基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光纤光栅压力传感器，具体来说涉及一种基于阵列式波分复用器 技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器。
【背景技术】
[0002] 压力仪表在工业生产中具有重要作用和地位。在研宄各类压力测量仪表中光纤光 栅压力传感器的研制与开发对于石油、石化等对安全防爆等级要求高的行业具有特殊的作 用和价值。多年来围绕光纤光栅压力传感器的研制与开发中一项核心技术就是选择与这种 传感器相适应的解调方式。围绕解调方式，国内外专家先后提出了可调法布里-珀罗滤波 器法、非平衡马赫-曾德尔干涉仪解调法、压电陶瓷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。近年来重庆大学饶云江、中科院半导体所田珂珂、浙江大 学乔文、哈尔滨理工大学张剑、承德石油高等专科学校的杨洋等先后提出利用波分复用器 作为解调器，并进行了初步尝试。由于这种解调方式具有操作简单和价格低廉等优点，因此 一经提出就广受关注。但波分复用器解调从本质上是一种利用边缘效应的强度解调，这种 强度解调受外界环境及光源等测试系统影响较大，相对于前面提到的波长解调方式，测量 精度较低，很难实现产品的工业化生产。基于波长解调测量精度高，但成本高、结构复杂，而 边缘解调结构简单、价格便宜，但测量精度低的矛盾，长期以来在实现波长解调同时实现低 成本的解调方式成为对于科技工作者来说是一件具有挑战性的研宄内容。本发明提出用 波长解调算法与阵密集波分复用器相结合的方式很好的解决了这一问题，并获得了令人满 意的实验结果。这一新型测试系统可望构成一种新型的有市场应用前景的新型光纤光栅类 压力测量仪表。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于利用悬臂梁调谐技术与波登管相结合的基于阵列式波分复用 器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，使用波长解调算法与50GHz密集波分复用器 结合的技术来确定窄带反射光谱在信道中的准确位置，从而实现了波长的精确解调。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] 基于阵列式波分复用器技术实现波长解调的光纤光栅压力传感器，所述的光纤光 栅压力传感器是采用基于悬臂梁调谐技术与波登管相结合的压力传感器；
[0006] 所述悬臂梁调谐技术的原理为：波登管是波登管压力计的主要感压元件。波登管 分为固定端和自由端两部分，从波登管的固定端开口导入气体或液体介质，波登管的曲率 将随导入气体或液体介质的压力改变而改变，同时波登管密封的自由端产生位移，悬臂梁 的一端固定在波登管的支撑体上，为固定端，另一端为自由端，光纤光栅粘接在悬臂梁的固 定端附近，波登管的自由端压迫悬臂梁的自由端，被安装在悬臂梁上的光纤光栅反射波长 产生波长的移动，从而实现悬臂梁调谐。
[0007] 由所述悬臂粱调谐技术的原理可知，光纤光栅粘接在悬臂梁的固定端附近，波登 管的自由端在集中载荷作用下产生位移，光纤光栅中心波长的相对改变量为：
[0009] 式中，aA为光纤光栅中心波长的移动值，A为光纤光栅中心波长，p为波登管内 部的压力，k为压力敏感系数，k是一个仅与悬臂梁结构及光纤光栅特性有关的常量；
[0010] 根据公式（I)可知：通过测量光纤光栅中心波长的移动值aA，能够测量出导入 气体或液体介质的压力变化P;
[0011] 边缘解调系统是利用线性滤波的光波透射率变化来鉴别光波长的有效工具，这一 解调系统就是前面提到的用于确定波长位置的机构，它是获得公式（I)中△A的重要载 体。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。图2为基于边缘解调的原理示意图。
[0012] 从密集波分复用器得到的光强I(x)是光栅反射谱与用作边缘解调的线性滤波 器传输谱的卷积：
[0014] 式中，1(A)为光纤光栅压力传感器反射回来的光强，H(x'）为归一化光谱透射 率分布函数，P(A)为布拉格光纤光栅的反射光功率密度函数，A为光纤光栅反射光谱的 中心波长，X'为光纤光栅反射光谱内任意波长，取值范围为正、负无穷。
[0015] 根据公式（II)可知：通过测量光纤光栅压力传感器反射回来的光强1(A)，能够 反推出光纤光栅中心波长的移动值△A，从而实现边缘解调。
[0016] 传统的利用WDM实现解调的方法都是利用其边缘解调（强度）的原理，而本发明 则是利用密集波分复用器（DWDM)实现波长解调，其具体过程如下：从宽带光源（BBS)发出 的光经耦合器进入传感光纤光栅（FBG)，由FBG反射后形成窄带光谱光进入DWDM，这里的 DWDM起到的是线性滤波器的作用。当压力改变时，经过FBG反射的窄带光谱的中心波长会 产生移动，当窄带光谱的中心波长移动到DWDM某一个信道端口时，在这个信道端口得到最 大的光功率输出，因此DWDM对光纤光栅反射的窄带光谱的中心波长具有波长选择性探测 器的作用。
[0017] 利用这一原理可以得到与信道端口波长值相一致的窄带光谱的中心波长值，而这 个波长值是与压力的大小直接相关联的。由于这种方法中确定压力的大小是由DWDM中信 道端口的位置（即波长）所确定的，而不是由光强的大小所确定的，因此这一过程所实现的 是波长解调而不是强度（边缘）解调。
[0018] 然而，本发明需要解决的技术难题是当反射的窄带光谱的中心波长移动至两个信 道端口当中时如何确定它的准确的位置（波长值），因为如果知道准确的位置就可以实现 精确的波长解调。
[0019] 本发明在实践中注意到由于反射的窄带光谱本身有一定的宽度（0.3~0.4nm)， 如图4所示是由FBG反射后形成窄带光谱在光纤光谱仪上的图像，其中横坐标的单位为 0?5nm/D〇
[0020] 由于窄带光谱本身有一定的宽度，当它对应密集波分复用器时，由于两个相邻信 道的波长间隔很小（〇. 4nm)，因此当某一信道出现主最大的强度时，作为其相邻信道端口也 会有一定的信号强度输出，也就是在相邻信道端口会出现次最大和再次最大等，而那些远 离的信道端口的强度则迅速衰减。这就是说在出现最大的强度信道相临的信道上也会出 现一定强度分布，据此我们可以得到这些有效信号强度的包络。而伴随着窄带光谱产生波 长的移动，这种强度分布就会随着发生改变，并显现出一定规律性，我们把这一现象称为谱 效应。这种谱效应可以用图5来体现。
[0021] 我们提出利用这种谱效应，并通过波长解调算法与DWDM的结合技术来确定出窄 带光谱在信道中的准确位置，从而可以实现波长解调的精确测量的目的。
[0022] 利用谱效应，并通过波长解调算法与DWDM结合的技术来确定出窄带光谱在信道 中的准确位置，从而实现波长解调精确测量的目的。
[0023] 所述波长解调算法是由matlab数学软件编写而成。算法的目的是通过利用已有 的实验数据来预测给定功率数组所对应的压力值，整个算法的过程包括以下几个部分：
[0024] 第一部分是算法的初始化：主要是对算法所需要的数据进行初始化，需要初始化 的数据包括：已有的实验数据、实验所用的压力段、所需预测精度及输入的功率数组；
[0025] 第二部分是确定输入的功率数组所处的压力段和压力区间：首先以第一部分中 经过初始化的数据为依据，并用同一信道端口处出现的横向比较最大值来确定不同的压力 段，在此基础上在同一压力段内找到功率的最大值，并以该最大值为依据，将同一压力段分 为纵向比较的三个区间，其中最大值及其两侧的压力段为一个区间，而这一区间的上下两 个部分为另外两个区间，待区间确定后，将输入的功率数组分别带入到以上三个区间中，来 确定输入的功率数组最终所对应的压力段，然后依据该压力段来预测给定功率数组所对 应的压力值；上述第二部分的判断过程在数学上是一个遍历nXm矩阵的求解过程；
[0026] 第三部分是预测输入的功率数组所对应的压力值部分：首先，在第二部分中所确 定的压力段中做分段三次样条内插，从而求出本压力段内以所需精度为间隔的所有压力所 对应的功率数组，然后分别求出这些数组与输入的功率数组之间的距离，数组之间的距离 用向量的模来衡量，其中与之距离最小的功率数组所对应的压力，即为所预测的压力值。
[0027] 所述光纤光栅安置在弹簧管压力传感器内，构成光纤光栅弹簧管压力传感器，安 装在一个微型压力校验台上，所述微型压力校验台上同时还安装着一个0.25级的标准压 力表；所述微型压力校验台上的标准压力表与光纤光栅弹簧管压力传感器测试系统的内部 是连通的，能够根据实验需要得到加在光纤光栅压力传感器上的压力。