一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法技术

本发明专利技术涉及一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源将光纤Bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，利用推导出的光纤Bragg光栅反射功率与中心波长的关系表达式，通过测量光纤Bragg光栅的反射功率计算出对应的中心波长，实现对光纤Bragg光栅中心波长的解调。多芯光纤Bragg光栅曲率传感器包含两个光纤Bragg光栅，分别位于两个相对于多芯光纤横截面中心对称的纤芯中，利用所提出的FBG中心波长解调方法获得两个光纤Bragg光栅中心波长的变化量，进而得到对应的曲率值。该曲率传感器解调技术具有灵敏度高、实现方式简单和成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法
本专利技术属于曲率传感器解调
，具体涉及一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法。
技术介绍
曲率是描述物体形状的一个重要参数，通过对曲率的测量可以了解物体形状的变化趋势。曲率传感器在结构体健康监测、表面形状测量等方面具有广泛的应用前景。基于光纤光栅的曲率传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强和准分布式测量等优点，特别适合大型结构体、恶劣环境下的曲率测量(M.J.Gander,“BendmeasurementusingBragggratingsinmulti-corefiber,”ElectronicsLetters36(2),120～121,2000.)。近年来，为进一步改善光纤光栅型曲率传感器的性能，基于多芯光纤光栅的曲率传感器引起了科研人员的广泛关注。如图1所示，现有多芯光纤光栅曲率传感器的结构包括宽带光源、光耦合器1、第一环形器2、第二环行器5、多芯光纤4及光谱仪，多芯光纤4的两个中心对称的纤芯中对应刻有第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅；宽带光源与光耦合器1输入端相连；第一环形器2的a端与光耦合器1的第一输出端相连，b端通过多芯光纤4连接器与刻有第一Bragg光栅的纤芯相连，c端与光谱仪相连；第二环形器的a端与光耦合器1的第二输出端相连，b端通过多芯光纤4连接器与刻有第二Bragg光栅的纤芯相连，c端与光谱仪相连。该多芯光纤光栅曲率传感器在工作时，宽带光源首先由3dB光耦合器1分为两路信号，两路信号光分别经第一环形器2和第二环形器的a端进入第一环形器2和第二环形器，然后分别经第一环形器2和第二环形器的b端进入多芯光纤4连接器，分别被多芯光纤4中的两个Bragg光栅反射，反射信号再次通过多芯光纤4连接器后由第一环形器2和第二环形器的c端分别输出，通过光谱分析仪测量光纤光栅的反射波长变化量，进而得到光纤光栅处的曲率值，即传感器的性能很大程度上是由光谱分析仪的性能(即频谱分辨率)所决定的，而光谱分析仪昂贵的价格直接导致解调成本增高，并且采用光谱分析仪的解调方式复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种解调方式简单、解调成本低的解调方法。为达到上述要求，本专利技术采取的技术方案是：提供一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源将光纤Bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，通过测量光纤Bragg光栅的反射功率值实现对其中心波长的解调，具体包括以下步骤：S1、所述余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，利用测得的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的反射功率，由于光纤Bragg光栅的反射功率值随其中心波长的不同呈现余弦变化，可以分别得到弯曲时第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的中心波长。S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；S3、根据所述第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第一纤芯轴向应力，根据所述第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第二纤芯轴向应力；S4、根据所述第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两纤芯间距计算得到曲率值。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)采用余弦型宽带光源，将光纤Bragg光栅中心波长的变化转换为其反射功率的变化，利用推导出的光纤Bragg光栅反射功率与中心波长的关系表达式，通过测量光纤Bragg光栅的反射功率计算出对应的中心波长，通过中心波长漂移量计算获得曲率值，实现对曲率传感器的解调，无需使用昂贵的光谱分析仪，使得解调方式大大简化，有效降低解调成本；(2)本解调方式扩展性强，通过对多对光纤Bragg光栅解调，可以实现基于多芯光纤Bragg光栅的二维曲率传感和形状传感。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本专利技术传感器的结构示意图；图2为本专利技术解调方法的流程图。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，采用余弦型宽带光源替换图1中的宽带光源，采用光功率计、光电探测器等能检测到反射功率的仪器替换光谱仪，实现对光纤Bragg光栅中心波长的解调，如图2所示，包括以下步骤：S1、余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，根据余弦型宽带光源输出光谱S(λ)、第一光纤Bragg光栅的反射谱F1(λ)及光功率计测得的第一反射功率值P1计算得出弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长λ1，根据余弦型宽带光源输出光谱S(λ)、第二光纤Bragg光栅的反射谱F2(λ)及光功率计测得的第二反射功率值P2计算得出弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长λ2；计算第一光纤Bragg光栅中心波长λ1和第二光纤Bragg光栅中心波长λ2的公式为：其中，P为光功率计测得的反射功率值，S0为已知的频谱峰值功率，λI为已知的宽带光源的中心波长，ΔλI为已知的宽带光源的频谱周期；R为已知的峰值反射率，Δλ为已知的光纤Bragg光栅的反射谱的半极大全宽度，λ0为光纤Bragg光栅的反射谱中心波长，即为待计算值。化简上述公式得到根据上述已知值，可以计算出弯曲时光纤Bragg光栅的反射谱中心波长。S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长λ1和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长λB相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB1；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长λ2和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长λB相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB2；S3、根据第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB1计算得到第一纤芯轴向应力εFBG1，根据第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量ΔλB2计算得到第二纤芯轴向应力εFBG2；第一纤芯轴向应力εFBG1和第二纤芯轴向应力εFBG2的计算公式为：其中，ε为弯曲所引入的纤芯轴向应力，ΔλB为光纤Bragg光栅中心波长漂移量，λB为无弯曲时光纤Bragg光栅的中心波长，Pε为弹光系数。S4、根据第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两个刻有Bragg光栅的纤芯的距离计算得到曲率值；曲率值C的计算公式为：其中，d为两个刻有Bragg光栅的纤芯距离。该余弦型宽带光源的消光比大于10dB，大消光比可以提高传感器的灵敏度。以上实施例仅表示本专利技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本专利技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，采用余弦型宽带光源进行解调，包括以下步骤：S1、所述余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，利用测得的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的反射功率，分别得到弯曲时第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的中心波长。S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；S3、根据所述第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第一纤芯轴向应力，根据所述第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第二纤芯轴向应力；S4、根据所述第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两纤芯间距计算得到曲率值。

【技术特征摘要】
1.一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，采用余弦型宽带光源进行解调，包括以下步骤：S1、所述余弦型宽带光源的输出光谱注入到包含第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的多芯光纤中，利用测得的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的反射功率，分别得到弯曲时第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅的中心波长。S2、将弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第一光纤Bragg光栅中心波长相减得到第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；将弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长和无弯曲时的第二光纤Bragg光栅中心波长相减得到第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量；S3、根据所述第一光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第一纤芯轴向应力，根据所述第二光纤Bragg光栅的中心波长漂移量计算得到第二纤芯轴向应力；S4、根据所述第一纤芯轴向应力、第二纤芯轴向应力及两纤芯间距计算得到曲率值。2.根据权利要求1所述的多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法，其特征在于，所述步骤S1中计算光纤Bragg光栅中心波长的公式为：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑狄，马彦豪，潘炜，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51