基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910820420.7 (22)申请日 2019.09.01 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 张学智刘召柱刘铁根江俊峰 刘琨王双蒋磊徐棒田 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 李素兰 (51)Int.Cl. G01B 11/16(2006.01) G01B 21/04(2006.01) (54)发明名称 基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度 稳定系统及方法 (57)摘要 本发明。

2、公开了一种基于波长跟随的相移光 纤光栅传感灵敏度稳定系统及方法， 包括相移光 纤光栅(1)、 光电平衡探测器(3)、 光纤环形器 (4)、 可调谐窄线宽激光器(5)、 数据采集卡(6)和 控制系统(7)； 相移光纤光栅(1)的透射光与反射 光同时输入光电平衡探测器(3)， 进行反射光谱 与透射光谱的差分放大； 所述可调谐窄线宽激光 器(5)输出的光波进入相移光纤光栅(1)， 控制系 统(7)分别与数据采集卡(6)和可调谐窄线宽激 光器(5)进行通信。 本发明能够实现系统高灵敏 度检测时的灵敏度稳定性要求， 消除因环境温度 和光热效应导致的相移光纤光栅温度与应变交 叉敏感的问题。 权利要求书2页。

3、 说明书5页 附图3页 CN 110736436 A 2020.01.31 CN 110736436 A 1.一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统， 其特征在于， 该系统包括 相移光纤光栅(1)、 光电平衡探测器(3)、 光纤环形器(4)、 可调谐窄线宽激光器(5)、 数据采 集卡(6)和控制系统(7)； 所述相移光纤光栅(1)分别具有透射端(101)和反射端(102)， 所述 光电平衡探测器(3)分别具有两个光输入接口一和光输入接口二(301)(302)和一个光输出 接口(303)， 所述光纤环形器(4)分别具有端口一至三(401)(402)(403)， 所述可调谐窄线宽 激光器。

4、5分别具有光输入端(501)和光输出端(502)， 所述数据采集卡(6)分别具有信号输入 端(601)和信号输出端(602)； 其中： 所述光电平衡探测器(3)的任意光输入接口与透射端(101)相连接， 对应地， 另一光输 入接口则与光纤环形器(4)的端口三(403)相连接， 所述光纤环形器(4)的端口一(401)与所 述可调谐窄线宽激光器(5)的光输入端(501)相连接， 所述光纤环形器(4)的端口二(402)与 透所述反射端(102)相连接； 所述光电平衡探测器(3)的光输出接口(303)与数据采集卡(6) 的信号输入端(601)相连接， 所述数据采集卡(6)的信号输出端(602)与控制系。

5、统(7)相连 接， 所述可调谐窄线宽激光器(5)的光输出端(502)与控制系统(7)相连接； 所述相移光纤光栅(1)的透射光与反射光同时输入到光电平衡探测器(3)中， 在所述光 电平衡探测器(3)中进行反射光谱与透射光谱的差分放大， 所述可调谐窄线宽激光器(5)输 出的光波通过所述光纤环形器(4)进入所述相移光纤光栅(1)， 所述控制系统(7)分别与数 据采集卡(6)和可调谐窄线宽激光器(5)进行通信。 2.如权利要求1所述的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统， 其特 征在于， 所述光电平衡探测器(3)对接收到的相移光纤光栅的透射光和反射光进行差分放 大， 使得光电平衡探测器(3。

6、)输出的交流信号倍增且噪声信号衰减， 并将输入的光信号转换 为电信号后输出。 3.如权利要求1所述的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统， 其特 征在于， 所述相移光纤光栅1的透射光的光谱与反射光的光谱均只具有一个超窄峰。 4.如权利要求1所述的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统， 其特 征在于， 所述相移光纤光栅1的相移量为 ， 且相移点位于栅区中心。 5.一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定方法， 用于相移光纤光栅传感时 灵敏度的稳定， 其特征在于， 该方法具体过程如下： 步骤一： 利用可调谐窄线宽激光器进行波长扫描输出， 从而快速的定位到相移光纤光 栅光。

7、谱中的超窄峰所在位置， 同时， 利用控制系统提取光电平衡探测器输出的直流信号； 步骤二： 利用那个控制系统判断直流信号是否为零， 若直流信号为零， 则定位相移光纤 光栅光谱中超窄峰的位置， 若直流信号不为零， 则继续执行步骤一， 当定位到超窄峰的位置 时， 可调谐窄线宽激光器输出的光波长处于相移光纤光栅超窄峰透射率为50的位置， 相 移光纤光栅的传感灵敏度最高， 且光电平衡探测器的输出端的直流信号越接近零， 相移光 纤光栅的传感灵敏度越高； 步骤三： 在定位出相移光纤光栅光谱中超窄峰的位置后， 控制系统立即停止可调谐窄 线宽激光器波长扫描输出， 同时控制系统开始光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 。

8、光波长跟 随超窄峰漂移的控制阶段保证了可调谐窄线宽激光器输出的光波长始终接近相移光纤光 栅超窄峰透射率为50的位置， 即保证了可调谐窄线宽激光器输出的光波长始终跟随相移 光纤光栅超窄峰的移动； 权利要求书 1/2 页 2 CN 110736436 A 2 步骤四： 在光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 由控制系统实时监测直流信号是否处于 直流信号的阈值范围： 若直流信号处于直流信号的阈值范围， 则继续执行光波跟随超窄峰 漂移的控制阶段， 此时认为相移光纤光栅的传感灵敏度符合要求， 不需要对可调谐窄线宽 激光器输出的光波长进行调谐； 否则， 由控制系统判断直流信号不处于直流信号阈值范围 的持续时间是。

9、否超过时间判断值： 若未超过时间判断值， 则继续执行光波跟随超窄峰漂移 的控制阶段； 否则， 由控制系统对可调谐窄线宽激光器输出的光波长进行调谐， 直至直流信 号再次处于直流信号的阈值范围， 调谐窄线宽激光器输出的光波长重新接近相移光纤光栅 超窄峰透射率为50的位置， 并重新跟随超窄峰的漂移； 步骤五： 在控制系统对可调谐窄线宽激光器输出的光波长进行调谐后， 继续执行光波 跟随超窄峰漂移的控制阶段。 6.如权利要求1所述的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定方法， 其特 征在于， 所述相移光纤光栅的透射光的光谱与反射光的光谱均只具有一个超窄峰。 7.如权利要求1所述的一种基于波长跟随的。

10、相移光纤光栅传感灵敏度稳定方法， 其特 征在于， 所述相移光纤光栅的相移量为 ， 且相移点位于栅区中心。 8.如权利要求1所述的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定方法， 其特 征在于， 所述步骤四中， 直流信号的阈值范围和时间判断值均可进行调节。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110736436 A 3 基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统及方法 技术领域 0001 本发明属于光纤传感领域， 特别是涉及一种相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统及 方法。 背景技术 0002 相移光纤光栅作为一种新型的光纤布拉格光栅， 是通过改变光纤布拉格光栅纤芯 折射率分布， 在普通光纤光栅的基。

11、础上于特定的位置引入一定的相移量而形成的。 由于相 移光纤光栅引入了相移， 导致其反射光谱和透射光谱分别出现了一个超窄峰， 且该超窄峰 的线宽极窄， 因此将相移光纤光栅应用在边缘滤波器法的光纤传感系统中可以提高系统的 分辨力， 实现比传统的光纤光栅传感器更高灵敏度的高精度传感。 但是， 使用相移光纤光栅 进行应变检测时， 由于环境温度的影响会产生温度与应变交叉敏感的问题， 温度的变化使 得超窄峰发生漂移， 且由于相移光纤光栅的超窄峰的斜率很大， 在谐振效应的作用下， 相移 点附近的光功率密度变高， 引起光热效应， 这种光热效应也会造成超窄峰发生一定的漂移。 因此， 在环境温度和光热效应的影响下。

12、， 当超窄峰漂移到一定程度时， 使用边缘滤波器法的 光纤传感系统的应变检测灵敏度迅速下降， 使其失去使用意义。 0003 现有技术中也出现了一些能在一定程度上解决相移光纤光栅温度与应变交叉敏 感的技术方案， 主要包括两大类： 一类是对相移光纤光栅采用特殊的封装结构或特殊的封 装材料， 如悬臂梁式封装结构、 金属桥式封装结构等， 当温度的变化作用于上述封装结构 时， 封装结构的作用力可以补偿相移光纤光栅的栅区变化， 或者使用负热膨胀系数的材料 对栅区进行封装， 当栅区在温度的影响下发生膨胀或者收缩时， 其封装材料的体积变化与 栅区变化为相反的趋势， 从而将栅区的变化抵消； 另一类是双光谱作差， 。

13、如采用两个相移光 纤光栅或采用一栅双超窄峰的方法， 这类方法中的两个超窄峰同时对温度进行传感， 但是 只有其中一个超窄峰进行应变传感， 利用两个超窄峰的光谱作差， 便可以消除温度的干扰， 只得到应变信号。 对于上述已存在的技术方案， 第一种方案的封装结构和封装材料会对相 移光纤光栅的检测灵敏度和准确度造成影响， 第二种方案虽然可直接得到应变信号， 但因 为温度发生的超窄峰漂移现象仍然存在， 这种方案只在超窄峰区域范围内有效。 因此， 上述 的两种方案都无法长期有效地解决相移光纤光栅温度与应变交叉敏感的问题。 发明内容 0004 为了弥补现有技术的不足， 本发明提出了一种基于波长跟随的相移光纤光。

14、栅传感 灵敏度稳定系统及方法， 主要用于克服相移光纤光栅高精度传感时温度与应变交叉敏感的 问题， 通过控制系统控制可调谐窄线宽激光器的输出波长， 使该波长跟随相移光纤光栅超 窄峰的移动， 从而能始终保持相移光纤光栅传感时的高灵敏度， 同时系统的响应时间短， 灵 敏度稳定精度高。 0005 本发明的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统， 该系统包括相 移光纤光栅1、 光电平衡探测器3、 光纤环形器4、 可调谐窄线宽激光器5、 数据采集卡6和控制 说明书 1/5 页 4 CN 110736436 A 4 系统7； 所述相移光纤光栅1分别具有透射端101和反射端102， 所述光电平衡探测。

15、器3分别具 有两个光输入接口一和光输入接口二301、 302和一个光输出接口303， 所述光纤环形器4分 别具有端口一至三401、 402、 403， 所述可调谐窄线宽激光器5分别具有光输入端501和光输 出端502， 所述数据采集卡6分别具有信号输入端601和信号输出端602； 其中： 0006 所述光电平衡探测器3的任意光输入接口与透射端101相连接， 对应地， 另一光输 入接口则与光纤环形器4的端口三403相连接， 所述光纤环形器4的端口一401始终与所述可 调谐窄线宽激光器5的光输入端501相连接， 所述光纤环形器4的端口二402始终与透所述反 射端102相连接； 所述光电平衡探测器3。

16、的光输出接口303与数据采集卡6的信号输入端601 相连接， 所述数据采集卡6的信号输出端602与控制系统7相连接， 所述可调谐窄线宽激光器 5的光输出端502与控制系统7相连接； 0007 所述相移光纤光栅1的透射光与反射光同时输入到光电平衡探测器3中， 在所述光 电平衡探测器3中进行反射光谱与透射光谱的差分放大， 所述可调谐窄线宽激光器5输出的 光波通过所述光纤环形器4进入所述相移光纤光栅1， 所述控制系统7分别与数据采集卡6和 可调谐窄线宽激光器5进行通信。 0008 所述光电平衡探测器3对接收到的相移光纤光栅的透射光和反射光进行差分放 大， 使得光电平衡探测器3输出的交流信号倍增且噪声。

17、信号衰减， 并将输入的光信号转换为 电信号后输出。 0009 本发明的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定方法， 用于相移光纤 光栅传感时灵敏度的稳定， 该方法具体过程如下： 0010 步骤一： 利用可调谐窄线宽激光器进行波长扫描输出， 从而快速的定位到相移光 纤光栅光谱中的超窄峰所在位置， 同时， 利用控制系统提取光电平衡探测器输出的直流信 号； 0011 步骤二： 利用那个控制系统判断直流信号是否为零， 若直流信号为零， 则定位相移 光纤光栅光谱中超窄峰的位置， 若直流信号不为零， 则继续执行步骤一， 当定位到超窄峰的 位置时， 可调谐窄线宽激光器输出的光波长处于相移光纤光栅超窄峰。

18、透射率为50的位 置， 相移光纤光栅的传感灵敏度最高， 且光电平衡探测器的输出端的直流信号越接近零， 相 移光纤光栅的传感灵敏度越高； 0012 步骤三： 在定位出相移光纤光栅光谱中超窄峰的位置后， 控制系统立即停止可调 谐窄线宽激光器波长扫描输出， 同时控制系统开始光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 光波 长跟随超窄峰漂移的控制阶段保证了可调谐窄线宽激光器输出的光波长始终接近相移光 纤光栅超窄峰透射率为50的位置， 即保证了可调谐窄线宽激光器输出的光波长始终跟随 相移光纤光栅超窄峰的移动； 0013 步骤四： 在光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 由控制系统实时监测直流信号是否 处于直流信号的阈值范。

19、围： 若直流信号处于直流信号的阈值范围， 则继续执行光波跟随超 窄峰漂移的控制阶段， 此时认为相移光纤光栅的传感灵敏度符合要求， 不需要对可调谐窄 线宽激光器输出的光波长进行调谐； 否则， 由控制系统判断直流信号不处于直流信号阈值 范围的持续时间是否超过时间判断值： 若未超过时间判断值， 则继续执行光波跟随超窄峰 漂移的控制阶段； 否则， 由控制系统对可调谐窄线宽激光器输出的光波长进行调谐， 直至直 流信号再次处于直流信号的阈值范围， 调谐窄线宽激光器输出的光波长重新接近相移光纤 说明书 2/5 页 5 CN 110736436 A 5 光栅超窄峰透射率为50的位置， 并重新跟随超窄峰的漂移；。

20、 0014 步骤五： 在控制系统对可调谐窄线宽激光器输出的光波长进行调谐后， 继续执行 光波跟随超窄峰漂移的控制阶段。 0015 与传统的技术解决方案思路完全不同， 本发明的具体有益效果如下： 0016 1、 本发明采用光电平衡探测器， 相移光纤光栅的透射光与反射光同时输入到光电 平衡探测器中， 进行反射光谱与透射光谱的差分放大， 使得光电平衡探测器输出的交流信 号倍增， 噪声信号衰减， 在进一步增强相移光纤光栅灵敏度的同时还可以降低系统噪声的 影响； 0017 2、 本发明结构简单且巧妙， 充分利用了光电平衡探测器输出的直流信号， 使直流 信号成为调谐可调谐窄线宽激光器输出波长的参考信号， 。

21、整个灵敏度稳定系统形成了闭环 反馈， 灵敏度稳定效果较好， 可以有效克服相移光纤光栅高精度传感时的温度与应变交叉 敏感的问题。 附图说明 0018 图1是本发明的基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统示意图； 0019 图2是本发明的相移光纤光栅的透射光谱与反射光谱差分示意图； 0020 图3是本发明的相移光纤光栅光谱差分后的传感灵敏度稳定原理示意图； 0021 图4是本发明的基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定方法流程图； 0022 附图标记： 0023 1、 相移光纤光栅， 2、 低噪声信号线， 3、 光电平衡探测器， 4、 光纤环形器， 5、 可调谐 窄线宽激光器， 6、 数据。

22、采集卡， 7、 控制系统， 101、 透射端， 102、 反射端， 301303、 光输入接 口一至二， 303、 光输出接口， 401403、 端口一至三， 501、 光输入端， 502、 光输出端、 601、 信 号输入端， 602、 信号输出端。 具体实施方式 0024 下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。 。 0025 如图1所示， 本发明的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定系统， 包 括相移光纤光栅1、 低噪声信号线2、 光电平衡探测器3、 光纤环形器4、 可调谐窄线宽激光器 5、 数据采集卡6和控制系统7。 其中， 相移光纤光栅1通过透射端101与光电平衡探。

23、测器3的光 输入接口一301通过光纤相连接， 光输入接口一301用于接收相移光纤光栅1的透射光； 相移 光纤光栅1的反射端102与光纤环形器4的端口二402通过光纤相连接， 光纤环形器4可使相 移光纤光栅1的反射光由端口二402传向端口三403； 所述的光纤行环形器4的端口三403与 光电平衡探测器3的光输入接口二302通过光纤相连接， 光输入接口二302用于接收相移光 纤光栅1的反射光， 光电平衡探测器3可以对接收到的相移光纤光栅1的透射光谱和反射光 谱进行差分， 并将输入的光信号转换为电信号后输出； 所述的可调谐窄线宽激光器5的光输 出端501与光纤行环形器4的端口一401通过光纤相连接，。

24、 可调谐窄线宽激光器5输出的光波 通过光纤环形器4进入相移光纤光栅1； 所述的数据采集卡6的信号输入端601与光电平衡探 测器3的输出端303通过低噪声信号线2相连接； 所述的控制系统7分别与数据采集卡6和可 调谐窄线宽激光器5进行通信。 说明书 3/5 页 6 CN 110736436 A 6 0026 作为本发明的一种实施方式， 相移光纤光栅1的透射端101也可以与光电平衡探测 器3的光输入接口二302通过光纤相连接， 与此同时， 光纤行环形器4的端口三403与光电平 衡探测器3的光输入接口一301通过光纤相连接， 若此时光电平衡探测器3将相移光纤光栅1 反射光谱对应的信号减去相移光纤光栅。

25、1透射光谱对应的信号， 则当所述的相移光纤光栅1 的透射端与光电平衡探测器3的光输入接口一301通过光纤相连接， 所述的光纤行环形器4 的端口三403与光电平衡探测器3的光输入接口二302通过光纤相连接时， 此时光电平衡探 测器3将相移光纤光栅1透射光谱对应的信号减去相移光纤光栅1反射光谱对应的信号。 0027 相移光纤光栅1的透射光谱与反射光谱均只具有一个超窄峰。 0028 相移光纤光栅1的相移量为 ， 且相移点位于栅区中心。 0029 光电平衡探测器3可以自动将相移光纤光栅1的透射光谱与反射光谱进行差分。 0030 如图2至图4所示， 本发明所述的一种基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳。

26、 定方法， 用于相移光纤光栅传感时灵敏度的稳定， 该方法具体实施过程如下： 0031 步骤一： 所述的可调谐窄线宽激光器5进行波长扫描输出， 从而可以快速的定位到 相移光纤光栅1光谱中的超窄峰所在位置， 同时所述的控制系统7提取光电平衡探测器3输 出的直流信号； 0032 步骤二： 所述的控制系统7判断直流信号是否为零， 若直流信号为零， 则定位相移 光纤光栅1光谱中超窄峰的位置， 若直流信号不为零， 则继续执行步骤一， 当定位到超窄峰 的位置时， 可调谐窄线宽激光器5输出的光波长处于相移光纤光栅1超窄峰透射率为50的 位置， 相移光纤光栅1的传感灵敏度最高， 且光电平衡探测器3的输出端303。

27、的直流信号越接 近零， 相移光纤光栅1的传感灵敏度越高； 0033 步骤三： 在定位出相移光纤光栅1光谱中超窄峰的位置后， 控制系统7立即停止可 调谐窄线宽激光器5波长扫描输出， 同时控制系统7开始光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 光波长跟随超窄峰漂移的控制阶段保证了可调谐窄线宽激光器5输出的光波长始终接近相 移光纤光栅1超窄峰透射率为50的位置， 即保证了可调谐窄线宽激光器5输出的光波长始 终跟随相移光纤光栅1超窄峰的移动； 0034 步骤四： 在光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 由所述的控制系统7一直监测直流信 号是否处于直流信号的阈值范围， 若直流信号处于直流信号的阈值范围， 则继续执行光波。

28、 跟随超窄峰漂移的控制阶段， 此时可认为相移光纤光栅1的传感灵敏度符合要求， 不需要对 可调谐窄线宽激光器5输出的光波长进行调谐， 否则由控制系统7判断直流信号不处于直流 信号阈值范围的持续时间是否超过时间判断值， 若未超过时间判断值， 则继续执行光波跟 随超窄峰漂移的控制阶段， 否则由控制系统7对可调谐窄线宽激光器5输出的光波长进行调 谐， 直至直流信号再次处于直流信号的阈值范围， 即可调谐窄线宽激光器5输出的光波长重 新接近相移光纤光栅1超窄峰透射率为50的位置， 并重新跟随超窄峰的漂移； 0035 步骤五： 在控制系统7对可调谐窄线宽激光器5输出的光波长进行调谐后， 继续执 行光波跟随超。

29、窄峰漂移的控制阶段。 0036 作为本发明的一种实施方式， 步骤四中的直流信号的阈值范围和时间判断值均可 进行调节。 0037 工作时， 首先由控制系统7使可调谐窄线宽激光器5进行波长扫描输出， 同时提取 直流信号， 控制系统7与使用者共同对提取到的直流信号进行判断， 当直流信号为零时， 此 说明书 4/5 页 7 CN 110736436 A 7 时定位到了相移光纤光栅1光谱中超窄峰的位置， 然后控制系统7停止可调谐窄线宽激光器 5进行波长扫描输出， 同时立即开始光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 接下来由控制系统7 判断直流信号是否处于直流信号阈值的上下限之间， 若直流信号是处于直流信号阈值的。

30、上 下限之间， 则继续进行光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 否则由控制系统7判断直流信号不 处于直流信号阈值范围内的持续时间是否超过时间判断值， 若持续时间没有超过时间判断 值， 则继续进行光波跟随超窄峰漂移的控制阶段， 否则由控制系统7对可调谐窄线宽激光器 5输出的光波长进行调谐， 然后由控制系统7再次判断直流信号是否处于直流信号的阈值范 围， 重复上述判断直流信号是否处于直流信号的阈值范围之后的内容， 以此使可调谐窄线 宽激光器5输出的光波长跟随相移光纤光栅1超窄峰的移动， 从而能始终保持相移光纤光栅 1传感时的高灵敏度， 达到克服相移光纤光栅1高精度传感时温度与应变交叉敏感的目的。 003。

31、8 以上显示和描述了本发明的基本原理、 主要特征和优点。 本领域技术人员应该了 解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变化和改进都 落入要求保护的本发明范围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。 说明书 5/5 页 8 CN 110736436 A 8 图1 图2 说明书附图 1/3 页 9 CN 110736436 A 9 图3 说明书附图 2/3 页 10 CN 110736436 A 10 图4 说明书附图 3/3 页 11 CN 110736436 A 11 。