全文摘要
本实用新型公开了一种级联LPFG自滤波传感系统，包括窄带光源，还包括与窄带光源输出端连接的环形器，环形器的第一端口与窄带光源输出端连接，环形器第二端口连接串联的第一FBG和第二FBG，环形器第三端口连接Y型耦合器，Y型耦合器第一端口与环形器第三端口连接，Y型耦合器第二端口连接级联的第一LPFG和第二LPFG，Y型耦合器第三端口连接级联的第三LPFG和第四LPFG，第一FBG、第二FBG、第三LPFG和第四LPFG放置于恒温箱内，第一LPFG和第二LPFG放置于待测环境中。这种传感系统，降低了成本，且灵敏度高，线性度好，可同时动态实现应变和温度的测量，提高传感测量精度，便捷适应于光谱解调或光电转换后高速解调，提高系统本身对外测量稳定性，应用前景广阔。
主设计要求
1.一种级联LPFG自滤波传感系统，包括窄带光源，其特征在于，还包括与窄带光源输出端连接的环形器，环形器设有第一端口、第二端口和第三端口，其中环形器的第一端口与窄带光源输出端连接，环形器第二端口连接串联的第一FBG和第二FBG，环形器第三端口连接Y型耦合器，Y型耦合器设有第一端口、第二端口和第三端口，其中Y型耦合器第一端口与环形器第三端口连接，Y型耦合器第二端口连接级联的第一LPFG和第二LPFG，Y型耦合器第三端口连接级联的第三LPFG和第四LPFG，第一FBG、第二FBG、第三LPFG和第四LPFG放置于恒温箱内，第一LPFG和第二LPFG放置于待测环境中，窄带光源输出端、环形器、Y型耦合器、第一FBG、第二FBG、第一LPFG、第二LPFG、第三LPFG和第四LPFG之间的连接均采用单模光纤连接。
设计方案
1. 一种级联LPFG自滤波传感系统，包括窄带光源，其特征在于，还包括与窄带光源输出端连接的环形器，环形器设有第一端口、第二端口和第三端口，其中环形器的第一端口与窄带光源输出端连接，环形器第二端口连接串联的第一FBG和第二FBG，环形器第三端口连接Y型耦合器， Y型耦合器设有第一端口、第二端口和第三端口， 其中Y型耦合器第一端口与环形器第三端口连接，Y型耦合器第二端口连接级联的第一LPFG和第二LPFG，Y型耦合器第三端口连接级联的第三LPFG和第四LPFG，第一FBG、第二FBG、第三LPFG和第四LPFG放置于恒温箱内，第一LPFG和第二LPFG放置于待测环境中，窄带光源输出端、环形器、Y型耦合器、第一FBG、第二FBG、第一LPFG、第二LPFG、第三LPFG和第四LPFG之间的连接均采用单模光纤连接。
2.根据权利要求1所述的级联LPFG自滤波传感系统，其特征在于，第一LPFG和第二LPFG由飞秒激光器和微移控制平台加工Y型耦合器第二端口与第一LPFG之间的单模光纤得到，第一LPFG与第二LPFG中心波长不相同。
3.根据权利要求1所述的级联LPFG自滤波传感系统，其特征在于，第三LPFG和第四LPFG由飞秒激光器和微移控制平台加工Y型耦合器第三端口与第三LPFG之间的单模光纤得到，第三LPFG与第四LPFG中心波长不相同。
4.根据权利要求1所述的级联LPFG自滤波传感系统，其特征在于，第一FBG和第二FBG由倍频氩离子激光器和微移控制平台加工环形器第二端口与第一FBG之间的单模光纤得到，第一FBG与第二FBG中心波长不相同。
5.根据权利要求1所述的级联LPFG自滤波传感系统，其特征在于，第一FBG的反射光谱与第一LPFG的透射谱和第三LPFG的透射谱匹配相交，第一FBG的反射光谱的中心波长与第一LPFG的透射谱相交点位于第一LPFG的透射谱边缘线性波段内，第一FBG的反射光谱的中心波长与第三LPFG的透射谱相交点位于第三LPFG的透射谱边缘线性波段内。
6.根据权利要求1所述的级联LPFG自滤波传感系统，其特征在于，第二FBG的反射光谱与第二LPFG的透射谱和第四LPFG的透射谱匹配相交，第二FBG的反射光谱的中心波长与第二LPFG的透射谱相交点位于第二LPFG的透射谱边缘线性波段内，第二FBG的反射光谱的中心波长与第四LPFG的透射谱相交点位于第四LPFG的透射谱边缘线性波段内。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及自滤波传感技术，具体是一种级联LPFG自滤波传感系统。
背景技术
长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,简称LPFG)是继光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)之后出现的一种新型的光纤光栅，其特征是光栅周期大于布拉格光栅，以投射式滤波为主。LPFG将光纤纤芯波导模式匹配光波长与包层波导模式进行耦合，在包层传播过程中损耗掉，进而避免纤芯波导模式的后向耦合，而且投射损耗谱带宽远大于FBG光谱带宽。当待测温度与应变物理量施加于LPFG，会直接引起光纤及光栅物理属性的改变，进而引起透射损耗谱红蓝漂移，通过建立透射损耗谱漂移量与待测物理量的函数关系即可实现温度与应变的传感与测量。LPFG凭借其宽投射带宽，高灵敏度的优势，在医药制备工程检测、铁路交通和油气工程设备检测与控制中具有巨大的潜在价值。
由于LPFG在较长的波长范围内具有多个损耗透射峰，受透射谱叠加无效性的影响，目前，针对于LPFG作为传感器更多是单一元件的操作研究，对于级联只能是多个相同参数的LPFG进行操作，对实际环境的物理量测量严重受交叉敏感问题制约，很难对目标物理量进行有效的解调与测量。对于级联了布拉格光栅的LPFG传感器，虽然在一定程度上解决了交叉敏感问题，但受到反射式数据获取方式的制约，只能进行光纤通信系统单端式操作，而且反射光处理不当易造成光源不稳定，通常需要匹配高稳定宽带光源，造成系统复杂笨重成本高昂，不利于推广。除此之外，目前对于LPFG传感器的研究着重在传感原理，而忽略了相对应匹配的兼容高精度与高速度解调方式的研究与提出，制约着传感系统的量产成品化。
实用新型内容
本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，提供一种级联LPFG自滤波传感系统。这种传感系统，用于传感的带宽宽，测量量程宽，且不要求光源的宽带宽，可选择匹配传感带宽的窄带激光器光源，降低了系统的成本，而且灵敏度高，线性度好，还可以同时动态实现应变和温度的测量，提高传感测量精度，便捷适应于光谱解调或光电转换后高速解调，提高系统本身的对外测量稳定性，传感端与参考端双端输出作为一种便捷和普适接口，方便连接不同的解调系统，应用前景广阔且具有重要的参考价值。
实现本实用新型目的的技术方案是：
一种级联LPFG自滤波传感系统，包括窄带光源，还包括与窄带光源输出端连接的环形器，环形器设有第一端口、第二端口和第三端口，其中环形器的第一端口与窄带光源输出端连接，环形器第二端口连接串联的第一FBG和第二FBG，环形器第三端口连接Y型耦合器，Y型耦合器设有第一端口、第二端口和第三端口，其中Y型耦合器第一端口与环形器第三端口连接，Y型耦合器第二端口连接级联的第一LPFG和第二LPFG，Y型耦合器第三端口连接级联的第三LPFG和第四LPFG，第一FBG、第二FBG、第三LPFG和第四LPFG放置于恒温箱内，第一LPFG和第二LPFG放置于待测环境中，窄带光源输出端、环形器、Y型耦合器、第一FBG、第二FBG、第一LPFG、第二LPFG、第三LPFG和第四LPFG之间的连接均采用单模光纤连接。
第一LPFG和第二LPFG由飞秒激光器和微移控制平台加工Y型耦合器第二端口与第一LPFG之间的单模光纤得到，第一LPFG与第二LPFG中心波长不相同。
第三LPFG和第四LPFG由飞秒激光器和微移控制平台加工Y型耦合器第三端口与第三LPFG之间的单模光纤得到，第三LPFG与第四LPFG中心波长不相同。
第一FBG和第二FBG由倍频氩离子激光器和微移控制平台加工环形器第二端口与第一FBG之间的单模光纤得到，第一FBG与第二FBG中心波长不相同。
第一FBG的反射光谱与第一LPFG的透射谱和第三LPFG的透射谱匹配相交，第一FBG的反射光谱的中心波长与第一LPFG的透射谱相交点位于第一LPFG的透射谱边缘线性波段内，第一FBG的反射光谱的中心波长与第三LPFG的透射谱相交点位于第三LPFG的透射谱边缘线性波段内。
第二FBG的反射光谱与第二LPFG的透射谱和第四LPFG的透射谱匹配相交，第二FBG的反射光谱的中心波长与第二LPFG的透射谱相交点位于第二LPFG的透射谱边缘线性波段内，第二FBG的反射光谱的中心波长与第四LPFG的透射谱相交点位于第四LPFG的透射谱边缘线性波段内。
窄带光源为双峰输出激光光源，双峰输出激光光源波峰包含第一波长和第二波长，第一波长中心波长匹配第一FBG反射光谱中心波长，第一波长带宽宽度等于或大于第一FBG反射光谱零点带宽宽度，第二波长中心波长匹配第二FBG反射光谱中心波长，第二波长带宽宽度等于或大于第二FBG反射光谱零点带宽宽度。
所述的单模光纤为SMF-28型光纤。
所述的环形器为单模光纤环形器，波长范围为1520nm-1620nm，总体光功率损耗要求小于10dB。
所述的Y型耦合器为1×2单模光纤耦合器，双端口插入损耗3dB，双端口耦合比率为50％:50％。
这种传感系统，用于传感的带宽宽，测量量程宽，且不要求光源的宽带宽，可选择匹配传感带宽的窄带激光器光源，降低了系统的成本，而且灵敏度高，线性度好，还可以同时动态实现应变和温度的测量，提高传感测量精度，便捷适应于光谱解调或光电转换后高速解调，提高系统本身的对外测量稳定性，传感端与参考端双端输出作为一种便捷和普适接口，方便连接不同的解调系统，应用前景广阔且具有重要的参考价值。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为环形器端口示意图；
图3为Y型耦合器端口示意图；
图4为本实用新型所需双峰光源光谱图；
图5为本实用新型双峰光源受边缘滤波后的透射光谱图；
图6为本实用新型级联的第一LPFG和第二LPFG双透射谱边缘线随温度变化图；
图7为本实用新型级联的第一LPFG和第二LPFG双透射谱边缘线随应变变化图；
图8为本实用新型双透射峰光功率与标准值的差值随温度变化的拟合图；
图9为本实用新型系统双透射峰光功率与标准值的差值随应变变化的拟合图。
图中，1.窄带光源 2.单模光纤 3.环形器 1#.第一端口 2#.第二端口 3#.第三端口 4.第一FBG 5.第二FBG 4-1.第一FBG反射光波峰 5-1.第二FBG反射光波峰 6.Y型耦合器 1’.第一端口 2’.第二端口 3’.第三端口 7.第一LPFG 8.第二LPFG 7-1.第一LPFG和第三LPFG的透射光谱 8-1.第二LPFG和第四LPFG的透射光谱 9.第三LPFG 10.第四LPFG 11.恒温箱 12.待测环境。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型的内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定。
实施例：
参照图1，一种级联LPFG自滤波传感系统，包括窄带光源1，还包括与窄带光源1输出端连接的环形器3，如图2所示，In为光谱输入，箭头方向为光波传送方向，环形器3设有第一端口1#、第二端口2#和第三端口3#，其中环形器3的第一端口1#与窄带光源1输出端连接，环形器3第二端口2#连接串联的第一FBG4和第二FBG5，环形器3第三端口3#连接Y型耦合器6，如图3所示，In为光谱输入，箭头方向为光波传送方向，Y型耦合器6设有第一端口1’、第二端口2’和第三端口3’，其中Y型耦合器6第一端口1’与环形器3第三端口3#连接，Y型耦合器6第二端口2’连接级联的第一LPFG7和第二LPFG8，Y型耦合器6第三端口3’连接级联的第三LPFG9和第四LPFG10，第一FBG4、第二FBG5、第三LPFG9和第四LPFG10放置于恒温箱11内，第一LPFG7和第二LPFG8放置于待测环境12中，窄带光源1输出端、环形器3、Y型耦合器6、第一FBG4、第二FBG5、第一LPFG7、第二LPFG8、第三LPFG9和第四LPFG10之间的连接均采用单模光纤2连接。
第一LPFG7和第二LPFG8由飞秒激光器和微移控制平台加工Y型耦合器6第二端口2’与第一LPFG7之间的单模光纤2得到，第一LPFG7与第二LPFG8中心波长不相同。
第三LPFG9和第四LPFG10由飞秒激光器和微移控制平台加工Y型耦合器6第三端口3’与第三LPFG9之间的单模光纤2得到，第三LPFG9与第四LPFG10中心波长不相同。
第一FBG4和第二FBG5由倍频氩离子激光器和微移控制平台加工环形器3第二端口2#与第一FBG4之间的单模光纤2得到，第一FBG4与第二FBG5中心波长不相同。
第一FBG4的反射光谱与第一LPFG7的透射谱和第三LPFG9的透射谱匹配相交，第一FBG4的反射光谱的中心波长与第一LPFG7的透射谱相交点位于第一LPFG7的透射谱边缘线性波段内，第一FBG4的反射光谱的中心波长与第三LPFG9的透射谱相交点位于第三LPFG9的透射谱边缘线性波段内。
第二FBG5的反射光谱与第二LPFG8的透射谱和第四LPFG10的透射谱匹配相交，第二FBG5的反射光谱的中心波长与第二LPFG8的透射谱相交点位于第二LPFG8的透射谱边缘线性波段内，第二FBG5的反射光谱的中心波长与第四LPFG10的透射谱相交点位于第四LPFG10的透射谱边缘线性波段内。
使用窄带光源1为双峰输出激光光源，双峰输出激光光源波峰包含第一波长和第二波长，第一波长线宽为1549-1551nm，输出功率为0dB，第二波长线宽为1584-1586nm，输出功率为0dB，窄带光源1总体功率涨落范围为0dB-1dB；环形器3的1#-2#端口损耗和环形器3的2#-3#端口损耗均为3.5dB；Y型耦合器6的1’-2’端口和Y型耦合器6的1’-3’端口插入损耗均为3dB；单模光纤2接入损耗总体为5dB；室温在25℃无应变条件下，第一FBG4的中心波长为1550nm，第二FBG5的中心波长为1585nm，第一FBG4和第二FBG5的边摸抑制比同为20dB，第一FBG4和第二FBG5的3dB带宽同为0.5nm；室温在25℃无应变条件下，第一LPFG7和第三LPFG9中心波长同为1546nm，第一LPFG7和第三LPFG9的零点带宽同为38nm，第一LPFG7和第三LPFG9的振幅同为-7.5dB，第二LPFG8和第四LPFG10中心波长同为1588nm，第二LPFG8和第四LPFG10零点带宽同为48nm，第二LPFG8和第四LPFG10的振幅同为-8.75dB；恒温箱11输出温度为25℃。
窄带光源1输出的光波依次经过环形器3的第一端口1#和环形器3的第二端口2#，光波受到第一FBG4和第二FBG5的反射，反射光谱如图4所示，反射光经过环形器3的第二端口2#进入到环形器3的第三端口3#，再经过Y型耦合器6的第一端口1’均分为两路光，第一路光经过耦合器6的第二端口2’输出，第二路光经过耦合器6的第三端口3’输出，在不施加温度和应变的标准状态下，输出光谱如图5所示，当第一LPFG7和第二LPFG8受到温度和应变作用时，图5中第一LPFG7和第三LPFG9透射光谱7-1、第二LPFG8和第四LPFG10透射光谱8-1发生漂移变化。
由于级联的第一LPFG7和第二LPFG8光学参数不同，当温度和应变或者其中之一物理量发生变化时，第一LPFG7透射峰中心波长和第二LPFG8透射峰中心波长分别以不同的灵敏度发生变化，因此，对应于第一LPFG7和第二LPFG8灵敏度量化数学矩阵可应用于双参数测量和计算。
采用灵敏度不同的级联的第一LPFG7和第二LPFG8进行传感测量，采用与第一LPFG7物理属性相同的第三LPFG9和与第二LPFG8物理属性相同的第四LPFG10进行级联，并且放入恒温箱11中保持物理状态的稳定，以作为系统状态的参考。
通过获取第一LPFG7、第二LPFG8、第三LPFG9和第四LPFG10匹配的光源冲击信号边缘滤波后的透射光谱功率，第一LPFG7与第三LPFG9透射光谱功率值相减，第二LPFG8与第四LPFG10透射光谱功率值相减，得到传感测量功率值和系统状态参考功率值差值数据，进而代入传感特性灵敏度矩阵，实现对温度和应变双参数计算测量。
级联LPFG自滤波传感系统能够实现对温度与应变的测量，测量解调过程表述如下：
对级联LPFG自滤波传感系统在T＝25℃和ε＝200με条件下进行校准定标，级联的第一LPFG7和第二LPFG8的透射功率值分别记为P1<\/sub>和P2<\/sub>，级联的第三LPFG9和第四LPFG10的透射功率值分别记为P10<\/sub>和P20<\/sub>，温度变化量记为ΔT，应变变化量记为Δε，级联的第一LPFG7和第二LPFG8上的温度和应变发生变化时，第一LPFG7和第三LPFG9输出功率差值记为ΔP1，<\/sub>第二LPFG8和第四LPFG10输出功率差值记为ΔP2<\/sub>，数学表述为：
ΔP1<\/sub>、ΔP2<\/sub>与ΔT、Δε之间的关系为：
其中，当i＝1、2时，KTi<\/sub>和 申请码:申请号:CN201920004805.1 申请日:2019-01-03 公开号:公开日:国家:CN 国家/省市:45(广西) 授权编号:CN209326580U 授权时间:20190830 主分类号:G01B 11/16 专利分类号:G01B11/16;G01K11/32 范畴分类:31B; 申请人:广西师范大学 第一申请人:广西师范大学 申请人地址:541004 广西壮族自治区桂林市七星区育才路15号 发明人:陶维俱;吕凤珍;胡君辉;曾庆科;秦子雄 第一发明人:陶维俱 当前权利人:广西师范大学 代理人:杨雪梅 代理机构:45112 代理机构编号:桂林市华杰专利商标事务所有限责任公司 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计设计图
相关信息详情