專利名稱：圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及光纖光柵傳感器的解調(diào)器，特別是一種圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，主要用于光纖傳感、光學測量、光器件波長調(diào)諧的技術(shù)領(lǐng)域。
在先技術(shù)中，對于光纖光柵波長編碼的解調(diào)過程，傳統(tǒng)手段是使用光譜儀、單色儀或者波長計等儀器。除此之外人們已經(jīng)提出了一些新型的波長信息解調(diào)的方案，如馬赫-曾德干涉儀法、可調(diào)法布里-珀羅濾波器法、匹配光纖光柵濾波器法等。歸納起來，光纖光柵反射光波長的解調(diào)技術(shù)可以分為以下幾種類型1、被檢測傳感頭反射回來的具有一定的光信號直接輸入到光譜儀、單色儀或波長計中，直接測量出光纖光柵反射信號的波長位置。如在先技術(shù)[1]劉志國等，高靈敏度光纖光柵傳感特性測試儀研究，光子學報，1999，28(2)138-141。這種解調(diào)方式簡單、測量精度高，但是這些儀器昂貴而且不易攜帶。只適合于實驗室使用，不便應(yīng)用于實際傳感系統(tǒng)中。
2、利用可調(diào)諧激光器作為測試光源，輸出的激光波長在一定的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，根據(jù)光信號在掃描周期中的位置，可以得出被測光纖光柵反射光波長的變化，或者得出測量光纖光柵與參考光纖光柵的反射光波長。如在先技術(shù)[2]Soek Hyun Yun，et al.，Interrogation for fiber grating sensor arrayswith wavelength-swept fiber laser，Optics Letters，1998，23(11)843-845；和在先技術(shù)[3]關(guān)柏歐等，一種高分辨率的光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)，光學學報，2000，20(11)1509-1513。這種方法的優(yōu)點是反射光能量高，而且只要一般的光功率計作接受元件，信號易于檢測，分辨率高，多路復用的實現(xiàn)簡單。但是這種方法的不足是光源的設(shè)計制作難度大，成本高。
3、利用寬帶光源作為測試光源，利用濾波器或可調(diào)諧濾波器作傳感光纖光柵反射光信號的解調(diào)元件，用光功率計來檢測光信號。這種方法又可以分成反射型和透射型兩類。前者的原理如下從傳感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若與接收端FBG的反射光波長一致，則被反射到探測器上。通過PZT驅(qū)動接收FBG進行微調(diào)，得到傳感FBG的峰值波長。該方法的精度受光源穩(wěn)定性和外界干擾的限制，對探測端FBG光譜的穩(wěn)定性要求高。在先技術(shù)[4]M.A.Davis，et al.，Matched-filter interrogation techniquefor fiber Bragg grating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)822-823提出了透射型的測量方案。該方案與反射型的區(qū)別在于光電探測器不是放在接收端FBG反射光的位置，而是置于透射光的位置，通過監(jiān)測透射光的有無來確定是否匹配，從而提高了探測靈敏度。這一方法要求接收端FBG與傳感FBG波長接近，傳感和解調(diào)的波長范圍比較小。
4、邊緣濾波法，即采用一種具有線寬較大，透過率呈線性變化的濾波器，與傳感FBG的反射光波長相卷積，得到的信號同F(xiàn)BG峰值波長的位置成比例，因而可以從信號大小推知FBG波長位置，如在先技術(shù)[5]A.D.KerseyA review of recent developments in fiber optic sensor technology，Optical FiberTechnology，1996，2，291-317。這一方法要求解調(diào)濾波器線性好，要求系統(tǒng)各個元部件參數(shù)穩(wěn)定。因此使用條件比較苛刻。
由于上述方法存在的缺陷，光纖光柵傳感系統(tǒng)中的解調(diào)技術(shù)成為這一傳感技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙之一。
本發(fā)明的基本原理是利用光纖光柵的應(yīng)變調(diào)諧特性，對光纖光柵傳感頭的光譜特性進行掃描，實現(xiàn)解調(diào)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它的構(gòu)成是含有光纖光柵的光纖段以一定角度粘貼在一圓柱形桿的外表面上，該圓柱形桿的一端固定在夾具上，使圓柱形桿的這一端保持不動，該圓柱形桿的另一端的頸部安裝在轉(zhuǎn)動配合的軸承支架內(nèi)，該圓柱形桿的運動端頭橫向裝有一扳手連桿，該扳手連桿與一馬達連接形成驅(qū)動關(guān)系，所述的夾具、軸承支架、馬達固定在一機殼上。
所述的圓柱形桿上以同一角度大致平行地粘貼分別具有不同峰值波長的多根光纖光柵。
所述的圓柱形桿為空心的圓柱形桿。
本發(fā)明的優(yōu)點和特點是(1)本發(fā)明采用可調(diào)諧光纖光柵作為傳感光波長信號的讀出器件。同采用光譜儀、單色儀、波長計的方法相比較，成本低廉得多，便于推廣應(yīng)用。
(2)本發(fā)明的信號解調(diào)裝置，全部采用光纖和光纖元器件，是一種全光纖的系統(tǒng)。各器件和元件之間，可以全部用光纖熔接機熔接，構(gòu)成一個整體。因此，使用穩(wěn)定可靠，容易實現(xiàn)儀器化。
(3)本發(fā)明利用光纖光柵的應(yīng)變敏感特性進行掃描，可以同時測量應(yīng)變傳感頭和溫度傳感頭的光纖光柵峰值波長。只要在二種傳感光纖光柵的光譜互不重疊，并且串接另一參考光纖光柵，就可以將應(yīng)變和溫度分別測量出來。
(4)本發(fā)明解調(diào)方法是一種光譜掃描方法，能夠讀出光纖光柵的峰值位置，與一些采用固定濾波器方法和采用干涉原理的方法相比，具有測量范圍大的優(yōu)點。
(5)本發(fā)明是一種對波長直接測量的方法，而不是從光強間接推算，數(shù)據(jù)可信度高。光纖光柵傳感器的優(yōu)點之一，是可以作為分布式測量系統(tǒng)，可以遠距離傳感多點的應(yīng)變和溫度信息，具有廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明光纖光柵調(diào)諧解調(diào)器作為傳感測量系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵器件，其使用價值得到充分的體現(xiàn)，具有良好的性價比，預期有很好的市場前景。
它的工作過程和解調(diào)原理簡單明了。當馬達轉(zhuǎn)動時，通過聯(lián)桿(圖未示)帶動扳手連桿14的一端作上下運動，推動圓柱桿11作左旋—右旋往復扭動。根據(jù)圓柱形彈性桿的力學方程，在園柱桿扭轉(zhuǎn)時，材料各部分發(fā)生形變，從而使固定在其側(cè)面上的光纖光柵1發(fā)生拉伸或壓縮應(yīng)變。根據(jù)彈性力學分析和光纖光柵調(diào)諧特性，光纖光柵1峰值波長的變化可以表示為Δλ/λ＝(1-γ)ε＝r(Δφ/2L)sin2β(3)式中γ為光纖的彈光系數(shù)，其典型值為0.22。r為圓柱桿的外徑。β為光纖與圓柱桿軸線方向之間的夾角。L為圓柱桿的長度。Δφ為圓柱桿運動端的扭轉(zhuǎn)角度(以弧度為單位)。當用馬達帶動時，它可以表示為
Δφ＝Δφ0sin(2πft) (4)因此光纖光柵將隨之發(fā)生周期性的應(yīng)變，使制作在光纖上的光纖光柵1的峰值波長發(fā)生周期性調(diào)諧。從式(3)可知，只要設(shè)計控制圓柱桿的半徑r、長度L，光纖與圓柱桿軸線方向之間的夾角β，圓柱桿運動端的扭轉(zhuǎn)角幅度Δφ0以及馬達的轉(zhuǎn)動頻率f，就能確定光纖光柵掃描的光譜變化范圍和掃描解調(diào)的速率。
為了增大解調(diào)器的測試范圍，在本發(fā)明的圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器中，可以采用峰值波長按一定間隔選擇的多根光纖光柵1級聯(lián)起來使用，其數(shù)量可以根據(jù)需要增減。

圖1中作為例子畫了四根光纖光柵，其峰值波長分別為λ1、λ2、λ3、λ4。只要它們在粘貼時保持同樣的角度，它們就具有同樣的調(diào)諧掃描速率。
本發(fā)明圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器的圓柱桿11采用彈性模量小、屈服強度高、耐疲勞的材料制作，以減小扭轉(zhuǎn)力距。為了進一步減小調(diào)諧所需的扭轉(zhuǎn)力矩，本發(fā)明圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器采用空心的圓柱桿11，如圖3所示。對于同一種勻質(zhì)彈性材料，對于要達到的相同調(diào)諧量，空心圓柱比實心圓柱桿所需的力距將減小(r4-r14)/r4倍。式中r1是圓柱內(nèi)壁的半徑。
本發(fā)明圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器經(jīng)試用表明，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、使用方便的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它的構(gòu)成是含有光纖光柵(1)的光纖段以一定角度粘貼在一圓柱形桿(11)的外表面上，該圓柱形桿(11)的一端固定在夾具(12)上，使圓柱形桿(11)的這一端保持不動，該圓柱形桿(11)的另一端的頸部安裝在轉(zhuǎn)動配合的軸承支架(13)內(nèi)，該圓柱形桿(11)的運動端頭橫向裝有一扳手連桿(14)，該扳手連桿(14)與一馬達連接形成驅(qū)動關(guān)系，所述的夾具(12)、軸承支架(13)、馬達固定在機殼(6)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的圓柱形桿(11)上以同一角度大致平行地粘貼分別具有不同峰值波長(λ1、λ2、……、λn)的多根光纖光柵(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于所述的圓柱形桿(11)為空心的圓柱形桿。
全文摘要
一種圓柱扭轉(zhuǎn)調(diào)諧光纖光柵傳感解調(diào)器，其特征在于它的構(gòu)成是含有光纖光柵的光纖段以一定角度粘貼在一圓柱形桿的外表面上，該圓柱形桿的一端固定在夾具上，使圓柱形桿的這一端保持不動，該圓柱形桿的另一端的頸部安裝在轉(zhuǎn)動配合的軸承支架內(nèi)，該圓柱形桿的運動端頭橫向裝有一扳手連桿，該扳手連桿與一馬達連接形成驅(qū)動關(guān)系，所述的夾具、軸承支架、馬達固定在機殼上。本發(fā)明的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、使用方便。
文檔編號G02F1/01GK1442724SQ0311603
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者方祖捷, 陳高庭, 瞿榮輝, 耿健新, 蔡海文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所