一种新型长周期光纤光栅差分式强度解调传感系统技术方案

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，针对现有解调方法存在的问题，提供了一种新型的长周期光纤光栅传感系统，并基于该系统提出了一种差分式传感信号强度解调方法。采用分布式反馈激光器，光学开关，光耦合器，光功率计以及长周期光纤光栅传感结构组成传感系统，对常见物理参量的检测。该系统检测所需时间短，操作简便，不需要使用光谱仪，能够实现在线实时检测。该系统通过相位调制增宽了长周期光纤光栅线性区域，通过差分算法以及使长周期光纤光栅工作在色散转折点等方法，实现了大量程范围、高灵敏度的快速测量。的快速测量。

【技术实现步骤摘要】
一种新型长周期光纤光栅差分式强度解调传感系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，特别涉及新型长周期光纤光栅差分式强度解调传感系统。

技术介绍

[0002]基于光学传感的长周期光纤光栅在各种物理参数（例如温度、应变、转动和折射指数）、生物分子（例如DNA和蛋白质）和化学物质（例如硫酸、氯化钠和葡萄糖）等领域的测量中已经被广泛的研究。虽然它们各自有不同的原理和装置，然而，但其传感信号的解调方法通常只能分为两种：波长解调和强度解调。
[0003]长周期光纤光栅的周期和有效折射率指数很容易受到外部环境的影响。根据相位匹配条件，长周期光纤光栅的共振波长在外部环境变化时会发生变化。因此，波长解调已成为长周期光纤光栅最常用的一种解调方法。但是，想要在现有系统中精确检测波长移动，一些昂贵而笨重的仪器是至关重要的，即需要宽带光源和具有高波长分辨率的光谱分析仪或功率计，以及具有宽调谐区域和高波长扫描速度的极窄线宽可调激光器。因此，虽然长周期光纤光栅的波长解调可以达到良好的测量精度，但在实际应用中仍面临挑战。
[0004]另一方面，对于强度解调，通常使用分布式反馈激光器和功率计。由于这些仪器具有体积小、成本低、反应快等优点，因此，具有强度解调的长周期光纤光栅传感器满足在实际应用中在线实时检测的要求。但光源（即分布式反馈激光器）和传输路径中不可避免的不稳定因素，包括功率和偏振状态的改变，将导致测量误差。通过利用损耗峰两侧固有的线性区域，现有研究已经开发了多个基于强度解调的长周期光纤光栅传感器。但是，上述所有研究中可用的线性边缘限制在
ꢀ±
10 nm 以内，这远远低于长周期光纤光栅本身的带宽。

技术实现思路

[0005]针对现有长周期光纤光栅解调技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种相位调制长周期光纤光栅传感系统，并基于该系统提出了一种差分式传感信号强度解调方法，进行常见物理参数、生物分子以及化学物质的检测。该系统检测所需时间短，操作简便，不需要昂贵且大型的仪器，能够实现具有大量程及高灵敏度的在线实时检测。
[0006]本专利技术的具体技术方案为：一种相位调制长周期光纤光栅差分式强度解调传感系统，包括两个工作于不同波长处分布式反馈激光器，一个1x2单模光纤光学开关，一个90:10的1x2单模光纤耦合器，两个检测单一且不同波长的光功率计，以及工作于径向高阶包层模式的色散转折点附近且经过相位调制扩展带宽，具有四个大带宽线性波长区域的长周期光纤光栅传感结构。其中，两个分布式反馈激光器连接至光学开关，光学开关输出端连接至90:10耦合器，一个光功率计连接至耦合器10%输出端，耦合器90%输出端连接至长周期光纤光栅传感结构之后再与另一光功率计相连。
[0007]分布式反馈激光器，用于产生单波长光信号；
光学开关，用于在切换两个分布式反馈激光器输出中进行切换；90:10耦合器，用于对输出信号进行分流，其中10%输出端用于对分布式反馈激光器的输出功率进行检测，90%输出端用于对提供传感的光信号；光功率计，用于检测光信号的功率；长周期光纤光栅传感结构，用于在受到外界干扰后，对分布式反馈激光器的光信号进行干扰，得到受干扰后的光信号，并将受干扰后的光信号发送至光功率计。
[0008]进一步地，长周期光纤光栅工作于径向高阶包层模式的色散转折点附近，且经过相位调制扩展了损耗峰的带宽以及增加了损耗峰边缘的线性度，得到了具有四个大波长范围的线性区域的透射光谱。
[0009]提供一种光纤传感器的解调方法，其包括以下步骤：1）通过连接至耦合器10%输出端的光功率计确定两个工作在不同波长的分布式反馈激光器的功率；2）通过连接至传感结构的光功率计确定两个工作在不同波长的分布式反馈激光器的当前功率；3）将两个工作在不同波长的分布式反馈激光器的当前功率进行差分计算；4）通过两个分布式反馈激光器的差分功率变化，代入标准灵敏度，检测待测参数的变化量。
[0010]本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术中利用强度解调方法，解决了波长解调中需要大型仪器以及扫描时间长等问题；（2）利用差分解调方法，解决了光源功率变化带来的误差；（3）本专利技术中利用相位调制技术，扩展了长周期光纤光栅的线性边缘范围，得到了具有四个大线性波长区域的长周期光纤光栅透射光谱。解决了基于传感信号强度解调的长周期光纤光栅的量程范围小的问题；（4）本专利技术中利用工作于径向高阶包层模式色散转折点的长周期光纤光栅，提高了所述方法的灵敏度，解决了大量程范围与高灵敏度之间很难共存的问题。
附图说明
[0011]图1、相位调制长周期光纤光栅传感系统示意图。
[0012]图2、相位调制长周期光纤光栅传输光谱图。
[0013]图3、(a) 本系统输出功率对轴向应变响应；(b) 相位调制长周期光纤光栅传输光谱对不同应变的变化。
[0014]图4、(a) 本系统输出功率对外界折射率响应；(b) 相位调制长周期光纤光栅对不同外界折射率的变化。
具体实施方式
[0015]该装置通过分别确定A和C（或B和D）区域中的一个波长位置，监测该波长处的能量变化，之后经过差分计算，测量外界干扰的变化。下面通过两个实例对该装置进行进一步介绍。
[0016]1）利用该系统对轴向应变的响应进行测量，通过光开关分别接通分布式反馈激光器1及分布式反馈激光器2，通过光功率计1确定两个工作在不同波长的分布式反馈激光器的功率，之后测量光功率计2输出功率对应变进行测量。
[0017]该结构由于长周期光纤光栅工作在径向高阶包层模式色散转折点，因而随轴向应变的增加，两个损耗峰分别向两侧移动，且有着很高的灵敏度。为了更加直观的表示该系统测量方法，给出了如图3(b)所示的不同轴向应变下的相位调制长周期光纤光栅光谱变化情况。通过分别监测1357 nm和1973 nm处的输出功率，得到了在不同轴向应变下的输出功率变化量，如图3(a)所示，之后经过差分计算，消除了光源功率变化带来的误差，同时进一步的增加灵敏度。最后该系统对轴向应变的灵敏度可达6.04
×
10
‑3%/με，有着大量程范围(0～7600με)，且有着较高的线性度(R2=0.99986)。
[0018]2）利用该系统对外界折射率的响应，通过如上方法测量光功率计2输出功率对外界折射率进行测量。
[0019]相位调制长周期光纤光栅对外界折射率的光谱响应如图4(b)所示。随着外界折射率的增加，两个损耗峰分别向两侧移动，且在一定的外界折射率范围内有着较好的灵敏度。通过分别监测1259 nm和2148 nm处的输出功率，得到了在不同外界折射率下的输出功率变化量，如图4(a)所示。该系统对外界折射率变化的测量范围大(1.33
‑
1.446)，且在低外界折射率范围(1.33
‑
1.38)内灵敏度可达2.481%/RIU，高外界折射率范围(1.43
‑
1.446)内灵敏度可达8.348%/RIU。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型长周期光纤光栅差分式强度解调传感系统，其特征在于，包括两个工作于不同波长处分布式反馈激光器，一个1x2单模光纤光学开关，一个90:10的1x2单模光纤耦合器，两个检测单一且不同波长的光功率计，以及工作于色散转折点附近且经过相位调制扩展线性区域的长周期光纤光栅传感结构。2.根据权利要求1所述的一种新型长周期光纤光栅差分式强度解调传感系统，其特征在于，其解调方法包括如下步骤：1）通过连接至1x2单模光纤耦合器...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：