV左右。工作 點控制偏差量使系統(tǒng)量程產(chǎn)生等同縮小。工作時系統(tǒng)輸出動態(tài)范圍為0 5V， 在最惡劣的情況下，70mV控制精度誤差將導致測量范圍縮小1.4%，對測量精度影響非常小，可以忽略不計。而任何一個FBG環(huán)境溫度的變化都將導致系統(tǒng) 靜態(tài)工作點漂移，輸出的直流分量發(fā)生變化。通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)滿量程輸出為5V時，保證了系統(tǒng)輸出的直流分量在2.5V左右，不隨溫度的變化而 變化，從而保證了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。例如圖2所示系統(tǒng)中，PZT驅動電壓峰峰 值為8.8V階梯波時，輸出信號的平均值在2.5V士0.07V范圍內(nèi)變化，請參見圖7， 保證系統(tǒng)的動態(tài)測量范圍最大。PZT2能承受200V直流驅動電壓，按電壓溫度 靈敏度0.26'C/V計算，溫度適應范圍可達52匸。
權利要求
1.溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量方法，其特征在于采用傳感布拉格光纖光柵和濾波布拉格光纖光柵為匹配光柵，通過PID閉環(huán)控制結構控制濾波布拉格光纖光柵中心波長，在溫度變化時，使濾波布拉格光纖光柵中心波長隨傳感布拉格光纖光柵中心波長變化而變化，保持兩者中心波長之差恒定，由此穩(wěn)定所述測量系統(tǒng)的靜態(tài)工作點，達到對環(huán)境溫度的自適應。
2. 根據(jù)權利要求1所述的溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量方法，其特征在 于溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量系統(tǒng)的靜態(tài)工作點選在系統(tǒng)輸出值的1/2處。
3. 根據(jù)權利要求1所述的溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量方法，其特征在 于所述傳感布拉格光纖光柵和濾波布拉格光纖光柵的中心波長之差M 為光柵反射譜的半高全寬。
4. 溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量系統(tǒng)，其特征在于包括寬帶光源、耦合 器、傳感布拉格光纖光柵、濾波布拉格光纖光柵、光電二極管、前置放大器、 A/D數(shù)據(jù)轉換器、計算機、電致伸縮材料及電致伸縮材料驅動電源，所述布拉 格光纖光柵粘貼在電致伸縮材料上，寬帶光源通過光纖連接第一耦合器一輸入 端，該耦合器的輸出端通過光纖連接傳感布拉格光纖光柵，第二耦合器一輸入 端與第一耦合器的另一個輸入端連接，第二耦合器輸出端通過光纖分別連接第 三耦合器的一輸入端和光電二極管的輸入端，第三耦合器的輸出端通過光纖連 接濾波布拉格光纖光柵，第三耦合器的另一輸入端連接光電二極管輸入端，所 述光電二極管輸出端通過電信號連接線連接前置放大器的輸入端，A/D數(shù)據(jù)轉 換器的輸出端連接所述前置放大器的輸出端，其輸出端連接所述計算機對應輸 入端，計算機對輸入信息處理后通過并行口及數(shù)據(jù)線將控制信號傳輸?shù)诫娭律?縮材料的驅動電源對其輸出電壓進行控制。5.根據(jù)權利要求4所述的溫度補償光纖光柵動態(tài)應變測量系統(tǒng)，其特征在于所述第一耦合器、第三耦合器是3dB耦合器，所述第二耦合器是1: 9耦合器。
全文摘要
本發(fā)明涉及溫度自動補償光纖光柵動態(tài)應變測量方法及其系統(tǒng)。其方法是采用傳感布拉格光纖光柵和濾波布拉格光纖光柵為匹配光柵，通過PID閉環(huán)控制結構控制濾波布拉格光纖光柵中心波長，在FBG_S的中心波長隨溫度時，使濾波布拉格光纖光柵中心波長隨傳感布拉格光纖光柵中心波長變化而變化，保持兩者的中心波長之差恒定，由此穩(wěn)定所述測量系統(tǒng)的靜態(tài)工作點，達到對環(huán)境溫度的自適應。其系統(tǒng)包括寬帶光源、耦合器、傳感布拉格光纖光柵、濾波布拉格光纖光柵、光電二極管、前置放大器、A/D數(shù)據(jù)轉換器、計算機、電致伸縮材料及電致伸縮材料驅動電源。其優(yōu)點是降低了對匹配FBG制造技術要求、提高系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性?？蓪崿F(xiàn)動態(tài)應變和測量點溫度同時測量，并可對高諧振頻率解調(diào)。
文檔編號G01B11/16GK101226051SQ20081001889
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權日2008年1月30日
發(fā)明者劍 張, 洪 趙 申請人:哈爾濱師范大學