CN102519638A - 一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法，包括以下步骤：基于悬臂梁调谐技术与弹簧管相结合的压力传感器原理实现波长的移动与压力的变化；利用边缘解调系统实现将波长的测量转换为光强的测量；将微弱的光信号转变为电信号并加以放大，通过电信号来显示光纤光栅压力的大小。本发明提供一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法，其可以保证测试现场无任何电信号的情况下完成压力测试，从而可以实现本安防爆，因此在石油、石化等对易燃、易爆有特殊要求的行业等具有非常重要价值。

Description

一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法。

背景技术

围绕光纤光栅传感器的压力灵敏度，西安交通大学傅海威等提出基于线性膜片的光纤光栅压力传感器，获得很高的压力灵敏度，但该实验系统压力范围太小，只有0-0.12MPa，西安石油大学周红采用C型弹性管的光栅传感结构获得了很宽的压力测试范围，但在0-6MPa的压力范围内，波长移动只有0.2nm，灵敏度过低，西安石油大学罗小东、南开大学刘云启等人先后采用波登管压力传感器，使系统压力灵敏度达到0.22nm/MPa和0.28nm/MPa但上述文章中均对解调方法没有详细的论述。围绕解调方法中，国内外专家先后提出了可调法布里-珀罗(F-P)滤波器法，非平衡马赫-曾德尔干涉仪解调法、可调谐激光器的波长匹配法，压电陶瓷(PZT)匹配光纤光栅滤波法等多种方法。这些解调方案有不同的优缺点，但整体来讲系统成本高、技术复杂是具有共性的问题，这在一定程度上制约了光纤光栅类仪表的发展。国内围绕这一研究领域早些时候南开大学刘波、重庆大学的李景义、南开大学刘云启等人先后实施的利用长周期光纤光栅的边缘进行解调的方法，但这种方法中最大的问题就是长周期光纤光栅具有较高温度和弯曲灵敏度，实际应用中即使采取适当的封装技术和温度补偿技术也很难确保长周期光纤光栅的稳定性，从而使这项技术只能停留在实验室里，很难将其转化为工业产品。

发明内容

本发明设计了一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法，其解决的技术问题是光纤光栅压力传感器灵敏度不高以及光纤光栅的边缘解调系统成本高和技术复杂的问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试方法，包括以下步骤：

步骤1：基于悬臂梁调谐技术与弹簧管相结合的压力传感器原理实现波长的移动与压力的变化；

步骤2：利用边缘解调系统实现将波长的测量转换为光强的测量；

步骤3：将微弱的光信号转变为电信号并加以放大，通过电信号来显示光纤光栅压力的大小。由于作为反映压力信息的光信号的强度非常弱(几十-几百nw)，因此当利用光电探测器将光信号转变为电信号时电信号也非常微弱，这就需要对信号加以放大，我们称为微光放大。实现了微光放大，就可以通过电信号来显示压力的大小，这就完成了光纤压力测试仪的全部工作。

进一步，步骤1中光纤光栅中心反射波长的相对变化与待测压力的关系式为： $\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=k_1{k}_{2}p=\mathrm{kp}$

定义压力敏感系数k＝k₁k₂，由上式所知k为仅与悬臂粱结构和光纤光栅特性有关的常量，所以根据上式我们可以通过测量光纤光栅中心反射波长的移动(Δλ)来测得待测气体的压力(p)变化。

进一步，步骤2中的边缘解调技术采用双边缘解调系统，双边缘解调系统将采用温度性能稳定、线性关系好的波分复用器。

一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪，其特征在于：包括光纤光栅波登管压力传感器和边缘解调系统，所述光纤光栅波登管压力传感器为悬臂梁调谐技术与弹簧管相结合的压力传感器测量波长的移动与压力的变化，所述边缘解调系统将波长的测量转换为光强的测量。

一种光纤光栅波登管压力传感器，包括波登管与光纤光栅悬臂，光纤光栅粘接在悬臂梁固定端。

一种对光纤光栅压力波登管传感器的灵敏度测试装置，包括安装在压力较验台上的光纤光栅波登管压力传感器、3dB耦合器、宽带光源(BBS)、光谱仪(OSA)以及光纤光栅(FGB)，从宽带光源(BBS)发出的光经3dB耦合器进入光纤光栅(FGB)，由光纤光栅(FGB)反射后形成的窄带光谱光进入光谱仪(OSA)，光纤光栅(FGB)安置在波登管压力传感器内，并构成光纤光栅弹簧管压力传感器。

一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试方法中使用的边缘解调系统，包括宽带光源(BBS)、光纤光栅(FGB)、3dB耦合器、安装在压力较验台上的光纤光栅波登管压力传感器、PCOM光纤耦合器、两台光电探测器以及测试数据显示系统，从宽带光源(BBS)发出的光经3dB耦合器进入光纤光栅(FGB)，由光纤光栅(FGB)反射后形成的窄带光谱光进入PCOM光纤耦合器，两台光电探测器根据PCOM光纤耦合器输出的光功率PF和PR，并以PF-PR与PF+PR之比值作为输出信号，并且在测试数据显示系统中显示。

该基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法具有以下有益效果：

本发明提供一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪及测试方法，其可以保证测试现场无任何电信号的情况下完成压力测试，从而可以实现本安防爆，因此在石油、石化等对易燃、易爆有特殊要求的行业等具有非常重要价值。

附图说明

图1：本发明中光纤光栅波登管压力传感器结构示意图；

图2：本发明中边缘解调原理示意图；

图3：本发明中双边缘解调原理示意图；

图4：本发明中测量压强与中心波长位置原理框图；

图5：本发明中压强与波长移动之间关系曲线图；

图6：本发明中边缘解调技术的光纤压力传感器检测系统原理框图；

图7：本发明中双边缘解调系统中压力随波长调制函数变化关系图。

附图标记说明：

1-悬臂梁；2-波登管；FGB-光纤光栅；BBS-宽带光源；OSA-光谱仪；3-3dB耦合器；4-光电探测器；5-压力较验台；6-PCOM光纤耦合器。

具体实施方式

下面结合图1至图7，对本发明做进一步说明：

如图1所示，由光纤光栅悬臂粱调谐技术的原理可知，当光纤光栅粘接在悬臂梁固定端附近，当悬臂梁自由端在集中载荷作用下产生位移h时，光纤光栅中心波长的相对改变量为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=3{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\η}\frac{d}{l_2}h=k_{2}h$

为了提高传感器的压力灵敏度，本发明在研究中是将波登管与光纤光栅悬臂梁调谐技术相结合，研制了光纤光栅波登管压力传感器，提高了光纤光栅对压力测量的灵敏度。波登管是波登管压力计的主要感压元件，当从波登管的固定端开口导入气体或液体时波登管的曲率将随介质压力的改变而改变，同时密封的自由端产生位移，由理论分析可知，其自由端位移S与所测压力p的关系为：

s＝k₁p

由于选用的悬臂粱加工材料的弹性模量远小于波登管，悬臂粱对波登管自由端位移的影响可以忽略不计，即h＝s

因此光纤光栅中心反射波长的相对变化与待测压力的关系式为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=k_1{k}_{2}p=\mathrm{kp}$

定义压力敏感系数k＝k₁k₂由上式所知k为仅与悬臂粱结构和光纤光栅特性有关的常量。所以根据上式我们可以通过测量光纤光栅中心反射波长的移动(Δλ)来测得待测气体的压力(p)变化。

如图2所示，所谓边缘解调系统是利用线性滤波的光波透射率变化来测量光波长的一种装置。在线性滤波器的工作范围内，光纤光栅透射率与波长成近似的线性关系，且每一个波长对应一个透过率，也就是对应一个透射光强，因此检测透射光强便可以反推出波长信息。这就完成了对波长的检测，也就是说最终有关压力的测量就变成了对透射光强的测量。

如图3所示，本发明中将采用双边缘解调技术，双边缘解调系统与单边缘解调系统相比，在同样的波长测量动态范围的情况下可以使测试系统的灵敏度提高近一倍，作为本课题中的双边缘解调系统将采用温度性能稳定、线性关系好的波分复用器。

如图4所示，为了对所研制的光纤光栅压力传感器的灵敏度进行测试，当从宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG，由FBG反射后形成的窄带光谱光进入光谱仪。FBG安置在波登管压力传感器内，并构成光纤光栅波登管压力传感器，这个光纤光栅波登管压力传感器安装在一个微型压力校验台上(虚线部分)，这个压力校验台上同时还安装着一个标准压力表(0.25级)，压力校验台上的标准压力表与所研制的光纤光栅波登管压力测试系统的内部是连通的，因此可以根据实验需要得到加在光纤光栅压力传感器上的压力。当压力较验台上的标准压力表中的压力从0开始，每次增加0.2MPa，直至6MPa时，可同时从光谱仪上记录FBG中心波长的移动情况。表1给出了测量结果。

压强/MP	中心反射波长位置/nm	压强/MP	中心反射波长位置/nm
				0	1552.20	3.2	1551.05
0,2	1552.10	3.4	1551.00
				0.4	1552.00	3.6	1550.95
0.6	1551.90	3.8	1550.90
				0.8	1551.80	4.0	1550.80
1.0	1551.75	4.2	1550.75
				1.2	1551.70	4.4	1550.70
1.4	1551.65	4.6	1550.60

1.6	1551.60	4.8	1550.55
				1.8	1551.50	5.0	1550.50
2.0	1551.45	5.2	1550.45
				2.2	1551.40	5.4	1550.40
2.4	1551.30	5.6	1550.30
				2.6	1551.25	5.8	1550.25
2.8	1551.20	6.0	1550.20
				3.0	1551.15

表1：压强与中心波长位置的关系

根据上表1数据可得压强P与中心反射波长位置L之间关系。

如图5所示：压力响应曲线具有良好的线性度，假定方程为L＝aP+b，则：

线性回归方程为：L＝-0.32338P+1552.1

线性相关系数为：r＝-0.999395496

当被测压力为6MPa时光纤光栅中心波长的最大位移可达2.0nm，

光纤光栅波登管压力传感器的压力灵敏度为0.33nm/MPa。

如图6所示，边缘解调系统中压力与光功率的关系：边缘解调系统的边缘解调技术的研究是采用图4所示的实验装置。系统采用PCOM作为边缘解调的器件。PCOM(raman pump combiner)是拉曼泵浦合成器的英文缩写，它实为熔融拉式WDM的一种。PCOM与WDM一样拥有一个输入端和两个输出端，而两个输出端口的透射率曲线与波长相关，在以1550nm为中心的1545nm-1555nm范围内两端口的透射率分别随波长的不同而近似线性的增加和减少，且具有良好的对称性，因此它实际上是一个双边缘解调器件。当压力较验台上的标准压力表中的压力从0开始，每次增加0.5MPa，直至6MPa时，可同时记录由边缘解调的光纤压力传感器检测系统上两个光电探测器输出的光功率P_F和P_R，并以P_F-P_R与P_F+P_R之比值作为输出信号。实验数据见表2。

表2、基于PCOM光纤耦合器的分光测试数据

定义：m＝(P_F-P_R)/(P_F+P_R)，理论可以证明这是一个和波长成线性关系的量，即：m＝f(λ)，因此这里称m为波长调制函数。

如图7所示，以压力p为横坐标，以波长调制函数m＝(P_F-P_R)/(P_F+P_R)为纵坐标画出直线，分别求出线性回归方程为：

m＝-0.0462p+0.3815

线性拟合度为R²＝0.99977，

所研制的光纤光栅波登管压力传感器具有线性关系好，灵敏度高等特点，传感器的压力灵敏度达到0.33nm/MPa，；系统首次提出采用PCOM作为边缘解调的器件，实验中将输出信号的差与信号的和的比值即m＝(PF-PR)/(PF+PR)作为波长调制函数，并将上述波长调制函数作为输出信号，从而可以最大限度的有效减小光源波动和光纤链路对光信号强度的影响，该解调实验系统获得很高的线性相关性，系统线性拟合度为R²＝0.99977，该系统为全光纤型，结构更加紧凑。预示了低成本、结构简单，安全的全光纤压力仪表很快进入商业应用。

1、本发明提出采用光纤光栅波登管压力传感器与边缘解调技术相结合的方式实现光纤光栅压力测试仪的新方法；

2、提出以双边缘解调方式解决边缘解调系统测量精度与分辨率偏低的技术问题。测试表明在0-6MPa范围内，双边缘解调灵敏度是单边缘解调灵敏度的2-3倍。

3、所发明的光纤光栅波登管压力传感器具有线性关系好，灵敏度高等特点，传感器的压力灵敏度达到0.33nm/MPa。

4、本发明首次提出采用PCOM作为边缘解调的器件，实验中将输出信号的差与信号的和的比值即m＝(PF-PR)/(PF+PR)作为波长调制函数，并将上述波长调制函数作为输出信号，从而可以最大限度的有效减小光源波动和光纤链路对光信号强度的影响，该解调实验系统获得很高的线性相关性，系统线性拟合度为R²＝0.99977。

5、本发明提出实现压力测试仪中全光纤系统中光束耦合的关键技术的方法，系统为全光纤型，结构紧凑，可以保证在测试现场不存在任何电信号，因此系统具有很好的防爆性，该系统可被用于对防爆等级要求很高的石油、石化等测试现场的压力测量。

6、本发明提出克服光纤光栅的蠕变、实施微光放大等关键技术的方式方法

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试方法，包括以下步骤：

步骤1：基于悬臂梁调谐技术与弹簧管相结合的压力传感器原理实现波长的移动与压力的变化；

步骤2：利用边缘解调系统实现将波长的测量转换为光强的测量；

步骤3：将微弱的光信号转变为电信号并加以放大，通过电信号来显示光纤光栅压力的大小。

2.根据权利要求1所述基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试方法，其特征在于：步骤1中光纤光栅中心反射波长的相对变化与待测压力的关系式为： $\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=k_1{k}_{2}p=\mathrm{kp}$

定义压力敏感系数k＝k₁k₂，由上式所知k为仅与悬臂粱结构和光纤光栅特性有关的常量，所以根据上式我们可以通过测量光纤光栅中心反射波长的移动(Δλ)来测得待测气体的压力(p)变化。

3.根据权利要求1所述基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试方法，其特征在于：步骤2中的边缘解调技术采用双边缘解调系统，双边缘解调系统将采用温度性能稳定、线性关系好的波分复用器。

4.一种权利要求1测试方法中使用的基于边缘解调技术的光纤光栅压力测试仪，其特征在于：包括光纤光栅波登管压力传感器和边缘解调系统，所述光纤光栅波登管压力传感器为悬臂梁调谐技术与弹簧管相结合的压力传感器测量波长的移动与压力的变化，所述边缘解调系统将波长的测量转换为光强的测量。

5.一种权利要求1测试方法中使用的光纤光栅波登管压力传感器，其特征在于：包括波登管与光纤光栅悬臂，光纤光栅粘接在悬臂梁固定端。

6.一种对权利要求5光纤光栅压力波登管传感器的灵敏度测试装置，包括安装在压力较验台上的光纤光栅波登管压力传感器、3dB耦合器、宽带光源(BBS)、光谱仪(0SA)以及光纤光栅(FGB)，从宽带光源(BBS)发出的光经3dB耦合器进入光纤光栅(FGB)，由光纤光栅(FGB)反射后形成的窄带光谱光进入光谱仪(OSA)，光纤光栅(FGB)安置在波登管压力传感器内，并构成光纤光栅弹簧管压力传感器。

7.一种权利要求1或4测试方法中使用的边缘解调系统，其特征在于：包括宽带光源(BBS)、光纤光栅(FGB)、3dB耦合器、安装在压力较验台上的光纤光栅波登管压力传感器、PCOM光纤耦合器、两台光电探测器以及测试数据显示系统，从宽带光源(BBS)发出的光经3dB耦合器进入光纤光栅(FGB)，由光纤光栅(FGB)反射后形成的窄带光谱光进入PCOM光纤耦合器，两台光电探测器根据PCOM光纤耦合器输出的光功率P_F和P_R，并以P_F-P_R与P_F+P_R之比值作为输出信号，并且在测试数据显示系统中显示。

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