使用可调谐的光学带通滤波器询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的方法和系统技术方案

描述了一种用于询问至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器FBG的方法。该方法包括以下步骤：用宽带激发光学辐射OA来照射光纤布拉格光栅型光纤传感器FBG；将通过光纤传感器FBG传输的光谱OT或反射的光谱OR传送至至少一个可调谐的光学带通滤波器BPF，该可调谐的光学带通滤波器具有彼此互补的第一提取端口1和第二传输端口2；根据FBG传感器的光纤布拉格光栅的标称工作波长，以恒定的工作波长对光学带通滤波器BPF进行调谐；对从光学带通滤波器的第一提取端口1离开的相应的第一光学信号L1进行检测；借助于第一光电接收器PD1，将上述第一光学信号L1转换为相应的第一电信号E1，其表示由FBG光纤传感器的布拉格光栅反射或传输的光谱相对于标称工作波长的波长偏移Ah。该方法然后包括以下步骤：对第二光学信号L2进行检测，该第二光学信号从光学带通滤波器BPF的第二传输端口2离开，与第一光学信号L1在谱上互补；以及借助于第二光电接收器PDT将该第二光学信号L2转换成相应的第二电信号E2，其表示光参考功率，该光学参考功率基本上独立于滤波波长并且依赖于宽带激发光学辐射的功率，以及依赖于整个光学路径的损耗，等于相应的第一电信号E1所经受的依赖性。该方法包括基于检测到的第一电信号和检测到的第二电信号确定由光纤传感器FBG反射或传输的谱相对于标称工作波长的波长偏移Ah，使得：第一电信号的检测相对于光学辐射功率的变化和光学路径上损耗的变化得到补偿。还描述了对应的用于询问至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器FBG的系统，其中上述光学带通滤波器BPF和上述第一和第二光电接收器PD1、PDT集成在光子集成电路中(“光子集成电路

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用可调谐的光学带通滤波器询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的方法和系统


[0001]本专利技术总体上涉及一种通过使用光纤布拉格光栅型光纤传感器来测量物理参数的方法和系统。
[0002]更具体地，本专利技术涉及一种使用可调谐的光学带通滤波器来询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的方法和系统。

技术介绍

[0003]光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG传感器)凭借简单和精确的性质，越来越频繁地用于测量物理量值，例如应变或温度。这种传感器是无源的，这意味着它们需要被光学辐射照射，并且由此反射或传输的谱必须被分析，以获得所需物理量值的测量。
[0004]事实上，由于检测到的物理量值的变化会导致FBG传感器的谱和/或反射峰值波长发生偏移，因此在最常见的已知解决方案中，需要扫描一定的波长范围以确定结果。
[0005]通常，在已知的解决方案中，这可以通过两种替代方式来完成：通过波长可调谐的光源(例如，可调谐激光器)进行照射，以及宽带接收；或者，通过电学或光学可调谐接收器(例如，阵列波导光栅、AWG或光谱仪)进行宽带照射和接收。
[0006]换句话说，无论是在传输侧还是在接收侧，都必须有可调谐装置，对于FBG传感器的每次询问/查询，该可调谐装置必须通过对属于一定范围的一定数量的工作波长依次进行光学或电学调谐来实现波长扫描。
[0007]由于对波长范围进行依次调谐的时间框架也可能很大，这导致了显著的缺点，这些缺点与所请求装置的复杂性(例如，传输时可调谐的激光器或接收时的光谱仪)以及响应缓慢或动态受限的问题有关。
[0008]在接收侧，一种可能的演变可以源自可调谐的光学滤波器的使用(例如，微环谐振器滤波器，例如，在每个单个滤波器包括一个或两个环的变体中)。然而，此类解决方案也经受相对缓慢的动态，因为此类系统的操作包括：通过对FBG传感器的在中心波长附近的谱进行周期性地连续扫描来调谐可调谐的光学滤波器，以识别FBG传感器谱的峰值。因此，这种装置的动态性能取决于微环谐振波长的扫描速度，该扫描速度相对较慢。
[0009]该解决方案中出现的另一个问题(如在其他先前提到的已知解决方案中)源自由于激光发射功率变化引起的杂散功率变化的影响和由光束所覆盖的光学路径的杂散可变损耗。
[0010]鉴于上述情况，强烈需要在集成光学器件中获得的用于询问FBG传感器的系统和方法，它们能够缓解上述技术问题并满足以下标准：(i)紧凑且简单的结构以及紧凑且简单的使用；(ii)改进的动态性能，具有更快的响应；(iii)对杂散损耗和/或光学照射功率的波动具有更大的抗扰性(iv)低成本；(v)对恶劣环境的鲁棒性。
[0011]对于在广泛的应用中使用的、包括对于在制动系统的垫和卡钳中执行的测量而言的重要应用领域中使用的询问FBG传感器的方法，都感受到了这种需求。
[0012]如前所述，现有技术目前提供的解决方案不能完全满足上述需求。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是提供一种使用可调谐的光学带通滤波器来询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的方法，其允许至少部分地克服关于现有技术的上述缺点，以及满足上述需求，特别是在控制
感受到的需求。
[0014]这些和其他目的通过根据权利要求1的使用可调谐的光学带通滤波器来询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的方法来实现。
[0015]这种方法的一些有利实施方式是从属权利要求2
‑
7的主题。
[0016]本专利技术的另一目的是提供一种使用可调谐的光学带通滤波器来询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的对应系统。
[0017]该目的通过根据权利要求8的系统来实现。
[0018]这种系统的一些有利实施方式是从属权利要求9
‑
22的主题。
附图说明
[0019]根据本专利技术的方法和系统的进一步的特征和优点将从以下参照附图以非限制性解释的方式提供的优选实施方式的描述中变得明显，其中：
[0020]‑
图1至图5通过功能框图示出了根据本专利技术的用于询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的系统的各个不同实施方式；
[0021]‑
图6示出了在根据本专利技术的系统的实施方式中包括的光学带通滤波器的功能图，并且它进一步描绘了进入光学滤波器、从光学滤波器的第一提取端口离开和从光学滤波器的第二传输端口离开的光谱的示例；
[0022]‑
图7示出了在系统的一个实施方式中包括的光学微环谐振器带通滤波器的结构图；
[0023]‑
图8A和图8B分别描绘了当在输入处注入宽带光学信号时从光学滤波器的第一提取端口和第二传输端口离开的谱；
[0024]‑
图9示出了光纤传感器FBG的反射谱和由图7和图8中的光学带通滤波器执行的窄带采样的示例；
[0025]‑
图10和图11分别描绘了当在输入处注入由光纤传感器FBG反射的光谱时从光学滤波器的第一提取端口和第二传输端口离开的谱；
[0026]‑
图12示出了图10和图11中谱的放大细节；
[0027]‑
图13和图14通过功能框图示出了根据本专利技术的用于询问光纤布拉格光栅型光纤传感器的系统的另外两个相应实施方式。
具体实施方式
[0028]现在参考图1至图14描述一种用于询问至少一个光纤布拉格光栅型FBG光纤传感器(为了简洁，下文也称为“FBG传感器”)的方法。
[0029]该方法首先包括以下步骤：用宽带激发光学辐射OA照射上述至少一个光纤布拉格光栅型FBG光纤传感器，并将由至少一个光纤布拉格光栅型FBG光纤传感器传输的光谱OT或
反射的光谱OR传送到至少一个可调谐的光学带通滤波器BPF，该光学带通滤波器BPF具有彼此互补的第一提取端口1和第二传输端口2。
[0030]该方法还包括：根据光纤传感器FBG的光纤布拉格光栅的标称工作波长，以恒定的工作波长λi对光学带通滤波器BPF进行调谐。
[0031]该方法然后包括下述步骤：对从光学带通滤波器的第一提取端口1离开的相应的第一光学信号L1进行检测。这样的第一光学信号是光纤传感器FBG的光纤布拉格光栅在光学带通滤波器BPF的恒定的工作波长λi附近的传输谱OT或反射谱OR的窄带光学滤波。
[0032]然后，该方法提供通过第一光电接收器PD1将上述第一光学信号L1转换为相应的第一电信号E1，该第一电信号表示由光纤传感器FBG的布拉格光栅反射或传输的谱相对于标称工作波长的波长偏移Δλ。
[0033]在不同的实施选项中，该第一电信号E1可以是电流或电压。
[0034]在优选实施选项中，第一电信号E1表示(或对应于)与入射在第一光电接收器PD1上的光功率成比例的电压，因此，它与上述由光纤传感器FBG反射或传输的谱的波长偏移Δλ是相关的(例如，成比例的)。
[0035]该方法然后包括下述步骤：对第二光学信号L2进行检测，该第二光学信号离开光学带通滤波器BPF的第二传输端口2，与第一光学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于询问至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)的方法，所述方法包括以下步骤：
‑
用宽带激发光学辐射(OA)来照射所述至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)；
‑
将通过至少一个光纤布拉格光栅型光纤(FBG)传输的光谱(OT)或反射的光谱(OR)传送到至少一个可调谐的光学带通滤波器(BPF)，所述可调谐的光学带通滤波器具有彼此互补的第一提取端口(1)和第二传输端口(2)；
‑
根据所述光纤传感器(FBG)的光纤布拉格光栅的标称工作波长，以恒定的工作波长(λi)对所述光学带通滤波器(BPF)进行调谐；
‑
对从所述光学带通滤波器(BPF)的所述第一提取端口(1)离开的至少一个相应的第一光学信号(L1)进行检测，所述第一光学信号(L1)是所述光纤传感器(FBG)的所述光纤布拉格光栅的传输谱或反射谱(OT、OR)围绕所述光纤(BPF)的所述恒定的工作波长(λi)的窄带光学滤波；
‑
借助于第一光电接收器(PD1)将所述第一光学信号(L1)转换为相应的第一电信号(E1)，所述第一电信号表示由所述光纤传感器(FBG)的布拉格光栅反射的谱或传输的谱(OT、OR)相对于所述标称工作波长(λi)的波长偏移(Δλ)；
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对从所述光学带通滤波器(BPF)的所述第二传输端口(2)离开的第二光学信号(L2)进行检测，所述第二光学信号与所述第一光学信号(L1)在谱上互补；
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借助于第二光电接收器(PDT)将所述第二光学信号(L2)转换为相应的第二电信号(E2)，所述第二电信号表示参考光功率，所述参考光功率基本上独立于滤波波长并且依赖于所述宽带激发光学辐射的功率，以及依赖于整个光学路径的损耗，等于所述第一光学信号所经受的依赖性；
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基于检测到的所述第一电信号(E1)以及基于表示检测到的所述参考光功率的所述第二电信号(E2)来确定由所述光纤传感器(FBG)的所述布拉格光栅反射的谱或传输的谱(OR、OT)相对于所述标称工作波长(λi)的波长偏移(Δλ)，检测到的所述第一电信号由从所述光学带通滤波器(BPF)的所述第一提取端口(1)离开的所述光学信号(L1)得出，所述第二电信号由从所述光学带通滤波器(BPF)的所述第二传输端口(2)离开的所述第二光学信号(L2)得出，使得所述第一电信号的检测相对于宽带激发光学辐射的功率变化和光学路径的损耗的变化得到补偿，其中，所确定的由所述布拉格光栅反射的谱或传输的谱(OR、OT)的所述波长偏移(Δλ)表示通过所述光纤传感器(FBG)测量的物理量值；其中，所述光学带通滤波器(BPF)和所述第一光电接收器(PD1)以及所述第二光电接收器(PDT)集成在光子集成电路(PIC)中。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可调谐的光学带通滤波器(BPF)包括与所述第一提取端口(1)和所述第二传输端口(2)不同的第三输入端口(3)，并且其中，所述传送步骤包括将由所述至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)传输的光谱(OT)或反射的光谱(OR)传送到所述可调谐的光学带通滤波器(BPF)的所述第三输入端口。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述光学带通滤波器(BPF)是光学微环谐振器滤波器。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述调谐步骤包括：以位于所述光
纤传感器(FBG)的光纤布拉格光栅的标称反射谱或传输谱的线性或几乎线性区域上的所述恒定的工作波长对所述光学带通滤波器(BPF)进行调谐，使得所述光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)的反射谱或传输谱的波长偏移或变化(Δλ)对应于所述第一光学信号(L1)的功率或强度的线性或几乎线性变化。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法被配置成询问级联的多个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG1
‑
FBGn)，每个光纤布拉格光栅型光纤传感器的特征在于相应的标称工作波长(λ1
‑
λn)，其中，
‑
所述传送步骤包括：将整个传输的光谱(OT)或反射的光谱(OR)从级联的所述光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)传送到级联的可调谐的光学带通滤波器(BPF1
‑
BPFn)；
‑
所述调谐步骤包括：围绕与所述光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG1
‑
FBGn)的所述标称工作波长中的相应的一个标称工作波长对应的相应波长(λ1
‑
λn)，对所述光学带通滤波器(BPF1
‑
BPFn)中的每一者进行调谐；
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对第一光学信号进行检测的步骤包括：对从所述光学带通滤波器(BPF1
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BPFn)中的每一者的所述第一提取端口离开的多个第一光学信号(L11
‑
L1n)进行检测，每个第一光学信号处于保持恒定的相应的工作波长；
‑
所述转换步骤包括：借助于多个第一光电二极管(PD1
‑
PDn)将所述多个第一光学信号(L11
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L1n)转换为相应的多个第一电信号(E11
‑
E1n)；
‑
对第二光学信号(L2)进行检测的步骤包括：对从所述级联的光学带通滤波器中的最后的光学带通滤波器(BPFn)的所述第二传输端口离开的光学信号进行检测，以及借助于第二光电接收器(PDT)将所述第二光学信号(L2)转换为相应的第二电信号(E2)；
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所述确定步骤包括：基于检测到的所述多个第一电信号(E11
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E1n)以及基于检测到的所述第二电信号(E2)，确定由所述光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG1
‑
FBGn)中的每一者反射的谱或传输的谱中的每个谱相对于所述标称工作波长的波长偏移(Δλi)。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，所述方法被配置成在宽的波长范围上询问仅一个所述光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)，其中，
‑
所述传送步骤包括：将由所述光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)传输的光谱(OT)或反射的光谱(OR)传送到级联的可调谐带通滤波器(BPF1
‑
BPFn)中；
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所述调谐步骤包括：以保持恒定的相应的工作波长(λ1
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λn)对所述光学带通滤波器(BPF1
‑
BPFn)中的每一者进行调谐，所述保持恒定的相应的工作波长属于由所述传感器传输的所述光谱或传输的所述光谱的所述宽的波长范围；
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对至少一个光学信号进行检测的步骤包括：对从所述光学带通滤波器(BPF1
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BPFn)中的每一者的所述第一提取端口离开的多个第一光学信号(L11
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L1n)进行检测；
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对至少第一光学信号进行转换的步骤包括：借助于多个第一光电二极管(PD1
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PDn)将所述多个第一光学信号(L11
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L1n)转换为相应的多个第一电信号(E11
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E1n)；
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对第二光学信号(L2)进行检测的步骤包括：对从所述级联的光学带通滤波器中的最后的光学带通滤波器(BPFn)的所述第二传输端口离开的光学信号进行检测；
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对所述第二光学信号(L2)进行转换的步骤包括：借助于第二光电接收器(PD2)将所述第二光学信号转换为相应的第二电信号(E2)；
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所述确定步骤包括：基于检测到的所述多个第一电信号(E11
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E1n)以及基于检测到的
所述第二电信号(E2)，在所述宽的波长范围内确定所述FBG传感器的反射或传输波长的峰值。7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括在所述传送步骤之前的下述步骤：借助于光学分离器(D)来分离总光功率，以及将所述总光功率的一部分发送到第三光电接收器(PDD)，以获得适于支持进一步补偿的第三电信号(E3)。8.一种用于询问至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)的系统(10)，所述系统包括：
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至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)；
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宽带光学辐射源(S)，所述宽带光学辐射源被配置成用宽带激发光学辐射(OA)来照射所述至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)；
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至少一个可调谐的光学带通滤波器(BPF)，所述至少一个可调谐的光学带通滤波器具有彼此互补的第一提取端口(1)和第二传输端口(2)，并且还具有输入端口(3)，所述输入端口与所述第一提取端口(1)和第二传输端口(2)不同并且以操作性的方式连接到所述至少一个光纤布拉格光栅型光纤传感器(FBG)，以接收由所述传感器传输的光谱(OT)或反射的光谱(OR)，其中，所述光学带通滤波器(BPF)是能够根据所述光纤传感器(FBG)的光纤布拉格光栅的标称工作波长以恒定的工作波长(λi)在一波长范围内调谐的；
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第一光电接收器(PD1)，所述第一光电接收器以操作性的方式连接到所述光学带通滤波器(BPF)的所述第一提取端口(1)以接收相应的第一光学信号(L1)，并且所述第一光电接收器被配置成将所述第一光学信号(L1)转换为相应的第一电信号(E1)，其中，所述第一光学信号(L1)是所述光纤传感器(FBG)的光纤布拉格光栅的传输的谱(OT)或反射的谱(OR)的处于所述光学滤波器的所述恒定的工作波长的窄带光学滤波；
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第二光电接收器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗西斯科，
申请(专利权)人：乐姆宝公开有限公司，
类型：发明
国别省市：