一種光纖光柵應變檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光纖光柵應變檢測裝置，包括:復合光源、耦合器、光環(huán)形器、聲光可調諧濾波器、轉換驅動裝置、基準光柵、光開關、光纖光柵應變傳感器，復合光源與耦合器耦合連接；耦合器通過光環(huán)形器與基準光柵相連；光環(huán)形器通過聲光可調諧濾波器與轉換驅動裝置相連；基準光柵通過光開關與光纖光柵應變傳感器相連。本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置，基于AOTF(聲光可調諧濾波器)全光譜范圍的解調技術設計的光纖光柵傳感、解調系統(tǒng)，跟目前基于FFP(可調諧光纖濾波器)技術的光纖光柵傳感、解調系統(tǒng)相比，大大提高了系統(tǒng)的傳感、解調范圍，解決了光纖光柵傳感大規(guī)模應用的瓶頸問題。
【專利說明】一種光纖光柵應變檢測裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及光纖光柵傳感領域，特別涉及一種光纖光柵應變檢測裝置。

【背景技術】
[0002] 可調諧光纖Fabry-Perot濾波器（FFP)已廣泛應用于傳感光柵的信號解調，其中， 該濾波器可由Lorentz譜線形狀的帶通響應描述，典型的3dB譜線寬為0. 3nm，工作范圍為 幾十個納米。
[0003] 可調諧光纖Fabry-Perot腔由壓電陶瓷驅動，且施加周期性的鋸齒波電壓信號用 以改變腔長，以實現對確定區(qū)域的波長進行周期性的濾波掃描。它可以對測量范圍內各光 纖Bragg (布拉格衍射）光柵傳感元的波長信息進行依次查詢，而且將所測波長信息與偏移 前波長信息進行比較，得到各傳感元的波長偏移量，利用偏移量與所測量間的變化關系，便 可判斷對應傳感元件所感測物理量變化的大小，達到解調的目的。
[0004] 但采用FFP可調諧濾波器解調的光纖光柵解調系統(tǒng)，目前解調速度為5Hz，工作范 圍為幾十個納米，不能滿足日益增強的大規(guī)模應變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的需求。 實用新型內容
[0005] 為了解決現有技術中存在的光纖光柵解調系統(tǒng)解調速度慢、光源帶寬小的問題， 本實用新型提出了一種光纖光柵應變檢測裝置。
[0006] 本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置，包括：復合光源、耦合器、光環(huán)形器、聲光可 調諧濾波器、轉換驅動裝置、基準光柵、光開關、光纖光柵應變傳感器，復合光源與耦合器耦 合連接；
[0007] 耦合器通過光環(huán)形器與基準光柵相連；光環(huán)形器通過聲光可調諧濾波器與轉換驅 動裝置相連；基準光柵通過光開關與光纖光柵應變傳感器相連。
[0008] 在上述技術方案中，轉換驅動裝置包括：光電轉換模塊、信號處理模塊、射頻驅動 控制器，聲光可調諧濾波器通過光電轉換模塊與信號處理模塊相連；
[0009] 射頻驅動控制器分別與聲光可調諧濾波器、信號處理模塊相連。
[0010] 在上述技術方案中，轉換驅動裝置還包括運算放大電路，光電轉換模塊通過運算 放大電路與信號處理模塊相連。
[0011] 在上述技術方案中，復合光源包括兩塊不同光譜范圍的寬帶光源。
[0012] 在上述技術方案中，稱合器為波導式光纖稱合器。
[0013] 在上述技術方案中，耦合器的開角在30°以內。
[0014] 在上述技術方案中，光環(huán)形器為三端口光環(huán)形器。
[0015] 在上述技術方案中，聲光可調諧濾波器包括單軸雙折射晶體、壓電換能器、高頻信 號源，壓電換能器粘合在單軸雙折射晶體的一側；高頻信號源對壓電換能器進行射頻作用。
[0016] 在上述技術方案中，光電轉換模塊為PIN光電二極管。
[0017] 在上述技術方案中，基準光柵為未封裝的光纖光柵。
[0018] 本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置，基于A0TF (聲光可調諧濾波器）全光譜范 圍的解調技術設計的光纖光柵傳感、解調系統(tǒng)，跟目前基于FFP (可調諧光纖濾波器）技術 的光纖光柵傳感、解調系統(tǒng)相比，大大提高了系統(tǒng)的傳感、解調范圍，解決了光纖光柵傳感 大規(guī)模應用的瓶頸問題。
[0019] A0TF(聲光可調諧濾波器）可以選擇任何一個波長范圍進行連續(xù)掃描，可以根據 被測光纖光柵傳感的有效波段進行選取掃描，縮短了掃描時間，解決了光纖光柵高速傳感 解調的問題。A0TF為全固態(tài)分光器件，無移動部件，抗震性能好，采用全密封設計，對環(huán)境影 響（如應變、濕度、粉塵等）不敏感，儀器工作穩(wěn)定，解決了目前采用FFP(可調諧光纖濾波 器）技術的光纖光柵應變傳感解調系統(tǒng)的溫度漂移問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置的結構圖；
[0021] 圖2是現有技術中的聲光可調諧濾波器的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖，對本實用新型的幾個【具體實施方式】進行詳細描述，但應當理解本 實用新型的保護范圍并不受【具體實施方式】的限制。
[0023] 為了解決現有技術中存在的光纖光柵解調系統(tǒng)解調速度慢、光源帶寬小的問題， 本實用新型提出了一種光纖光柵應變檢測裝置。
[0024] 如圖1所示，本實用新型的光纖光柵檢測裝置包括：復合光源10、耦合器20、光環(huán) 形器30、聲光可調諧濾波器40、轉換驅動裝置50、基準光柵60、光開關70、光纖光柵應變傳 感器80,復合光源10與耦合器20耦合連接；耦合器20通過光環(huán)形器30與基準光柵60相 連；光環(huán)形器30通過聲光可調諧濾波器40與轉換驅動裝置50相連；基準光柵60通過光開 關70與光纖光柵應變傳感器80相連。
[0025] 優(yōu)選的，轉換驅動裝置50包括：光電轉換模塊501、信號處理模塊502、射頻驅動控 制器503,聲光可調諧濾波器40通過光電轉換模塊501與信號處理模塊502相連；射頻驅 動控制器503分別與聲光可調諧濾波器40、信號處理模塊502相連。
[0026] 優(yōu)選的，轉換驅動裝置50還包括運算放大電路504,光電轉換模塊501通過運算放 大電路504與信號處理模塊502相連。
[0027] 優(yōu)選的，復合光源10包括兩塊不同光譜范圍的寬帶光源。
[0028] 優(yōu)選的，稱合器20為波導式光纖稱合器20。
[0029] 優(yōu)選的，耦合器20的開角在30°以內。
[0030] 優(yōu)選的，光環(huán)形器30為三端口光環(huán)形器30。
[0031] 優(yōu)選的，聲光可調諧濾波器40包括單軸雙折射晶體、壓電換能器、高頻信號源，壓 電換能器粘合在單軸雙折射晶體的一側；高頻信號源對壓電換能器進行射頻作用。
[0032] 優(yōu)選的，光電轉換模塊501為PIN光電二極管。
[0033] 優(yōu)選的，基準光柵60為未封裝的光纖光柵。
[0034] 本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置，復合光源10包括兩個不同光譜范圍的寬 帶光源，耦合器20將兩個不同波譜范圍的復合光輸入到光環(huán)形器30 ;光環(huán)形器30傳輸復 合光到基準光柵60、光開關70、光纖光柵應變傳感器80 ;光纖光柵應變傳感器80反射回的 中心波長光信號經過光開關70與基準光柵60反射的中心波長光信號通過光環(huán)形器30傳 輸到AOTF聲光可調諧濾波器40。
[0035] 通過調節(jié)射頻驅動控制器503可以選擇性地輸出不同波長的光信號到光電轉換 模塊501上進行光電轉換；通過信號處理模塊502對光電轉換信號進行I-V變換、濾波、放 大后采集，將采集數據上傳到外部上位機系統(tǒng)，實現光纖光柵應變傳感器80的中心波長的 解調，外部上位機依據光纖光柵-應變檢測匹配算法進而實現傳感監(jiān)測區(qū)域的應變測量。
[0036] 本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置具體說明如下：
[0037] 復合光源10,包括兩塊不同光譜范圍的寬帶光源101和寬帶光源102,寬帶光源 101和寬帶光源102與耦合器20的雙端口耦合連接，耦合器20的單端口輸出的光信號即為 復合光源10。將兩個波段或多個波段的光源復合，形成復合光源10,解決了由于光源的局 限性而造成目前光纖光柵應變傳感不能大規(guī)模應用的問題。復合光源10選擇光傳輸衰竭 較小的波譜窗口組合，符合光路設計理論，滿足光纖光柵應變傳感的實際需求。
[0038] 耦合器20,是光纖與光纖之間進行可拆卸（活動）連接的器件，它把光纖的兩個端 面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其 介入光鏈路從而對系統(tǒng)造成的影響降低到最小。
[0039] 優(yōu)選的，耦合器20可以采用波導式光纖耦合器，它是一種具有Y型分支的元件，由 一根光纖輸入的光信號可用它加以等分。當耦合器20分支路的開角增大時，向包層中泄漏 的光將增多，以致增加了損耗，所以耦合器20的開角一般選擇在30°以內，因此波導式光 纖耦合器的長度不能太短。
[0040] 光環(huán)形器30,是實現光路非可逆?zhèn)鬏數钠骷?，它能對反向傳輸光進行引導，將其與 正向傳輸光從空間上分離開來，并從另一端口輸出。優(yōu)選的，光環(huán)形器30米用三端口光環(huán) 形器來實現寬帶光信號雙向傳輸和通信。
[0041] 聲光可調諧濾波器40,聲光可調諧濾波器40 (Acousto-optic tunable filter,簡 稱A0TF)是一種電光調制器件。其主要是利用了聲波在各向異性介質中傳播時對入射到傳 播介質中的光的布拉格衍射作用，如圖2所示，聲光可調諧濾波器40可采用現有技術中的 聲光可調諧濾波器，由單軸雙折射晶體（通常采用的材料為二氧化碲（Te0 2)，粘合在單軸晶 體一側的壓電換能器，以及射頻作用于壓電換能器的高頻信號源等組成。
[0042] 當輸入一定頻率的射頻信號時，聲光可調諧濾波器40會對入射多色光進行衍射， 從中選出波長為λ的單色光。單色光的波長λ與射頻頻率f有一一對應的關系，只要通 過電信號的調諧即可快速、隨機改變輸出光的波長。聲光可調諧濾波器40能實現全光譜范 圍的解調，因此將聲光可調諧濾波器40的這一特性應用于光纖光柵應變解調中，解決了目 前光纖光柵應變解調難以大規(guī)模實現的問題。
[0043] 聲光可調諧濾波器40可以選擇任何一個波長范圍進行連續(xù)掃描，可以根據被測 光纖光柵傳感的有效波段進行選取掃描，縮短了掃描時間，提高了解調速度，解決了目前光 纖光柵應變解調難以高速實現的問題；聲光可調諧濾波器40為全固態(tài)分光器件，無移動部 件，抗震性能好，采用全密封設計，對環(huán)境影響（如應變、濕度、粉塵等）不敏感，儀器工作穩(wěn) 定，解決了目前光纖光柵應變傳感解調系統(tǒng)的溫度漂移問題。
[0044] 轉換驅動裝置50,包括：光電轉換模塊501、信號處理模塊502、射頻驅動控制器 503、運算放大電路504。光電轉換模塊501的功能是將AOTF輸出的光信號轉換為電信號， 經過光電轉換后的電流信號可以通過運算放大電路504,對電流信號進行放大，得到放大的 電流信號。優(yōu)選的，光電轉換模塊501為PIN光電二極管。
[0045] 信號處理模塊502,信號處理模塊502的作用包括數據采集、信號的存儲與傳輸， 以傳輸到上位機系統(tǒng)對光纖光柵數據的應變進行處理。
[0046] 射頻驅動控制器503主要為A0TF (聲光可調諧濾波器）40設計，通過調節(jié)信號處 理模塊502輸入的信號的電壓，來改變驅動的輸出頻率，進而影響A0TF的波長輸出。
[0047] 運算放大電路504,運算放大電路504(簡稱"運放電路"）是具有很高放大倍數的 電路單元，用于對經過光電轉換模塊501轉換后的電流信號進行放大，得到需要的電流信 號。
[0048] 基準光柵60，優(yōu)選的，可以米用未封裝的光纖光柵。光纖光柵是利用光纖材料的光 敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的 折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個 窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。
[0049] 光開關70,光開關70是一種具有一個或多個可選的傳輸端口的光學器件，其作用 是對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行物理切換或邏輯操作。
[0050] 光纖光柵應變傳感器80,能夠將感知外界的應變信息，并將應變信息轉變?yōu)楣饫w 光柵應變傳感器80中心波長的變化。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光 的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從 而形成空間的相位光柵。當光纖光柵受到應力作用時，光纖光柵的中心波長將會漂移，依據 光纖光柵的應變傳感特性能實現應變的解調。
[0051] 此種傳感器是工程領域中應用最廣泛，技術最成熟的光纖傳感器。應變直接影響 光纖光柵的波長漂移，在工作環(huán)境較好或是待測結構要求較小傳感器的情況下，人們將裸 光纖光柵作為應變傳感器直接粘貼在待測結構的表面或者是埋設在結構的內部。由于光纖 光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝后才能使用。目前 常用的封裝方式主要有基片式、管式和基于管式的兩端夾持式。
[0052] 本實用新型的光纖光柵應變檢測裝置，基于A0TF (聲光可調諧濾波器）全光譜范 圍的解調技術設計的光纖光柵傳感、解調系統(tǒng)，跟目前基于FFP (可調諧光纖濾波器）技術 的光纖光柵傳感、解調系統(tǒng)相比，大大提高了系統(tǒng)的傳感、解調范圍，解決了光纖光柵傳感 大規(guī)模應用的瓶頸問題。A0TF(聲光可調諧濾波器）40可以選擇任何一個波長范圍進行 連續(xù)掃描，可以根據被測光纖光柵傳感的有效波段進行選取掃描，縮短了掃描時間，解決了 光纖光柵高速傳感解調的問題。A0TF為全固態(tài)分光器件，無移動部件，抗震性能好，采用 全密封設計，對環(huán)境影響（如應變、濕度、粉塵等）不敏感，儀器工作穩(wěn)定，解決了目前采用 FFP (可調諧光纖濾波器）技術的光纖光柵應變傳感解調系統(tǒng)的溫度漂移問題。
[0053] 以上公開的僅為本實用新型的幾個具體實施例，但是，本實用新型并非局限于此， 任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，包括：復合光源、耦合器、光環(huán)形器、聲光 可調諧濾波器、轉換驅動裝置、基準光柵、光開關、光纖光柵應變傳感器，所述復合光源與所 述耦合器耦合連接； 所述耦合器通過所述光環(huán)形器與所述基準光柵相連；所述光環(huán)形器通過所述聲光可調 諧濾波器與所述轉換驅動裝置相連；所述基準光柵通過所述光開關與所述光纖光柵應變傳 感器相連。
2. 根據權利要求1所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述轉換驅動裝置包 括：光電轉換模塊、信號處理模塊、射頻驅動控制器，所述聲光可調諧濾波器通過所述光電 轉換模塊與所述信號處理模塊相連； 所述射頻驅動控制器分別與所述聲光可調諧濾波器、所述信號處理模塊相連。
3. 根據權利要求2所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述轉換驅動裝置還 包括運算放大電路，所述光電轉換模塊通過所述運算放大電路與所述信號處理模塊相連。
4. 根據權利要求1所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述復合光源包括兩 塊不同光譜范圍的寬帶光源。
5. 根據權利要求1所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述耦合器為波導式 光纖稱合器。
6. 根據權利要求1-5任意一項所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述耦合 器的開角在30°以內。
7. 根據權利要求1所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述光環(huán)形器為三端 口光環(huán)形器。
8. 根據權利要求1所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述聲光可調諧濾波 器包括單軸雙折射晶體、壓電換能器、高頻信號源，所述壓電換能器粘合在所述單軸雙折射 晶體的一側； 所述高頻信號源對所述壓電換能器進行射頻作用。
9. 根據權利要求2所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述光電轉換模塊為 PIN光電二極管。
10. 根據權利要求1所述的光纖光柵應變檢測裝置，其特征在于，所述基準光柵為未封 裝的光纖光柵。
【文檔編號】G01B11/16GK203908511SQ201420329382
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權日:2014年6月19日
【發(fā)明者】何凡, 陳澤貴, 梁小斌, 李小娟 申請人:國家電網公司, 北京南瑞智芯微電子科技有限公司