用于从多个光纤传感器测量光信号的装置制造方法及图纸

本发明专利技术记载了一个传感器装置。该装置包括询问器，询问器包括发射具有某个波长的光源，某个波长大约为一个平均波长；和一个光纤布拉格光栅(FBG)配置。该配置包括FBG传感器阵列，该阵列包括多个在一个光纤的多个FBG传感器且用于反射脉冲，因此在每个FBG传感器上产生反射脉冲。一个给定FBG传感器阵列上的FBG传感器于其间有一个空间间隔，该间隔允许在传感器上在每个传感器产生的反射脉冲间形成时间差别。所述FBG传感器阵列有一个反射谱窗，该反射谱窗包括平均波长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用本申请要求2014年4月2日申请号为“61/973，975”的美国临时申请的优先权背景(a)
所公开的主题通常涉及纤维光学，更确切地，本专利技术涉及光纤布拉格光栅传感器。(b)
技术介绍
光纤布拉格光栅(FBGs)已被证实是用于监控物理参数的有效装置，物理参数包括但不限于，温度、应变、压强，振动。FBG通过在给定长度(通常是几毫米)的一道光纤的核心的永久周期性折射率变化而制造。这种设备反射了在光纤中通过窄波长范围的光传播。反射光谱普遍在波长中心有一个窄峰值，窄峰值等于空间内的光栅周期乘以纤维折射率的两倍。反射光谱的宽度与光栅长度成反比。为了将FBG用作传感器，转换配置对包含光栅的光纤改变温度或拉伸截面，两者效果导致光栅有效周期的变化，从而导致反射光中心波长的变化。因此，该中心波长的测量可以和被测量的参数(被测变量)相关联。可通过将光发射入远处的光纤中、检测并分析反射光的光谱特性而远程进行测量。由于光纤损耗很低，测量设备可被放置于远离FBG传感器的位置。FBG作为传感装置的一个优点在于光纤免疫电磁干扰，使得它们有可能应用于电传感器或电子传感器不能良好执行的环境下。然而FBG的主要优点之一在于，由于他们的窄光谱特性，不同周期的多个FBG可以被写入单独的一根光纤的不同位置，而且每个FBG都可通过光谱特性被识别。而且用单独的一根光纤，多个空间位置可通过测量FBG的峰值波长而被同时感测。沿一根光纤，将多个FBG传感器与不同中心波长相结合的技术被称为波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing)，或者WDM。通常，用于监测FBG传感器的中心波长的方法是用重复扫描宽波长范围的可调谐光源。反射光通过设置在光源和FBG之间的光环行器或光耦合器收集，然后发送到光电探测器上。因此在反射光上的峰值对应每个FBG峰值反射波长。或者，也可用宽频带光源，将所有FBG传感器的中心波长落入源光谱。然后反射光被传送到光谱仪，通过分析光谱仪数据确定反射峰值。对于WDM询问，沿着光纤的所有FBG传感器具有在可调谐光源或者宽频带光源的光谱范围内有中心波长。另一方面，每个FBG的波长间距必须足够大以容纳在被测量参数影响下每个FBG的最大光谱移位，以便在各光谱间没有重叠的可能性，重叠将会导致模糊或错误的测量。因此可以定义一个“光谱窗”(spectralwindow)，即给定被测变量范围下，FBG传感器可能跨越的中心波长范围。作为结果，可由给定光源询问的FBG传感器的最大数量，约等于光谱宽或光源跨度除以单独传感器的光谱窗的光谱宽度。例如，典型的FBG的中心波长对于应变呈比例偏移，因此，如果将要被测量的应变高达10,000με，那么对于一个具有1550nm中心波长的FBG最大波长偏移约等于10nm。如果可调谐光源有60nm的范围，作为典型的商业来源，那么可用该源的传感器的最大数量是6，由给定的60nm除以光谱窗的10nm给出。一些应用将会因同一纤维上带有更多数量的传感器而获益。例如，对于设备零件，例如，风力涡轮叶片机或者发电机转子的设备零件的空间分析的温度或应变，将会受益于有100或更大的范围的传感器数量。增加传感器数量的一个方法是用时域和波长范畴来区分传感器。这种方案被标记为时分多路复用(Time-division-multiplexing)，或TDM，在TDM方案中，用于询问光栅的光源为脉冲调制的，并且脉冲持续时间设成短于从一个光栅到下一个光栅的光程延迟。如果每个光栅的最大反射率足够小(通常是1％-2％)，那么仅来自每个光栅的第一次反射是显著的，并且光栅反射器上多次反射的光反射的信号可忽略不计。因此每个脉冲产生一系列的回波，回波可被在时间上区分。与WDM询问方案一样，源可以是可调谐的或宽频带的。不同之处在于，检测装置必须有响应时间，响应时间要足够短以区分从众多光栅而来的反射。因此，多个FBG传感器可被用于单一光谱窗中。因此，传感器的总数为WDM配置的总数乘以可被时间区分的传感器的数量。尽管这种结合TDM-WDM询问方案可以使用可调谐源，但是大部分提及的现有技术使用宽频带光源。因为宽频带光源具有在所有时间存在用于询问传感器的所有波长，这意味着响应时间不受源的限制。可调谐源总是需要一些时间扫描全部波长跨度，这个时间最终限制了系统响应时间。当使用宽频光源时，光栅传感器的中心波长很多时候通过用光谱灵敏过滤器(例如非平衡干涉仪)或放射装置处理反射光确定。描述了TDM和WDM传感装置的现有技术，包括专利公开号WO2013001268，CA2379900A1，US20100128258，WO2004056017，这些专利均使用宽频带光源和各种配置用于门控(gate)反射信号并探测他们的波长。纽维扎斯(Niewczas)(WO2013001268A2)描述了一种用宽频带光源和干涉仪测量反射光波长的系统。CooperandSmith(CA2379900A1)也使用了脉冲调制的宽频带光源和光调制器门控(gate)反射脉冲。沃兰坦和李奥德(VolanthenandLloyd)(US20100128258)也使用了脉冲宽频带源。艾瓦奥和李奥德(EverallandLloyd)(WO2004056017)描述了一种用由半导体光学放大器脉冲调制及门控宽频带光源的TDM系统。用传播性能已知的滤光器，或替代地选用光谱分析仪、波长计就能确定波长。同时半导体光放大器的应用导致了更大的光学功率(opticalpower)，源、光放大器和波长测量设备的合成成本仍然重要。当使用宽频带光源时，一个难点在于光学功率会被分配到整个光源的光谱上。因此，被每个FBG传感器反射的实际功率仅是总源功率的一小部分。事实上，源功率的大部分是被浪费的，因为它没有被任何传感器反射。典型的宽频带光源，例如，发光二极管或超辐射发光二极管在耦合入单模光纤后，只有1mW的功率。反射信号的低功率很难获得一个足够大的信噪比。采用宽频带光源的另一个难点在于谱窗的数量仍然受到源总谱宽的限制。总而言之，大多数现有技术受制于额外的缺陷，系统成本。光放大器，光纤干涉仪或光谱分析仪都是相对贵的装置。目前，这些系统的高成本阻碍了他们的广泛应用。影响设备费用的另一个因素在于，这是一个全有或全无的器械。意思是，这个器械在给定成本下能够测量大量的光栅，但是如果所需传感器的数量小于最终器械的容量无法减少支付。因此有必要改进光纤传感装置。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种传感器装置，包括：询问器，包括光源，每个光源发射具有某个波长的脉冲，所述波长围绕每个所述光源相应的平均波长；和FBG传感器阵列，每个FBG传感器阵列对应所述光源之一，并且包括在一个光纤上的多个用于反射脉冲的FBG传感器，其中给定FBG传感器阵列中的FBG传感器于其间有一个空间间隔，该间隔足以在接收器上允许由给定FBG传感器阵列上的每个传感器产生反射脉冲之间的时间差别；其中每个所述FBG传感器有相应的光谱反射窗，光谱反射窗包括对应一个所述光源的相应的平均波长；其中所述光源的相应的平均波长间有光谱间隔，足以在接收器上允许从每个所述FBG传感器阵列反射的脉冲间的光谱差异。根据一实施例，每个所述光源被配置成围绕所述光源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器装置，其特征在于，包括：询问器，包括光源，每个光源发射具有某个波长的脉冲，所述波长围绕每个所述光源相应的平均波长；和FBG传感器阵列，每个FBG传感器阵列对应所述光源之一，并且包括在一个光纤上的多个用于反射脉冲的FBG传感器，其中给定FBG传感器阵列中的FBG传感器于其间有一个空间间隔，该间隔足以在接收器上允许由给定FBG传感器阵列上的每个传感器产生反射脉冲之间的时间差别；其中每个所述FBG传感器有相应的光谱反射窗，光谱反射窗包括对应一个所述光源的相应的平均波长；其中所述光源的相应的平均波长间有光谱间隔，足以在接收器上允许从每个所述FBG传感器阵列反射的脉冲间的光谱差异。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.02 US 61/973,9751.一种传感器装置，其特征在于，包括：询问器，包括光源，每个光源发射具有某个波长的脉冲，所述波长围绕每个所述光源相应的平均波长；和FBG传感器阵列，每个FBG传感器阵列对应所述光源之一，并且包括在一个光纤上的多个用于反射脉冲的FBG传感器，其中给定FBG传感器阵列中的FBG传感器于其间有一个空间间隔，该间隔足以在接收器上允许由给定FBG传感器阵列上的每个传感器产生反射脉冲之间的时间差别；其中每个所述FBG传感器有相应的光谱反射窗，光谱反射窗包括对应一个所述光源的相应的平均波长；其中所述光源的相应的平均波长间有光谱间隔，足以在接收器上允许从每个所述FBG传感器阵列反射的脉冲间的光谱差异。2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，每个所述光源被配置成围绕所述光源中的每个相应的平均波长的第一相应波长和第二相应波长发射脉冲。3.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述的接收器包括处理器，所述处理器适用于对应每个所述光源的每个所述FBG传感器阵列，并且基于每个FBG传感器的参考反射光谱的现有技术，用来自第一相应脉冲和第二相应脉冲的反射波脉冲明确地确定每个FBG传感器的实际反射光谱的峰值偏移。4.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述的FBG传感器阵列被设置在多个光纤上，每个光纤拥有一个给定数量的FBG传感器阵列。5.根据权利要求4所述的传感器装置，其特征在于，还包括用于将多个光纤连接到其上的多路复用器，所述的询问器被光耦合到多路复用器用于将所述脉冲发送到多个光纤。6.一种传感器装置，其特征在于，包括：询问器，包括发射具有某个波长的脉冲的光源，所述波长围绕一个平均波长；和光纤布拉格光栅(FBG)配置，包括FBG传感器阵列，所述传感器阵列包括在一个光纤上的多个FBG传感器，且用于反射脉冲，从而在每个FBG传感器上产生反射脉冲，其中一个给定FBG传感器阵列上的FBG传感器在其间有一个空间间隔，该空间间隔在接收器上足以允许由每个所述FBG传感器产生反射脉冲间的时间差别；其中FBG传感器阵列有包括所述平均波长的光谱反射窗。7.根据权利要求6所述的传感器装置，其特征在于，所述的光源用于发射在平均波长附近的第一波长和第二波长的脉冲。8.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述接收器包括一个处理器，所述处理器基于所述的多个FBG传感器的参考反射光谱的现有技术，适配以用来自第一相应的波长和第二相应的波长的反射脉冲明确地确定多个FBG传感器的每一个的实际反射光谱。9.一种用于测量与光纤布拉格光栅(FBG)传感器配置相互作用的光学信号的装置，所述装置包括：FBG传感器阵列，传感器阵列沿单一光纤设置，每个FBG传感器用于在给定谱窗内操作，FBG传感器沿单一光纤以给定距离隔开，在阵列上的每个FBG传感器有一个已知的反射光谱，该反射光谱可在给定条件下偏移到实际的反射光谱上，从而界定一个偏移量；和询问器，所述询问器被连接在单一的光纤上且包含模块，所述模块用包含在给定谱窗内的超过一个的离散波长询问FBG传感器阵列，询问器接收FBG传感器的超过一个的离散波长的光信号的反射，以确定在阵列上的每个FBG传感器的偏移量。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述模块用包含在给定谱窗内的两个离散的波长询问FBG传感器阵列。11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，FBG传感器被间隔的所述给定距离，导致所述询问器接收的光学信号的反射间的时间差别。12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括一个处理器，所述处理器可操作地连接到询问器，并且适配执行指令用于确定给定条件的指令，在给所述定条件下，已知的反射光谱偏移到阵列上的每个FBG传感器实际的反射光谱上。13.一种用于测量与光纤布拉格光栅(FBG)传感器配置相互作用的光学信号的装置，其特征在于，所述装置包括：多个FBG触感器阵列，传感器阵列沿在主光纤分支出的多个光纤设置，所述多个阵列的每一个具有不同的谱窗并且包括在区别谱窗内操作的FBG传感器，所述FBG传感器具有一个已知的反射光谱，该光谱在给定条件可经历偏移，因此对每个FBG传感器界定偏移量；询问器，连接到主光纤上并包括多个模块，每个模块用对应FBG传感器的一个阵列的不同谱窗内超过一个的脉冲询问对应的一个FBG传感器的阵列，询问器接收被FBG传感器反射并且指示每个FBG传感器的偏移量的光学信号。14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，每个模块使用对应的FBG传感器的阵列内的不同谱窗的超过一个的脉冲，询问对应的FBG传感器的阵列，以明确地评定每个FBG传感器的已知反射光谱的偏移量。15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述给定阵列的FBG传感器沿多个光纤之一以给定距离被分隔，在光纤上FBG传感器被设置成：当光学信号被FBG传感器反射时，能够产生所述光学信号脉冲的时间差别。16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括一个多路复用器，设置在询问器和多个阵列之间，多路复用器用于将多个模块的输出合并入主光纤上。17.一种用于测量光纤布拉格光栅(FBG)传感器配置的光学信号的装置，所述装置包括：沿单一光纤设置的FBG传感器的阵列，每个所述FBG传感器具有围绕在变化条件下移动的峰值反射波长的已知反射光谱：和询问器，所述询问器连接于单独光纤并且包括：模块，适配成使用光学信号询问FBG传感器的阵列，所述光学信号以第一波长(λ+)或第二波长(λ-)发射脉冲；和接收器，适配以检测由FBG传感器阵列反射的脉冲，即反射脉冲，用于确定对于至少一个FBG传感器的峰值反射波长的偏移量。18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括设置于附加光纤的附加的FBG传感器的阵列，每一个附加的FBG传感器的阵列具有不同的且唯一的峰值反射波长；所述询问器还包括附...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·欧莱特，
申请(专利权)人：克罗马森西有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA