能量调变型光纤光栅感应器

摘要

本发明系一种能量调变型光纤光栅感应器，尤指一种同时使用布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)窄频反射配合长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating)之感测，俾达到高解析度高反应速率之物理量之量测。其特征系将由雷射二极体(Laser Diode)、掺铒光纤放大器及布拉格光纤光栅所组成之窄频雷射光源，同时配合对温度、施力等物理量敏感之长周期光纤光栅，由于温度、拉伸、扭转或弯曲施力等物理量会造成长周期光纤光栅之衰减波长发生相应的漂移，使光波穿透频谱改变，而反映出对窄频FBG雷射光源能量滤波之调变效果，使不同的温度下所穿透之光能量不同，并藉由光波能量量测组件例如光电二极体(Photodiode)将光能量讯号转换为电压讯号，以达到高解析度高反应速率之温度、施力等物理量量测数据撷取与处理。另一方面，假如长周期光纤光栅之衰减波长保持不变，而布拉格光纤光栅则用作感受温度或施力等物理量之感测元件，则随感测到的物理量的改变，其反射波长发生相应的漂移，再经过长周期光纤光栅的衰减，同样可使光波穿透能量达到调变，从而可供推算温度或施力等物理量。

主权项

1.一种能量调变型光纤光栅感应器,其组成元件包 括: 一长周期光纤光栅,该长周期光纤光栅系做作为力 量、温度等物理量之感测器; 一宽频光源; 一布拉格光纤光栅,该布拉格光纤光栅系用来形成 特定波长窄频反射; 一耦合器,可将该宽频光源导入该布拉格光纤光栅 ;以及 一光波能量量测组件,该光波能量量测组件系用来 量测从该布拉格光纤光栅反射并经过该长周期光 纤光栅之光波能量。2.如申请专利范围第1项之能 量调变型光纤光栅感应器,其中该长周期光纤光栅 可为外力式长周期光纤光栅。3.如申请专利范围 第1项之能量调变型光纤光栅感应器,其中该光波 能量量测组件为光电二极体,其能将经调变后之穿 透光能量转换成反应物理量变化之电压讯号。4. 如申请专利范围第1项之能量调变型光纤光栅感应 器,更包括一换能机构(Transducer mechanism),该换能机 构系用来将所欲量测之物理量转换为变形量或温 度,并施加在该长周期光纤光栅。5.如申请专利范 围第1项之能量调变型光纤光栅感应器,更包括一 波长多工器,用以将该雷射二极体所产生之激光波 导入掺铒光纤,使其产生自发性放射萤光(ASE: Amplified Spontaneous Emission)之宽频光源。6.如申请专 利范围第1项之能量调变型光纤光栅感应器,更包 括一掺铒光纤放大器(EDFA)。7.如申请专利范围第1 项之能量调变型光纤光栅感应器,其中该特定波长 窄频反射可由激光效应(lasing)产生,雷射二极体发 出一波长为980nm的雷射光,经由该波长多工器,射入 掺铒光纤中,以产生自发性放射萤光(ASE)宽频光,再 经过该布拉格光栅反射特定窄频光,该反射窄频光 亦经由该耦合器再打到掺锌光纤与反射镜形成共 振腔,进而引发激光效应。8.如申请专利范围第1项 之能量调变型光纤光栅感应器,其中未经该长周期 光纤光栅调变之光能量利用该耦合器分出部份窄 频光源能量,对经过该长周期光纤光栅调变后之能 量进行比例计算之正常化处理(normaization),使量测 结果不受雷射光源亮度变化影响。9.一种能量调 变型光纤光栅感应器,其组成元件包括: 一布拉格光纤光栅,该布拉格光纤光栅系做作为力 量、温度等物理量之感测器,并用以形成反映所欲 量测之该物理量之特定波长窄频反射; 一宽频光源; 一长周期光纤光栅,该长周期光纤光栅系用来调变 该布拉格光纤光栅形成之特定波长窄频反射; 一耦合器,可将该宽频光源导入该布拉格光纤光栅 ;以及 一光波能量量测组件,该光波能量量测组件系用来 量测从该长周期光纤光栅反射并经过该布拉格光 纤光栅之光波能量。10.如申请专利范围第9项之能 量调变型光纤光栅感应器,其中该长周期光纤光栅 可为外力式长周期光纤光栅。11.如申请专利范围 第9项之能量调变型光纤光栅感应器,其中该光波 能量量测组件为光电二极体,其能将经调变后之穿 透光能量转换成反应物理量变化之电压讯号。12. 如申请专利范围第9项之能量调变型光纤光栅感应 器,更包括一换能机构(Transducer mechanism),该换能机 构系用来将所欲量测之物理量转换为变形量或温 度,并施加在该布拉格光纤光栅上。13.如申请专利 范围第9项之能量调变型光纤光栅感应器,更包括 一波长多工器,用以将该雷射二极体所产生之激光 波导入掺铒光纤,使其产生自发性放射萤光(ASE: Amplified Spontaneous Emission)之宽频光源。14.如申请专 利范围第9项之能量调变型光纤光栅感应器,更包 括一掺铒光纤放大器(EDFA)。15.如申请专利范围第9 项之能量调变型光纤光栅感应器,其中该特定波长 窄频雷射光源之雷射二极体发出一波长为980nm的 雷射光,经由该波长多工器,射入掺铒光纤中,以产 生自发性放射萤光(ASE)宽频光,再经过该布拉格光 栅反射特定窄频光,该反射窄频光经由该耦合器再 打到掺铒光纤与反射镜形成共振腔,进而引发激光 效应(lasing)。16.如申请专利范围第9项之能量调变 型光纤光栅感应器,其中未经该长周期光纤光栅调 变之光能量利用该耦合器分出部份窄频光源能量, 对经过该长周期光纤光栅调变后之能量进行比例 计算之正常化处理(normalization),使量测结果不受雷 射光源亮度变化影响。17.一种能量调变型光纤光 栅感应器,其组成元件包括: 一长周期光纤光栅,该长周期光纤光栅系做作为力 量、温度等物理量之感测器; 一定波长窄频光源;以及 一光波能量量测组件,该光波能量量测组件系用来 量测从该定波长窄频光源反射并经过该长周期光 纤光栅之光波能量。18.如申请专利范围第17项之 能量调变型光纤光栅感应器,其中该长周期光纤光 栅可为外力式长周期光纤光栅。19.如申请专利范 围第17项之能量调变型光纤光栅感应器,其中该光 波能量量测组件为光电二极体,其能将经调变后之 穿透光能量转换成反应物理量变化之电压讯号。 20.如申请专利范围第17项之能量调变型光纤光栅 感应器,更包括一定波长窄频雷射光源之雷射二极 体。21.如申请专利范围第17项之能量调变型光纤 光栅感应器,更包括一定波长窄频雷射光源,可由 激光效应(lasing)产生,雷射二极体发出一波长为980 nm的雷射光,经由该波长多工器,射入掺铒光纤中, 以产生自发性放射萤光(ASE)宽频光,再经过该布拉 格光栅反射特定窄频光,该反射窄频光经由该耦合 器再打到掺铒光纤与反射镜形成共振腔,进而引发 激光效应(lasing),产生所需之定波长窄频雷射光源 。22.如申请专利范围第17项之能量调变型光纤光 栅感应器,更包括一布拉格光纤光栅,该布拉格光 纤光栅系用来形成特定波长窄频反射,该反射窄频 光亦经由该耦合器再打到掺铒光纤与反射镜形成 共振腔,进而引发激光效应(lasing),产生所需之定波 长窄频雷射光源。23.如申请专利范围第17项之能 量调变型光纤光栅感应器,更包括一换能机构( Transducer mechanism),该换能机构系用来将所欲量测之 物理量转换为变形量或温度,并施加在该长周期光 纤光栅上。24.如申请专利范围第17项之能量调变 型光纤光栅感应器,其中未经该长周期光纤光栅调 变之光能量利用该耦合器分出部份窄频光源能量, 对经过该长周期光纤光栅调变后之能量进行比例 计算之正常化处理(normalization),使量测结果不受雷 射光源亮度变化影响。图式简单说明: 图一为利用长周期光纤光栅滤波效应配合短周期 布拉格光纤光栅之窄频反射效应形成能量调变机 制示意图。 图二为本发明之能量调变型光纤光栅感应器一实 施例之示意图。 图三为本发明之能量调变型光纤光栅感应器并外 加一个换能机构(Transducer mechanism)施加在长周期光 纤光栅一实施例之示意图。 图四为长周期光纤光栅温度受温度扰动导致频谱 漂移图。 图五为长周期光纤光栅温度受温度扰动光电二极 体接收能量图。 图六为本发明之能量调变型光纤光栅感应器又一 实施例,利用两个光电二极体及除法器将光能量正 常化,可使量测结果不受雷射光源亮度变化影响。 图七为本发明之能量调变型光纤光栅感应器又一 实施例,利用两个光电二极体及除法器将光能量正 常化,可使量测结果不受雷射光源亮度变化影响, 并外加一个换能机构(Transducer mechanism)施加在布拉 格光纤光栅。 图八为本发明之能量调变型光纤光栅感应器又一 实施例之示意图,本例利用光纤光栅作为温度感测 器。 图九为本发明能之量调变型光纤光栅感应器又一 实施例之示意图,本例利用一个换能机构(Transducer mechanism)施加在布拉格光纤光栅作为温度感测器。 图十为本发明之能量调变型光纤光栅感应器又一 实施例之示意图,本例利用一个压电致动器负反馈 控制机制,调控制布拉格光纤光栅,以追踪锁定长 周期光纤光栅之特征衰减波长。 图十一为本发明之能量调变型光纤光栅感应器又 一实施例之示意图,本例利用换能机构(Transducer mechanism)将所欲量测之物理量转换为变形量或温度 ,并施加在长周期光栅上,并用压电致动器负反馈 控制机制,调控制布拉格光纤光栅,以追踪锁定长 周期光纤光栅之特征衰减波长。