分布式锥形光纤光栅传感器及其带宽解调装置、检测方法，它涉及光纤布拉格光栅传感技术及光谱分析技术领域，它解决了现有的基于对锥形光纤光栅的反射光进行功率测量来获得所传感的应力／应变信息，致使锥形光栅不能再用于实现分布式的传感方式，以及为区别温度和应力的变化对光纤光栅的影响而添加传感器件及多套单独的解调仪器从而导致传感仪器结构复杂的问题。分布式锥形光纤光栅传感器由多段同直径的光纤段（１）构成，每段光纤段（１）含有长度为Ｌ的锥形布拉格光栅（２）；它提供了一种采用平面衍射光栅－ＣＣＤ线阵的锥形光栅的反射光带宽解调装置，它可以实现对锥形光纤光栅反射谱带宽的测量及该带宽变化的计算、记录，进而实现对温度和应力的同时测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤布拉格光栅传感技术及光谱分析
技术介绍
光纤布拉格光栅(FBG)作为一种波长调制型传感器具有重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、结构紧凑等诸多突出优点，在腐蚀、振动、温度、应力/应变等动态及静态测量领域中有着广泛的应用。同时，由于光纤光栅具有对波长调制的特点，使得光纤光栅可用于对物理量的分布式测量，且不受耦合损耗以及光源输出功率波动等因素给测量系统的精度及稳定性带来的影响。但是光纤光栅传感器在实际工程应用中存在一个极大的问题，即温度和应力的变化均能引起其中心反射波长的漂移，但我们很难仅通过对光纤光栅反射波长的测量来区分它们各自的变化，这就是光纤光栅的温度-应力交叉敏感问题。这个问题始终是光纤光栅传感领域中的热点之一。针对这一问题，国内外进行了很多研究，也提出了许多解决方案。但这些解决方法大多使用多个光纤光栅或多个光源，有的甚至需要多套单独的解调仪器，造成了传感系统整体造价的提高和实现的复杂性，不利于光纤光栅传感技术在实际工程中的推广。近年来，时有采用锥形光纤光栅来实现温度不敏感的应力/应变的测量方法见诸报道，这些方法以简单的结构、较低的成本解决了“交叉敏感问题”，但是这些方法都是基于对锥形光纤光栅的反射光进行功率测量，然后通过该功率的变化来获得所传感的应力/应变信息，它们背离了光纤光栅作为波长调制型传感器的最显著特性，使得锥形光栅不能再用于实现分布式的传感方式。同时，光源输出功率的波动以及光路系统中的耦合损耗等因素都会影响到传感系统的精度和稳定性，若要克服这些影响，则必将导致系统整体成本的增加。
技术实现思路
为了解决现有的基于对锥形光纤光栅的反射光进行功率测量来获得所传感的应力/应变信息，致使锥形光栅不能再用于实现分布式的传感方式，以及为区别温度和应力的变化对光纤光栅的影响而添加传感器件及多套单独的解调仪器从而导致传感仪器结构复杂的问题，本专利技术提供了一种分布式锥形光纤光栅传感器及其反射光带宽解调装置、检测方法。本专利技术的分布式锥形光纤光栅传感器，由多段同直径的光纤段构成，每段光纤段含有长度L为的锥形布拉格光栅，多段光纤段的首端、末端依次串接在一起。每段光纤段所含有的锥形布拉格光栅是通过沿光纤轴向线性腐蚀成的锥形，该锥形布拉格光栅沿着光栅方向的横截面积呈线形变化。上述分布式锥形光纤光栅传感器的反射光带宽解调装置，由准直光学器、平面衍射光栅、会聚光学器、线阵CCD、CCD控制及读取电路、A/D转换电路和中央处理器组成，分布式锥形光纤光栅传感器输出的锥形光栅反射光入射到准直光学器的光输入端，锥形光栅反射光通过准直光学器准直后变为平行光束并照射到平面衍射光栅上，经平面衍射光栅分光后不同波长的光束将沿不同的角度散射，该不同角度散射的不同波长的光束通过会聚光学器会聚后照射到线阵CCD的感光侧，在线阵CCD的感光侧获得不同波长的光束所形成的一段或数段光照区；CCD控制及读取电路与线阵CCD相连用于线阵CCD的控制及各像元输出模拟电信号的读取，CCD控制及读取电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接中央处理器的CCD信号输入端。利用上述分布式锥形光纤光栅传感器并基于上述反射光带宽解调装置的应力/温度变化的检测方法，它依次按以下步骤进行步骤一、对上述的分布式锥形光纤光栅传感器的反射光带宽解调装置进行定标①通过对各锥形光栅传感器分别施加额定的应力和温度来确定其各自的应力灵敏度Kε和温度灵敏度KT；②将分布式锥形光纤光栅传感器沿轴向施加额定的应力变化量，然后利用反射光带宽解调装置获知线阵CCD上不同波长的光束所形成的一段或数段光照区的宽度，然后建立分布式锥形光纤光栅传感器感应的应力与线阵CCD上不同波长所对应的光照区宽度的变化关系；步骤二、将上述的分布式锥形光纤光栅传感器埋入需要监测的物体内部或粘附在待测构件的表面，一个锥形布拉格光栅位于一个需要监测的测量点，分布式锥形光纤光栅传感器中多个锥形布拉格光栅的中心波长都互不相同，并且相邻锥形布拉格光栅的中心反射波长之间的距离要保证相邻锥形布拉格光栅的反射光互不干扰；步骤三、使分布式锥形光纤光栅传感器输出的锥形光栅反射光通过准直光学器入射到上述分布式锥形光纤光栅传感器的反射光带宽解调装置内，从分布式锥形光纤光栅传感器所获得反射光束为含有各个测量点温度及应力变化信息的具有一定带宽的不同中心波长的光脉冲，该光脉冲通过准直光学器、平面衍射光栅、会聚光学器在线阵CCD的感光侧形成一段或数段光照区，利用CCD控制及读取电路、A/D转换电路采集线阵CCD的图像信息，利用中央处理器分析计算分布式锥形光纤光栅传感器的反射谱信息以及线阵CCD上一段或数段光照区的宽度；步骤四、根据步骤三中央处理器分析计算获得的线阵CCD上一段或数段光照区的宽度，利用步骤一所获得分布式锥形光纤光栅传感器感应的应力与线阵CCD上不同波长所对应的光照区宽度的变化关系，确定各个测量点此时所对应的应力值；步骤五、根据步骤三中央处理器分析计算获得的反射谱信息确定各点的布拉格光栅中心反射波长的漂移量；步骤六、对于每个测量点，利用步骤一中所获得的应力灵敏度Kε和温度灵敏度KT、步骤五所求的布拉格光栅中心反射波长的漂移量和步骤四获得的该测量点应力的变化量，按下式可获得温度的变化量，从而将温度和应力区别开来ΔT=ΔλB-Kϵ·ϵKT]]>上式中，ΔλB是步骤五所求的布拉格光栅中心反射波长的漂移量；Kε是步骤一所获得的此锥形光栅的应力灵敏度系数；ε为步骤四所测应变量；KT为步骤一所获得的此锥形光栅的温度灵敏度系数；ΔT为温度变化量。工作原理本专利技术是在对锥形光栅的反射光进行光谱宽度(以下称为“带宽”)测量以获得所测量的应力/应变信息的可行性的基础上提出来的。已知，沿着反射式光纤光栅轴向的Bragg(布拉格)反射波长λB(z)为λB(z)＝2neff(z)Λ(z) (1)式中，光栅周期Λ和有效折射率neff都是光栅轴向应变ε的函数Λ(ε)＝Λ0(1+ε) (2)neff(ε)＝neff0+κεε (3)式中，κε表示应变对折射率影响的因子，Λ0和neff0分别为ε＝0时的光栅周期和有效折射率。在光栅轴向z点的应变ε可表示为ε(z)＝F/EA(z)(4)式中，F为加在光栅两端的拉力，E为光纤杨氏模量，A(z)为光栅z点的横截面积。由式(2)和(3)知，在应变状态下光栅轴向z点的Bragg波长为λB＝2neff(εz)Λ(εz)≈2neff0Λ0+2(neff0Λ0+kεΛ0)εz(5)由此可知光栅的带宽为Δλ＝λB(L)-λB(0)+Δλ(δn) (6)式中，λB(0)、λB(L)分别是光栅首尾两端的Bragg反射波长，Δλ(δn)是由光栅折射率变化引起的光栅带宽。在光栅制作完成后，δn(z)不再变化，其导致的带宽Δλ(δn)也不会发生改变。当Bragg光栅沿着轴向被线性腐蚀后，沿着光栅方向的横截面积呈线形变化，设其一端为A(0)，另一端为A(L)，且A(L)＜A(0)。由式(4)、(5)、(6)可以推导出，当光栅两端的拉力为F时，光本文档来自技高网...
【技术保护点】
分布式锥形光纤光栅传感器，其特征在于所述分布式锥形光纤光栅传感器由多段同直径的光纤段（１）构成，每段光纤段（１）含有长度为Ｌ的锥形布拉格光栅（２），多段光纤段（１）的首端、末端依次串接在一起。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨先辉，孙圣和，张秋华，于永森，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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