一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统 技术领域 本发明涉及光纤光栅振动传感， 特别涉及一种基于少模光纤倾斜光栅的振动传感 系统及其检测方法。
背景技术 光纤光栅是由掺锗光纤经紫外光照射成栅形成的， 成栅后的光纤纤芯折射率呈现 周期性分布并产生布拉格光栅效应。 当光纤光栅所处环境的温度、 应力、 应变或其它物理量 发生变化时， 光栅的周期或纤芯折射率将发生变化， 从而使反射光的波长发生变化， 通过测 量物理量变化前后反射光波长的变化， 就可以获得待测物理量的变化情况。光纤光栅多用 于温度、 应力以及以此为基础而发展出的振动、 流量、 载荷疲劳、 结构损伤、 腐蚀等方面的分 布式检测系统。光纤光栅作为传感元件， 其优点很多， 如波长可编码， 利用光纤光栅阵列可 以进行准分布式光纤传感系统， 可发展成一种网络化、 低成本的智能传感系统。 与传统的电 子传感器相比， 光纤光栅传感系统可应用于高温、 高压和危险场合， 具有灵敏度高、 不受电 磁干扰、 可靠性高、 结构紧凑小巧、 成本低等一系列优点。 因此， 光纤光栅传感技术可应用于 更多的领域和场合中。
倾斜光纤光栅属于短周期光纤光栅， 其光栅平面与光纤光轴之间有轻微的倾斜， 它和普通光纤光栅的制作方法相同。倾斜光纤光栅相对于普通光纤光栅不同之处是， 它可 以将短波长的线芯中传输的基模耦合到后向的包层模式。 这种基模到包层模的耦合与外部 的扰动如应力、 温度、 弯曲以及折射率等有关， 倾斜光纤光栅可用于空气湿度传感、 环境折 射率传感、 振动和温度传感等领域。 但是在很多倾斜光纤光栅传感的应用中， 传感的依赖于 谐振波长的幅度和位置， 这需要价格昂贵的光谱测量设备。但是由于单模倾斜光纤光栅同 时对温度和振动敏感， 通过检测光纤光栅反射波长的移动无法反映温度和振动各自引起的 波长变化， 无法对温度和振动同时进行测量， 这是单模倾斜光纤光栅传感系统遇到的一大 难题。通常是在光纤光栅振动传感系统中， 需要采用温度补偿措施的来校准温度带来的测 量误差， 这就使得系统复杂， 增加额外成本且测量可靠性降低。 有人提出通过比较短波长处 包层模式的光强与原来纤芯中基模的反射光强， 来实现完全传感 ； 但是包层模式是一种衰 减模式， 光强随着传输会急剧衰减， 他们将两段单模光纤的纤芯设置微小的横向位移后熔 接在一起， 在这样的光纤纤芯不连续点处将波长较短的包层模重新耦合回光纤芯中， 其耦 合效率与光纤的弯曲程度有关， 就可以实现波长较短处的光信号与原来波长较长的基模信 号一起传输， 通过比较这两个波长处的光信号强度， 实现光纤弯曲传感。 这种方案的缺点是 两段光纤偏置熔接， 工艺复杂， 损耗大， 光纤容易断裂， 不利于其在各种场合的安装和调试， 难以实用化。
发明内容
为了克服上述光纤光栅传感器的缺点， 实现一种温度不敏感的光纤光栅振动传感 系统， 本发明提出一种基于少模光纤倾斜光栅的振动传感新方法， 该方法可制作一种结构简单、 性能可靠的、 具有实际应用价值的振动传感系统。
本发明提出一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统， 包括 ： 宽带光源用于产生具有 一定光谱带宽的光信号， 经 3dB 双向光纤耦合器馈送给少模光纤倾斜光栅， 再由少模光纤 倾斜光栅反射光信号后， 再反向传输给 3dB 双向光纤耦合器。少模光纤倾斜光栅用于反射 输入的基模 LP01 光信号并将基模光信号耦合为后向传输的相邻高阶模式 LP11 ； 后向反射的 光信号再由 3dB 双向光纤耦合器馈给 3dB 分束光纤耦合器， 经 3dB 分束光纤耦合器分两路 输给基模光学滤波器和高阶模光学滤波器， 基模光学滤波器实现基模 LP01 光信号带通滤 波， 高阶模光学滤波器实现相邻高阶模式 LP11 光信号带通滤波 ； 最后将基模和高阶模光信 号经滤波后送给两个光电探测器， 分别为基模光电探测器和高阶模光电探测器， 光电探测 器用于将光信号转换为电信号 ； 再将电信号经信号处理模块， 比较两路信号， 实现数据处理 和显示。
根据本发明 ： 光纤光栅振动传感系统， 作为传感核心元件的少模光纤倾斜光栅， 是 一种直接刻写在少模光纤中， 具有一定倾斜角度的布拉格光栅， 其中光栅倾斜角度为 1°～ 10°的布拉格光栅， 少模光纤所对应的归一化频率 V ： 2.41 ≤ V ≤ 3.83， 该少模光纤中仅允 许基模 LP01 和其相邻高阶模式 LP11 传输。基模输入光信号被该光栅反射后， 对应有两个谐 振波长 ： 基模谐振波长为 所对应的谐振波长为 斜角。 另外经过少模光纤倾斜光栅反射回来的光信号， 经过 3dB 双向光纤耦合器和 3dB 分束光纤耦合器后分为两路， 其中一路经过基模光学滤波器后仅使基模 LP01 光信号通过， 被基模光电探测器接收 ； 另外一路经过高阶模光学滤波器后仅使高阶模式 LP11 光信号通 过， 被高阶光电探测器接收。其中基模光学滤波器的中心波长大于高阶模光学滤波器的中 心波长， 两个光学滤波器的带宽均为 2 纳米。比较基模 LP01 光信号和相邻高阶模式 LP11 光 信号的强度， 测量少模光纤倾斜光栅的弯曲情况， 可以实现振动传感。
基模耦合到后向传输的相邻高阶模式 LP11 其中 Λ 为光栅周期常数， θ 为光栅倾附图说明
图 1、 少模光纤倾斜光栅振动传感系统示意图 ： 其中各标号含意 ： 11 为宽带光源， 12 为 3dB 双向光纤耦合器， 14 为 3dB 分束光纤耦合器， 13 为少模光纤倾斜光栅， 15 为基模 光学滤波器， 17 为高阶模光学滤波器， 16 为基模光电探测器， 18 为高阶模光电探测器， 19 为 信号处理模块。
图 2、 少模光纤倾斜光栅示意图， 作为振动传感关键元件。 具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明具体实施方式。 ( 图 1 所示 ) 根据本发明实施例 ： 少 模光纤倾斜光栅振动传感系统， 包括 ： 宽带光源 (11)， 用于产生具有一定光谱带宽的光信 号； 两个 3dB 光纤耦合器， 分别为 3dB 双向光纤耦合器 (12) 和 3dB 分束光纤耦合器 (14)， 用于光信号耦合及分束 ； 少模光纤倾斜光栅 (13)， 用于反射输入的基模 LP01 光信号和将基 模光信号后向耦合为高阶模式 LP11 ； 两个光学滤波器， 分别为基模光学滤波器 (15)， 实现基模 LP01 光信号带通滤波 ： 高阶模光学滤波器 (17)， 实现高阶模式 LP11 光信号带通滤波。两 个光电探测器， 分别为基模光电探测器 (16) 和高阶模光电探测器 18)， 用于将光信号转换 为电信号。信号处理模块 (19)， 比较两路电信号， 实现数据处理和显示。宽带光源 (11)、 少 模光纤倾斜光栅 (13)、 3dB 光纤耦合器 (12 和 14)、 光学滤波器 (15 和 17) 以及带尾纤的光 电探测器 (16 和 18) 用光纤熔接机熔接在一起。
宽带光源 (11) 可以是 SLD 光源和 ASE 光源的一种， 宽带光源的光谱范围可根据少 模光纤倾斜光栅的谐振波长来选择， 要求宽带光源的光谱范围能够覆盖少模光纤倾斜光栅 的两个谐振波长 ； 且当温度在一定范围变化时， 宽带光源的光谱范围仍然能够覆盖少模光 纤倾斜光栅的两个谐振波长的移动区间。
图 2 作 为 传 感 核 心 元 件 的 少 模 光 纤 倾 斜 光 栅 (13)， 是一种直接刻写在少模 光纤上、 具有 0 ～ 8° 倾斜角度的布拉格光栅， 其中少模光纤所对应的归一化频率 V ： 2.41 ≤ V ≤ 3.83， 该少模光纤中仅允许基模 LP01 和其相邻高阶模式 LP11 传输。采用紫外激 光刻写技术， 利用相位掩模板在少模光纤上刻写具有一定倾斜角度的倾斜布拉格光栅， 然 后将少模光纤倾斜光栅封装， 作为振动传感元件。基模输入光信号被该少模光纤倾斜光栅 反射后， 对应有两个谐振波长 ： 基模谐振波长为 模式 LP11 所对应的谐振波长为 基模耦合到相邻高阶 其中基模 LP01 光信号反射波长 λLP01 大于基模耦合到高阶模式 LP11 所对应谐振波长 λLP11。当温度变化或应变导致光栅 周期常数 Λ、 基模和相邻高阶模式的有效折射率 neff 改变时， 相应的谐振波长 λLP01 和 λLP11 会改变。
基模光学滤波器 (15) 的中心波长为 λLP01， 带宽为 2nm ； 高阶模光学滤波器 (17) 的 中心波长为 λLP11， 带宽也为 2nm。选择光学滤波器的带宽为 2nm， 主要是考虑当温度在一定 范围内变化时或者光纤光栅产生应变时， 少模光纤倾斜光栅对应的谐振波长仍然可以落在 光学滤波器的带宽之内。
光栅弯曲时， 除了导致光栅周期常数 Λ、 基模和相邻高阶模式的有效折射率 neff 会改变外， 还会导致光栅倾斜角发生变化， 从而导致基模谐振波长 (λLP01) 处反射光强和基 模到相邻高阶模式耦合所对应的谐振波长 (λLP11) 处光强发生变化。只要测量 λLP01 处的 光强和 λLP11 处的光强变化， 通过比较两个光强的变化， 就可确定少模光纤倾斜光栅的弯曲 情况， 即可通过少模光纤倾斜光栅实现振动传感。
本发明的少模光纤倾斜光栅振动传感系统的工作过程如下 ： 宽带光源 (11) 发出 的光信号经过 3dB 双向光纤耦合器 (12) 进入少模光纤倾斜光栅 (13)， 被少模光纤倾斜光栅 (13) 反射后， 基模反射光信号 (λLP01) 和基模后向耦合到相邻高阶模式光信号 (λLP11) 又依 次经过 3dB 双向光纤耦合器 (12) 和 3dB 分束光纤耦合器 (14) 分为两路。其中一路光信号 通过基模光学滤波器 (15) 滤波后， 基模光信号 (λLP01) 被基模光电探测器 (16) 探测 ： 另外 一路光信号通过高阶模光学滤波器 (17) 滤波后， 高阶模式光信号 (λLP11) 被高阶模光电探 测器 (18) 探测， 两路探测数据输入信号处理模块 (19)， 比较两路信号， 实现数据处理和显 示。当传感元件由于振动产生弯曲时， 就会引起传感元件少模光纤倾斜光栅的两个谐振波 长 λLP01 和 λLP11 处的光强改变， 通过比较两个光强的变化， 从而实现振动的测量。
本项发明的创新之处在于 ： 在少模光纤上直接刻写倾斜光栅， 采用少模光纤倾斜光栅作为传感核心元件， 构成温度不敏感的振动传感系统， 具有实际的应用价值。 其优点是 用一个少模光纤倾斜光栅实现振动传感， 该系统对温度变化不敏感 ； 采用光强探测和两路 信号比较的数据处理方式， 成本低且灵敏度高。本发明适用于铁路、 智能电网、 桥梁以及飞 行器等各种场合的振动测量和安全检测。
尽管已经详细描述了本发明及其优点， 但应当理解， 在不背离由所附的权利要求 限定的本发明的精神和范围的情况下， 可以进行各种变化、 替换及改造。此外， 不意味着本 申请的范围限于说明书中描述的工艺、 设备、 制造、 以及物质组成、 手段、 方法和步骤的特定 实施例。 本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现 的工艺、 设备、 制造、 物质组成、 手段、 方法或步骤， 其与这里描述的根据本发明相应实施例 所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此， 期望所附的权利要求将 这样的工艺、 设备、 制造、 物质组成、 手段、 方法或步骤包括在它们的范围内。