專利名稱：基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬光纖傳感器技術領域，具體涉及一種基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)及方法。
背景技術：
隨著現(xiàn)代測量技術的發(fā)展，光纖傳感器越來越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的電類傳感器相比，光纖傳感器具有不受電磁干擾、適用范圍廣、分辨率高、易復用、體積小、重量輕等顯著優(yōu)點。因此，近二十年來人們研制出了各種各樣的光纖傳感器(見艾瑞克伍德著作，光纖傳感器，紐約馬索德科出版社，2002)。光纖干涉?zhèn)鞲衅髯鳛楣饫w傳感器中極為重要和常用的一類，相對于其它光纖傳感器其主要優(yōu)點在于分辨率高、動態(tài)范圍大、精度高以及實現(xiàn)方式靈活(見戴維杰克遜論文，物理工程雜志科學儀器，1985，18981)，因此近幾年來是一個非?；钴S的研究領域(見戴維杰克遜著作，光纖傳感技術，倫敦查普曼霍出版社，1998，2167)，可應用于復合材料、大型建筑結構(如橋梁等)、宇航飛行器、飛機等的結構健康監(jiān)測，以實現(xiàn)所謂的智能結構(見艾瑞克伍德著作，光纖智能結構，紐約威利出版社，1995)。目前工程中應用較廣的是光纖Fabry-Perot(F-P)傳感器(見亨利泰勒著作，光纖傳感器，紐約馬索德科出版社，2002，pp41及饒云江等人論文，光學學報，2002，2285)，但F-P傳感器有其固有的兩個弱點，一是信號較弱，二是較難進行復用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服光纖F-P傳感器的固有弱點，提出了一種基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)充分利用了摻鉺光纖的放大作用，既形成寬帶光源，又放大了微弱的信號，可實現(xiàn)頻分復用十個以上光纖Fizeau應變傳感器，從原理上解決了現(xiàn)有光纖Fabry-Perot傳感器固有的信號弱和復用難的兩個弱點。
本發(fā)明的技術方案如下基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)，包括泵浦激光器、波分復用器、光纖、耦合器、傳感器以及隔離器和光譜儀，其中光纖采用摻鉺光纖，傳感器采用光纖Fizeau應變傳感器。由于無信號光輸入，摻鉺光纖中鉺離子在泵浦激光器的激發(fā)下產(chǎn)生放大自發(fā)輻射形成了ASE寬帶光源，該光源成為Fizeau傳感器的信號光，ASE光進入光纖Fizeau傳感器后，產(chǎn)生多光束干涉，反射信號通過鉺纖放大后被光譜儀接收。系統(tǒng)中，摻鉺光纖對反射的干涉信號有放大作用，因此接收端的信號較強。系統(tǒng)中加入隔離器的目的是避免逆向光的干擾。傳感頭由石英毛細管和光導入/反射單模光纖構成，其中導入光纖為普通單模光纖，反射光纖端面鍍了一層金屬銀，形成反射率高達90％的反射面，由于該傳感頭兩光纖端面反射率不等，為與兩端面反射率相等的普通F-P腔相區(qū)別，將之歸入為Fizeau腔(見饒云江等人論文，IEEE光波科技雜志，1994，121685)。石英管長40mm、內(nèi)外直徑分別為128/300μm，兩光纖端面相距約為幾百微米。在石英管兩端，光纖和石英管用膠粘合在一起，構成光纖Fizeau應變傳感器。
在光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)中傳感器可并列連接十個以上，實現(xiàn)多達十個以上的基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器的頻分復用。
本發(fā)明涉及的頻分復用方法如下泵浦光由泵浦激光器輸入，經(jīng)波分復用器進入摻鉺光纖，激發(fā)摻鉺光纖中鉺離子產(chǎn)生放大自發(fā)輻射形成了ASE寬帶光源，此ASE光源為系統(tǒng)的信號光，ASE光經(jīng)耦合器進入多組不同腔長的光纖Fizeau傳感器，產(chǎn)生多光束干涉，反射信號通過摻鉺光纖放大后，再經(jīng)波分復用器和隔離器，最后被光譜儀接收，通過快速傅立葉變換FFT可在變換域中將各組信號分離，并利用離散腔長變換DGT直接在變換域中求出各個傳感器的腔長從而求出對應的應變值，實現(xiàn)多達十個以上光纖Fizeau傳感器的頻分復用。
該系統(tǒng)的特點是1、該系統(tǒng)中，由于所構成的Fizeau腔一端為未鍍膜的普通光纖，其反射率較低(約為4％)，因此光束的干涉可以近似等效為雙光束干涉，其光譜近似為余弦分布。又由于鉺離子的ASE在任何方向上幾率均等，因此光譜儀接收到的是ASE光源與被放大的Fizeau干涉信號的混合光譜，因此在基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器系統(tǒng)中，信號的增強由兩個方面的因素引起，其一是干涉信號在通過摻鉺光纖時本身被放大；其二是后向的ASE光譜疊加在干涉信號之上，將干涉信號整體增強。對于1545～1555nm范圍內(nèi)的信號，由于在此范圍內(nèi)摻鉺光纖的ASE光譜平坦度較好(不平坦度約1dB)，后向的ASE光譜可看作直流分量，被鉺纖放大的干涉信號疊加在“直流”信號分量之上，這樣ASE光譜對系統(tǒng)信噪比的影響很小，可以忽略不計。因此，系統(tǒng)對信號增益要求并不高，便可將干涉信號強度增大到光源信號強度之上，并且可獲得較高的信噪比(因為這時探測部分的噪聲可忽略不計)。因此本系統(tǒng)充分利用摻鉺光纖的增益特性，既用鉺纖的放大自發(fā)輻射(ASE)形成寬帶光源，又利用其來放大Fizeau傳感器的干涉信號，由此可獲得較強的信號和較高的信噪比。
2、將一般光纖傳感器進行復用時，如果傳感器數(shù)目較多，信號會相當微弱，因而難以探測，這已成為限制光纖傳感器復用數(shù)目的一個重要因素。而在本發(fā)明提出的基于光放大的光纖Fizeau傳感器頻分復用系統(tǒng)中，利用該傳感系統(tǒng)信號強的特點，可以將多組不同腔長的Fizeau傳感器進行頻分復用，通過快速傅立葉變換(FFT)可在變換域中將各組信號分離，并利用離散腔長變換(DGT)直接在變換域中求出各個傳感器的腔長從而求出對應的應變值，可實現(xiàn)多達十個以上光纖Fizeau傳感器的頻分復用，可從根本上解決現(xiàn)有技術存在的問題(微弱的信號經(jīng)過光放大后又疊加了一個“直流”的光源分量，使得接受到的信號很強)。
可見，本系統(tǒng)從原理上解決了光纖F-P傳感器信號弱及難復用的問題，若和光開關結合起來就可用一套裝置完成對一個較大型結構的健康監(jiān)測，這無疑將大大降低傳感器系統(tǒng)的成本。實驗表明該傳感器復用系統(tǒng)應變測量精度可達±10με，可滿足實際應用的要求。因此，該傳感系統(tǒng)復用能力強，信號處理方法簡單，結果準確，且測量精度較高，使用成本低的特點，有著較高的性價比和實用價值。


圖1是本系統(tǒng)的結構原理圖；圖2是光纖Fizeau傳感器的結構圖；圖3是基于光放大的外腔式光纖Fizeau傳感器的反射譜；圖4是11組Fizeau傳感器的混合信號；圖5是11組信號的傅立葉變換譜；圖6是2個傳感器信號的傅立葉變換譜；圖7是基于光放大的光纖Fizeau傳感器1與應變計測出的應變對比；圖8是基于光放大的光纖Fizeau傳感器2與應變計測出的應變對比。
具體實施方案本系統(tǒng)的實現(xiàn)結構見圖1，由泵浦激光器3、波分復用器4、摻鉺光纖5、耦合器6、多個并列的光纖Fizeau應變傳感器7、8、9、隔離器2和光譜儀1組成整個系統(tǒng)。泵浦光由泵浦激光器3輸入，經(jīng)波分復用器4進入摻鉺光纖5，激發(fā)摻鉺光纖5中鉺離子產(chǎn)生放大自發(fā)輻射形成了ASE寬帶光源，此ASE光源為系統(tǒng)的信號光，ASE光經(jīng)耦合器6進入光纖Fizeau傳感器，產(chǎn)生多光束干涉，反射信號通過摻鉺光纖5放大后，再經(jīng)波分復用器4和隔離器2，最后被光譜儀1接收。
光纖Fizeau應變傳感器的結構參見圖2，由導入光纖12、反射光纖13和石英管11構成，兩光纖用膠10粘合在石英管11兩端，在管內(nèi)兩光纖端面之間形成反射腔，兩光纖端面反射率不等，其中導入光纖為普通單模光纖，反射光纖端面反射光纖端面鍍了一層反射膜，反射率達90％以上，兩光纖端面相距幾百微米到幾個毫米。其典型的干涉譜如圖3所示。
我們用實驗證明了本發(fā)明優(yōu)良的復用性能。圖1所示裝置中，將光導入/反射單模光纖分別放置于兩個相同的調(diào)節(jié)精度為10μm的三維微動臺上，并將石英管固定在它們中間?？刂艶izeau傳感器的初始腔長約為幾百個微米，然后固定反射端的微動臺以使反射光纖端面在石英管內(nèi)的位置不變，再以500μm的間距向外調(diào)節(jié)光導入光纖使腔長變大，每調(diào)節(jié)一次便采集一次數(shù)據(jù)，我們在一共采集了11組數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)傳感器的信號仍呈現(xiàn)出明顯的正弦周期分布，這得益于反射光纖端面的高反射率，使得Fizeau傳感器在腔長超過5mm后仍能反射一定強度的光信號，產(chǎn)生明顯的干涉條紋。將11組數(shù)據(jù)送入計算機進行處理，經(jīng)疊加后信號混合在一起，去除直流分量后結果如圖4所示，此時完全無法分辨出該混合信號波形中含有哪些頻率成份，無法運用傳統(tǒng)的波峰算法求出Fizeau傳感器的腔長，因此需要對其進行一定的處理。我們將信號進行高通濾波和快速傅立葉變換(FFT)后，得出如圖5所示的波形，由于光譜儀采樣點數(shù)為1000，因此經(jīng)FFT后圖5的橫坐標為采樣點數(shù)。從圖5可以看出，信號在變換域中完全可以被分開，11個尖峰分別是11個信號進行變換的結果。由此實現(xiàn)了多達11組Fizeau傳感器的頻分復用。
為了提高Fizeau傳感器的應變測量精度，我們采用維吉尼亞大學研究者提出的DGT算法(見維吉尼亞州立大學理工學院沙穆薩博士學位論文，1997)來進行傳感器信號的頻域解調(diào)。DGT變換的幅值實際上就是輸出信號中對應于腔長成份的系數(shù)。DGT算法和FFT算法本質(zhì)上是一致的，區(qū)別在于DGT算法將傳感器輸出信號分解為各種腔長干涉信號的組合，從而完成了信號從波長域到腔長域的直接變換，避免了FFT算法中由數(shù)字頻率到腔長的轉換過程。由于DGT算法避免了進一步數(shù)據(jù)處理過程中由于近似帶來的誤差，因此可以得到較高的應變測量精度。
利用DGT算法求出各組傳感器產(chǎn)生應變前后的腔長之差后，將其除以傳感器的敏感長度(即圖2中石英管的長度)即得到待測的應變值。
由于在變換域中可以分辨出每個信號并求出其對應的腔長，而且利用光放大技術可以得到很強的干涉信號，因此本發(fā)明可實現(xiàn)多達十個以上的基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器的頻分復用，從而大大降低了應變傳感系統(tǒng)的成本。
我們實際制作了兩個Fizeau傳感器以驗證本發(fā)明的可行性。為不失一般性，應使兩傳感器腔長相差盡可能小，因此控制兩個石英管中光纖端面的距離，使傳感頭1的腔長與傳感頭2的腔長相差約幾百個微米。將兩個傳感器的混合信號送入計算機中進行上面所述的濾波和FFT，再利用DGT算法求出其腔長，這樣我們可以控制兩個傳感器的腔長相差為400μm，其FFT波形如如圖6所示。這就說明了腔長相差400μm時在變換域中仍可以分辨出不同傳感器的信號，證明了上節(jié)所述的腔長相差為500μm的十個以上傳感器的復用方法是完全可行的，并有100μm以上的富余度?？紤]到在實際應用中，單個光纖Fizeau應變傳感器的腔長變化一般不會超過100μm，因此該富余度已經(jīng)足夠。
我們將兩個傳感器的腔長之差調(diào)節(jié)到500μm，將其封裝，然后置于實驗用懸臂梁上。懸臂梁上貼有電阻應變片，并接入應變計進行應變標定。當給懸臂梁加載時，懸臂梁將產(chǎn)生應變，分別用應變計和兩個Fizeau傳感器測出應變值，傳感器1與應變計測得的應變值的對比結果如圖7所示，傳感器2與應變計測得的應變值的對比結果如圖8所示。實驗用的摻鉺光纖是StockerYale公司生產(chǎn)的EDF-980-T2光纖，長度為5m，泵浦功率為50mW。由圖7與圖8可見，該傳感器的精度較高，實驗證明其測量精度為±10με。在工程應用中對于絕大多數(shù)大型建筑結構(如橋梁)的健康監(jiān)測，該精度都已經(jīng)足夠。
在實際應用中，我們可以將預先制作好的腔長間距為500μm的一系列Fizeau傳感器進行頻分復用，由上面分析可知，至少可以復用11個Fizeau傳感器。由于光放大的作用使得傳感器信號較強，因此在復用時可保證每個傳感器都能獲得一定強度的信號便于探測，最后用濾波和DGT算法就可以實現(xiàn)對每個傳感器的信號進行分析，因此整個傳感器復用系統(tǒng)只需要一套裝置就可以實現(xiàn)高精度的應變測量。
權利要求
1.基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)，包括泵浦激光器、波分復用器、光纖、耦合器、傳感器以及隔離器和光譜儀，其特征在于光纖采用摻鉺光纖，傳感器采用光纖Fizeau應變傳感器，由導入光纖、反射光纖和石英管構成，兩光纖與石英管兩端粘合，在管內(nèi)兩光纖端面之間形成干涉腔，兩光纖端面反射率不等，其中導入光纖為普通單模光纖，反射光纖端面具有高反射率反射面。
2.根據(jù)權利要求1所述的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)，其特征在于反射光纖端面鍍了一層反射膜，反射率達90％以上。
3.根據(jù)權利要求1所述的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)，其特征在于兩光纖端面相距幾百微米到幾個毫米。
4.根據(jù)權利要求1所述的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)，其特征在于傳感器可通過一根光纖和耦合器并列連接十個以上。
5.基于光放大的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用方法，其特征在于泵浦光由泵浦激光器輸入，經(jīng)波分復用器進入摻鉺光纖，激發(fā)摻鉺光纖中鉺離子產(chǎn)生放大自發(fā)輻射形成了ASE寬帶光源，此ASE光源為系統(tǒng)的信號光，ASE光經(jīng)耦合器進入多組不同腔長的光纖Fizeau傳感器，產(chǎn)生多光束干涉，反射信號通過摻鉺光纖放大后，再經(jīng)波分復用器和隔離器，最后被光譜儀接收，通過快速傅立葉變換FFT可在變換域中將各組信號分離，并利用離散腔長變換DGT直接在變換域中求出各個傳感器的腔長從而求出對應的應變值，實現(xiàn)多達十個以上光纖Fizeau傳感器的頻分復用。
全文摘要
本發(fā)明在國內(nèi)外首次提出了一種可頻分復用的光纖Fizeau應變傳感器頻分復用系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)由泵浦激光器、波分復用器、光纖、耦合器、傳感器以及隔離器和光譜儀組成，光纖采用摻鉺光纖，傳感器采用光纖Fizeau應變傳感器。它利用摻鉺光纖的放大作用，既形成寬帶光源，又放大了微弱的信號，在此基礎上可以實現(xiàn)十個以上光纖Fizeau應變傳感器的頻分復用，從原理上解決了現(xiàn)有光纖Fabry－Perot傳感器固有的兩個弱點信號弱和復用難。實驗表明該復用傳感器應變測量精度可達±10με，可滿足實際應用的要求，利用該方法組成的傳感器系統(tǒng)可望在大型結構健康監(jiān)測中獲得重要的應用。
文檔編號G02F1/35GK1553273SQ20031010408
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權日2003年12月18日
發(fā)明者饒云江, 江建 申請人:饒云江