阅读说明：本技术 基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置 (Optical cavity ring-down-based large-range high-precision fiber grating sensing method and device ) 是由 赵春柳 吴锴 毛邦宁 于 2020-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置。包括LED宽带光源、信号发生器、2×1光纤耦合器、传输光纤、光纤延时线、环形器、光纤光栅FBG、边缘滤波器、光电探测器,光纤光栅、PC机以及示波器。本发明使用光纤环形腔衰荡(FLRD)技术。而宽带光源的光谱有一定的范围,当光纤光栅受外界参量影响,发生波长变换时,均能够产生有效的反射光。边缘滤波器能使得通过其之后的光强与光纤光栅的波长呈线性的一一对应关系,从而使得腔内的输出损耗与光纤光栅的波长呈线性关系。由于衰荡时间由腔内的损耗所决定,所以通过测量衰荡时间即可实现对作用在光纤光栅的参量进行有效测量,从而实现大范围、高精度的测量。(The invention relates to a cavity ring-down based large-range high-precision fiber grating sensing method and device. The device comprises an LED broadband light source, a signal generator, a 2 x 1 optical fiber coupler, a transmission optical fiber, an optical fiber delay line, a circulator, an optical fiber grating FBG, an edge filter, a photoelectric detector, an optical fiber grating, a PC and an oscilloscope. The present invention uses a fiber ring cavity ring down (FLRD) technique. The spectrum of the broadband light source has a certain range, and when the fiber bragg grating is influenced by external parameters and wavelength conversion occurs, effective reflected light can be generated. The edge filter can make the light intensity after passing through the edge filter and the wavelength of the fiber grating in a linear one-to-one correspondence relationship, so that the output loss in the cavity and the wavelength of the fiber grating are in a linear relationship. Because the ring-down time is determined by the loss in the cavity, the effective measurement of the parameters acting on the fiber grating can be realized by measuring the ring-down time, thereby realizing the measurement with large range and high precision.)

基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置。

背景技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)边缘滤波器或反射镜。在实际测量中，光纤光栅相当于在光纤内部形成一个窄带边缘滤波器，将特定中心波长的光反射回去，当受到外界物理量变化时，其有效折射率与栅格周期会发生变化，中心波长随之发生改变，通过检测其中心波长的偏移量即可测量外界物理量的变化。光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为光电传感的重要器件。

光纤环形腔衰荡(FLRD)技术是一种新的光纤传感技术。这种技术模仿了衰荡的概念，利用光多次经过待测物质，形成一个循环式的衰荡，然后将输出的光信号利用光电探测器转换成电信号，在示波器可以看到衰荡的脉冲曲线，通过检测脉冲曲线衰荡的时间，可以得到待测物质的信息。由于检测的是衰荡的时间，因此能避免光源波动对检测的影响。光纤环形腔由光纤耦合器和一段长光纤组成，待测样品置于环形腔内，通过测量衰减时间，可以算出待测参量的有关信息。与传统的光谱技术相比，该技术避免了光谱仪的使用，使得系统整体造价低，且响应时间短，可以在快速检测、线检测中具有很强的优势。光纤环形腔衰荡技术具有不受光源波动影响、响应速度快、灵敏度高、稳定性好等优点。经过近十年的发展研究，该技术逐渐趋于成熟，可应用于液体折射率、气体浓度、温度、应变等参量的测量。

基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)的FLRD传感系统也具有光纤环形腔衰荡(FLRD)技术的优点，传感系统的检测灵敏度与光脉冲在光纤环路中传播的往返次数成正比，且光纤环路可长达几公里，有利于远距传感检测；与直接测试光强衰减或者波长漂移不同，该传感系统对光源波动不敏感，因此也保证了精度。但该传感系统的测量范围并不大，无法满足一些测量的需求。

发明内容

为了克服上述光纤环形腔衰荡(FLRD)技术的传感系统不能大范围的测量的问题。本发明提出了一种结构简单、稳定性好并基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置。

本发明为解决技术问题所采取的方法包括如下步骤：

步骤一：选择一台LED宽带光源，一个信号发生器，一个环形器，一根一定长度的光纤光栅FBG，一个边缘滤波器，一个光纤延时线，若干个耦合器，一台示波器，一台PC机，一个光电探测器。所述的FBG和边缘滤波器的中心波长需在LED宽带光源的覆盖范围内，所述FBG的中心波长需在边缘滤波器的覆盖范围内。

步骤二：信号发生器发出的电脉冲加载到LED宽带光源，获得一个调制的光脉冲信号，经宽带光源发出的光脉冲信号通过第一耦合器进入光纤延时线，通过光纤延时线后再经过第二耦合器，在第二耦合器处一部分的光信号输出由光电探测器探测放大处理后，再由示波器解调输出波形，另一部分光信号返回进入环形腔中，通过环形器进入FBG。

光纤光栅的中心波长与光纤光栅的有效折射率和周期有关，具体表达式为：

λ_B＝2n_effΛ， (1)

式(1)表示光纤光栅的中心波长λ_B与光纤纤芯有效折射率n_eff、光纤光栅周期Λ的关系；其中n_eff和Λ会随温度和应力的变化而变化。式(2)表示光纤光栅中心波长的变化量Δλ_B与温度T和应力ε的关系。α是光纤材料的热膨胀系数，p_ij是光纤材料的弹光张量分量，ξ是光纤材料的热光系数，Δε是应变变化量，ΔT是温度变化量，ν为光纤材料泊松比系数。光纤光栅的反射谱可以近似用高斯函数表示。

式(3)表示光纤光栅反射谱中反射强度f和光纤光栅中心波长ν₁的关系。λ为波长，Δλ表示传感光纤光栅(FBG)的中心波长的偏移量。

步骤三：经过FBG反射的信号再通过环形器进入边缘滤波器，经边缘滤波器解调滤波后再次进入第一耦合器，完成一个光腔循环，由于经过光纤光栅和边缘滤波器之后，光信号的强度发生了变化，产生了一定的损耗，当其多次经过光腔循环之后，形成了光腔衰荡周期性的光脉冲信号，每一次的输出信号均被光电探测器探测，从而在示波器上形成一个周期性衰减的信号。

边缘滤波器滤波曲线为：

F(λ)＝K(λ-λ₀) (4)

式(3)中，K为边缘滤波器的斜率，λ₀为零输出波长，即F(λ₀)＝0。当FBG的反射谱移动范围在滤波曲线线性区间时。

通过边缘滤波器之后的信号强度为：

I_i＝I₀·F(λ)·f (5)

式(5)中，,F(λ)为边缘滤波器的滤波曲线，f为光纤光栅(FBG)的反射谱函数，I₀为输入到系统的初始光强。

在FLRD系统中，探测器能探测到的光强为：

I为探测器探测到的实时光强，I₀为输入到系统的初始光强。t为时间，光腔的衰荡时间τ被定义为光衰减到其初始强度的1/e所需的时间，n为衰荡腔的折射率，L为衰荡腔的长度。c为光速。A为固定损耗。对于给定的光纤环路，式中的的n、L、c、A均为常数。额外的损耗B由线性滤波器所决定。当外部参量(例如改变压力、温度等)作用在光纤光栅FBG时，它的反射波长发生了变化，由此导致经过线性滤波器的透射光强度发生了变化。可以用式(4)表示，当λ移动的越大，透射率就越低，造成的额外损耗B就越大。伴随着额外损耗B的增大，衰荡时间τ就越小，通过对衰荡时间τ变化的测量，可以对外部参量的变化进行检测。

发明为解决技术问题采取的装置：

光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感装置包括：LED宽带光源、信号发生器、2×1光纤耦合器、传输光纤、光纤延时线、环形器、光纤光栅FBG、边缘滤波器、光电探测器，光纤光栅、PC机以及示波器。

2×1光纤耦合器包括第一耦合器和第二耦合器。

宽带光源通过电缆与信号发生器的输出口连接，第一耦合器一侧的两个端口分别与宽带光源和光纤延时线的一端相连，光纤延时线的另一端与第二耦合器的一端口一端相连，环形器的1口与第二耦合器的一端相连，环形器的2口与光纤光栅(FBG)相连，环形器的3口与边缘滤波器的一端相连，边缘滤波器的另一端与第一耦合器的一端相连，光电探测器的输入口与第二耦合器的一端相连，PC机通过USB线与光电探测器相连，光电探测器的输出口与示波器通过光缆相连。第一耦合器、光纤延时线、第二耦合器、环形器、光纤光栅(FBG)和边缘滤波器构成衰荡腔结构，光纤光栅(FBG)作为传感区，光电探测器、PC机和示波器作为传感器的解调器；监测不同待测量时光强的衰减变化曲线，通过测量曲线的衰荡时间，实现待测量的测量。

本发明的有益效果为：

本发明的光源使用了宽带光源，并加入了边缘滤波器，宽带光源具有一定宽度的能量谱，再经过边缘滤波器的信号线性调制之后，使得装置系统测量范围变大，测量精度变的更加准确。

本发明中光源强度改变对衰荡腔系统测量结果没有影响，只要光强在探测范围内即可。而且衰荡腔技术测量的是一个衰荡时间值，是一个相对值，不需要定标，不容易被背景光淹没。

附图说明

图1为本发明光腔衰荡技术大范围高精度光纤光栅传感装置的示意图。

图2为本发明如何实现大范围高精度测量的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，光腔衰荡技术大范围高精度光纤光栅传感装置包括信号发生器1、宽带光源2、第一耦合器3、光纤延时线4、第二耦合器5、环形器6、光纤光栅(FBG)7、边缘滤波器8、光电探测器9、PC机10以及示波器11。宽带光源2通过电缆与信号发生器1的输出口连接，第一耦合器3的端口301与宽带光源2相连，第一耦合器3的端口302与光纤延时线4相连，光纤延时线4的另一端与第二耦合器的端口501相连，环形器的601口与第二耦合器的端口503相连，环形器的602口与光纤光栅(FBG)7相连，环形器的603口与边缘滤波器8的一端相连，边缘滤波器8的另一端与第一耦合器的端口303相连，光电探测器9的输入口与第二耦合器3的端口502相连，PC机10通过USB线与光电探测器9相连，光电探测器9的输出口与示波器11通过光缆相连。第一耦合器3、光纤延时线4、第二耦合器5、环形器6、光纤光栅(FBG)7和边缘滤波器8构成衰荡腔结构，光纤光栅(FBG)7作为传感区，光电探测器9、PC机10和示波器11作为传感器的解调器。

本发明的工作方式为：宽带光源2的光波经过信号发生器1产生时序脉冲信号光，由光纤输入到第一耦合器3，再从第一耦合器3的端口302传输到光纤延时线4，由光纤延时线4传输到第二耦合器5，一部分的脉冲信号光经过第二耦合器5的端口503往环形器6传输，另一部分的光信号经过502端口往光电探测器传输。经过环形器6的信号光从端口601输入，经过端口602至光纤光栅(FBG)7的的进行传感，传感得到的信号光由端口603传输至边缘滤波器8进行线性选择处理，经过边缘滤波器8的信号再由第一耦合器3的端口303进入下一个衰荡循环。经过光电探测器9的电信号转换成光信号，通过PC机10的调节参数信号放大，最终在示波器11上显示输出的波形。

光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感的装置，其特征在于使用了有一定宽度的LED宽带光源，从图2-1可以看到LED宽带光源的光谱具有一定的范围，在系统装置进行测量时，光纤光栅受外界参量影响，发生波长变换时，均能够产生有效的反射光。通过在该装置中加入了边缘滤波器，使得通过边缘滤波器之后的光强与光纤光栅的波长呈线性的一一对应关系，从而使得腔内的输出损耗与光纤光栅的波长呈线性关系。从图2-2中可以看到被边缘滤波器作用过之后宽带光源所输出的能量谱，输出的能量被线性的选择了，从图2-3中可看到。而经过线性处理过的信号最后被检测的精确度也进一步的提升。通过信号发生器控制宽带光源输出脉冲序列，检测在相同脉冲序列，不同待测量情况下，输出光强变为输入光强的所需要的时间。不同待测量对应不同的损耗，衰荡时间也不同。衰荡腔内的损耗只与待测量有关，与其他因素无关，排除了其他因素对测量的影响，从而完成对带测量的精准测量。通过这种装置使得测量的范围变大，精准度也变高。

该装置能够实现光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感方法及装置的关键技术有：

1.选用宽带光源而不是单一波长的光源。宽带光源的光谱有一定的范围，光纤光栅受外界参量影响，发生波长变换时，均能够产生有效的反射光。

2.在该装置中加入了边缘滤波器，使得通过边缘滤波器之后的光强与光纤光栅的波长呈线性的一一对应关系，从而使得腔内的输出损耗与光纤光栅的波长呈线性关系。由于衰荡时间由腔内的损耗所决定，所以通过测量衰荡时间即可实现对作用在光纤光栅的参量进行有效测量，从而实现大范围、高精度的测量。

本发明的一个具体实施例中，宽带光源SLED-1550，谱宽为55nm；信号发生器的脉冲波的调制频率为10kHz。传感光纤光栅(FBG)制备在G.652单模光纤，长度为15mm，工作波长为1547.3nm，3dB带宽，损耗为0.01dB。边缘滤波器，其作用范围在1540nm至1555nm，边缘滤波器的斜率K为0.68,1540nm为边缘滤波器的零输出波长λ₀；待测量为轴向应力，将传感光纤光栅(FBG)两端固定在移动平台的夹具上，通过夹具向两侧移动，对传感光纤光栅(FBG)施加轴向应力；光纤选用G.652单模光纤；光电探测器为雪崩光电二极管(APD)，工作波长为1.0～2.9μm，待测量的范围为0μm-300μm，测量的精度可达0.005μm。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。