分布式光纖光柵傳感器波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)

1、分布式光纖光柵傳感器波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)、八 、一、前言近年來(lái)，光纖光柵在光纖通信以及光纖傳感領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。以光纖光柵技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖光柵傳感器正成為傳感器研究領(lǐng)域的又一大熱點(diǎn)。由于有波長(zhǎng)解碼、易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)、抗電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，光纖光柵傳感器（FBG已經(jīng)成為各種參量檢測(cè)的重要的傳感工具。FBG專感器的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)疑就是波長(zhǎng)漂移的檢測(cè)。到現(xiàn)在為止，出現(xiàn)了各種各樣的檢測(cè)方法，包括光譜儀檢測(cè)法、匹配光柵 法、可調(diào)諧Fabry-Perot法、非平衡Mach-Zehnder干涉儀跟蹤法、可調(diào)諧光源法等等。隨著光通信領(lǐng)域中OTDM DWD等技術(shù)的發(fā)展，能實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)檢測(cè)的分布式FBG波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，

2、并且，它將會(huì)在實(shí)踐中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。二、分布式光纖光柵傳感器反射波長(zhǎng)檢測(cè)方法用光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)，由于傳感量主要是以波長(zhǎng)的微小位移為載體，所以其中應(yīng)有精密的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)變化檢測(cè)裝置。 對(duì)光纖Bragg光柵的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，F(xiàn)BG的溫度和應(yīng)變靈敏度很小。在 Bragg波長(zhǎng)為1500nm時(shí)，典型的溫度和應(yīng)變靈敏度分別為0.011 nm/C和0.0012nm/me。因此， IB （FBG的反射光波中心波長(zhǎng)，亦稱為特征波長(zhǎng)）的檢測(cè)精度直接限制了 整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度， lB的檢測(cè)技術(shù)也就成為光纖光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。下面介紹幾種信號(hào)解調(diào)技術(shù)。1 、光譜儀檢測(cè)法對(duì)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)移位

3、最直接的檢測(cè)方法就是用光譜儀檢測(cè)輸出光的 lB，如圖1。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合實(shí)驗(yàn)室使用；缺點(diǎn)是以色散棱鏡或衍射光柵為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)光譜儀分辨率低，無(wú)法滿足要求。雖然高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足要求，但是這類光譜儀的 價(jià)格昂貴，體積龐大，由此構(gòu)成的系統(tǒng)缺乏必要的緊湊性和牢固度。更為重要的是它不能直接輸出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變化的電信號(hào)，這 對(duì)于測(cè)量結(jié)果的記錄、存儲(chǔ)和顯示，以及提供給控制回路必要的電信號(hào)以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制都是極為不利的。2、匹配光柵法這種方法就是用一個(gè)與傳感光纖 Bragg 光柵相匹配的接收光柵去跟蹤傳感光柵的波長(zhǎng)變化，進(jìn)行匹配濾波，由兩個(gè)光柵相 匹配時(shí)接收光柵的波長(zhǎng)去推

4、知傳感光柵的波長(zhǎng)。如圖2所示，每個(gè)接收FBG通過(guò)各自的伺服系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的傳感 FBG鎖定在一起，構(gòu)成傳感/接收FBG對(duì)。所有的接收FBG串接在一起。接收FBG的Bragg波長(zhǎng)仍然由PZT（壓電陶瓷）的驅(qū)動(dòng)電壓控制，并且給 每一個(gè) PZT 的驅(qū)動(dòng)電壓引入一個(gè)不同頻率的交流調(diào)制信號(hào)，這樣光電探測(cè)器的輸出就是一個(gè)包含不同頻率分量的交流信號(hào)。當(dāng) 某一個(gè)傳感光柵的波長(zhǎng)由于外界物理量的變化而發(fā)生改變時(shí)，則包含該頻率成分的交流信號(hào)的幅值就會(huì)下降，伺服系統(tǒng)就會(huì)改 變相應(yīng)PZT的驅(qū)動(dòng)電壓，使之重新達(dá)到匹配。圖2中只畫出了兩個(gè)傳感光柵，實(shí)際上能夠在一根光纖中復(fù)用的最大傳感器數(shù)目取決于被測(cè)物理量的最大范圍和光源光譜帶

5、寬。匹配光柵法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且最終檢測(cè)的反射光強(qiáng)無(wú)絕對(duì)要求，所以各類強(qiáng)度噪聲都不會(huì)對(duì)輸出結(jié)果有影響。這種方法的不足之處，一是要求兩個(gè)光柵嚴(yán)格匹配；二是受參考光柵應(yīng)變量的限制，傳感光柵的測(cè)量范圍不能很大；三是PZT的響應(yīng)速度有限，使這種方法只適用于測(cè)量靜態(tài)或低頻變化的物理量，對(duì)于聲振動(dòng)等頻率較高的物理量，則能力有限。3、應(yīng)用光柵陣列波導(dǎo)光柵的分布式 FBG的快速解調(diào)技術(shù)應(yīng)用AWG陣列波導(dǎo)光柵)的分布式光纖光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)的傳感系統(tǒng)如圖3所示。該解調(diào)系統(tǒng)由寬帶光源、光路耦合器、陣列波導(dǎo)光柵AWG多光電探測(cè)器/前置放大器、數(shù)據(jù)處理器/微計(jì)算機(jī)等部分組成。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器、單模光纖進(jìn)

6、 入到光纖Bragg光柵傳感陣列，光纖 Bragg光柵傳感陣列的反射波長(zhǎng)信號(hào)又經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入到陣列波導(dǎo)光柵AW屏，而AW舔身的特性能將入射光分成不同波長(zhǎng)的窄帶到多個(gè)通道中。這里將FBG的各個(gè)波長(zhǎng)之間分散一些，同時(shí)保證每一個(gè)FBG的中心波長(zhǎng)Ibi (1i wn)隨著被測(cè)量的變化范圍都在相鄰的AWG勺兩個(gè)通道的中心波長(zhǎng)之間，也就是說(shuō)Ibi在lam和lam+1之間，這樣就能夠避免解調(diào)時(shí)的相互干擾。同時(shí)每個(gè)窄帶光通道中出來(lái)的光信號(hào)也就對(duì)應(yīng)著一個(gè)光纖光柵傳感器FBG光電管PD的輸出則經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理器或者是高速微計(jì)算機(jī)中，我們通過(guò)計(jì)算機(jī)或處理器對(duì)前置放大器輸出信號(hào)的檢測(cè)就能確定 相應(yīng)光電管P

7、D電流的變化量。正常情況下，各個(gè)通道的中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)各個(gè)FBG的中心波長(zhǎng)，一旦現(xiàn)場(chǎng)的溫度或應(yīng)力發(fā)生變化，那么相應(yīng)FBG的反射中心波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生漂移，而這會(huì)使反射光在相應(yīng)通道中透過(guò)的光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化(減弱)。當(dāng)通道輸出的 光強(qiáng)減弱了，那么對(duì)應(yīng) PD的電流就會(huì)減小，而這個(gè)微弱的變化量通過(guò)放大處理進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理器就可以被檢測(cè)到了。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：精度高(0.5pm以上)；由于采用了陣列波導(dǎo) AW皺術(shù)，使得解調(diào)的速度大大提高。另外，這種方法可 以檢測(cè)大量的 FBG。4、使用雙波長(zhǎng)光纖 Bragg 光柵的時(shí)分復(fù)用傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，5個(gè)相同的雙波長(zhǎng)DWFBGS1S5串在一起，每相鄰的兩個(gè)分別由D1

8、D4隔開(kāi)來(lái)構(gòu)成時(shí)分復(fù)用傳感系統(tǒng)。Fabry-Perot激光管FP1、FP2用于產(chǎn)生雙波長(zhǎng)脈沖，F(xiàn)P1偏置在門限電壓，PSG開(kāi)關(guān)控制它的增益。FP2由直流驅(qū)動(dòng)，其 發(fā)出的激光經(jīng)耦合器耦合后到 FBG1和FBG2-FBG1和FBG2的 Bragg波長(zhǎng)調(diào)制成與傳感陣 FBA樣。由FBG1和FBG2反射回的光 經(jīng)耦合器2和極化控制器、隔離器1和耦合器1射入FP1,在光射入FP1過(guò)程中，雙波長(zhǎng)激光脈沖就產(chǎn)生了，于是激光脈沖通過(guò) 隔離器2和耦合器3到達(dá)傳感陣列。從傳感陣列FBG中反射回的脈沖通過(guò)與 PSG同步的光強(qiáng)調(diào)制器解復(fù)用，利用光譜分析儀OSA 就能檢測(cè)到解復(fù)用后的信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)解碼，而且

9、實(shí)現(xiàn)了分布式測(cè)量；缺點(diǎn)是精度還不夠高，實(shí)際中的操作相對(duì) 復(fù)雜。5、應(yīng)用波長(zhǎng)掃描光纖激光器解調(diào)方法波長(zhǎng)掃描光纖激光器 WSF在目前的應(yīng)用中能夠準(zhǔn)確的測(cè)量應(yīng)力，在其腔體內(nèi)有掃描可調(diào)諧濾波器，可及時(shí)連續(xù)反復(fù)地在幾 十個(gè)納米的范圍內(nèi)掃描激光波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。WSFL帶隔離器、耦合器和摻餌光纖(980nm泵浦)組成的單方向環(huán)路，作為內(nèi)腔掃描濾波器的 F-P可調(diào)諧濾波器帶寬0.27nm,自由光譜范圍是68nm (1512nm-1579nn)。通過(guò)三角波調(diào)制F-P濾波器 來(lái)產(chǎn)生1525nm到1565nm的掃描波，并且頻率是 130Hz,輸出的激光直接進(jìn)入傳感光柵陣列、參考光柵和F-P腔。這種方法的優(yōu)

10、點(diǎn)是提供了高功率信號(hào)、光源的范圍可調(diào)諧和窄瞬間譜線寬；缺點(diǎn)是使用了F-P 可調(diào)諧濾波器，激光器的輸出相比于線性調(diào)制信號(hào)在掃描范圍內(nèi)呈現(xiàn)出非線性。6、帶光柵標(biāo)尺的多個(gè)FBG專感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，4個(gè)傳感FBG(G1s-G4s)分布在一根單模光纖上，4個(gè)跟蹤FBG(G1t-G4t )組成的陣列作為濾波器 來(lái)跟蹤從傳感FBG反射回來(lái)的波長(zhǎng)。系統(tǒng)應(yīng)用一個(gè)光柵 標(biāo)尺來(lái)讀出系統(tǒng)的輸出。從寬帶光源發(fā)出的光(LED 53mw3dB 1498nm- 1559nn)發(fā)射到系統(tǒng)，通過(guò)耦合器到達(dá)傳感FBG陣列。傳感陣列FBG的Bragg波長(zhǎng)平均分布在1498nn1559nm之間，滿足其條件的波長(zhǎng)都被反射，經(jīng)過(guò)耦

11、合器到達(dá)跟蹤陣列。跟蹤FBG陣列由一個(gè)翻譯裝置調(diào)節(jié)，而翻譯裝置由PZT驅(qū)動(dòng)，PZT又由三角波電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的幅值是 300V,周期是8s (可以減至1s)o在一個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)，翻譯裝置將會(huì)擠壓光柵標(biāo)尺的檢測(cè)頭， 使光柵標(biāo)尺的輸出很精確地與翻譯裝置的擠壓量成正比。當(dāng)跟蹤光柵的波長(zhǎng)與相應(yīng)傳感光柵的Braggg 波長(zhǎng)匹配時(shí)，相應(yīng)的 PD 就會(huì)收到一個(gè)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是傳感光柵和跟蹤光柵反射波長(zhǎng)光的疊加。當(dāng)兩個(gè)波長(zhǎng)完全匹配時(shí)，這個(gè)信號(hào)就到達(dá)最大值。通過(guò)檢測(cè)最大值時(shí)FBG的波長(zhǎng)就可以測(cè)量傳感 FBG的波長(zhǎng)偏移量，于是就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)換算得到被測(cè)量的值。這種方法的優(yōu)點(diǎn) 是系統(tǒng)的精度高、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定

12、且容易調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是系統(tǒng)的速度不高、實(shí)時(shí)性不好。三、工程應(yīng)用分布式光纖光柵傳感器的應(yīng)用范圍非常廣，在橋梁、建筑、海洋石油平臺(tái)、油田及航空、大壩等工程中都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)安 全、溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)。1、橋梁、建筑及大壩中的應(yīng)用光纖光柵形變傳感器提供了一種用于公路及橋梁、建筑、堤壩的健康監(jiān)測(cè)的方法，而且可為監(jiān)測(cè)交通工具的速度、載重及 種類提供很重要的數(shù)據(jù)。這種傳感器的測(cè)量精度可以達(dá)到幾個(gè)微應(yīng)變級(jí)，具有很好的可靠性，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，采用分布式埋 入還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)橋梁或建筑物的健康狀況監(jiān)測(cè)，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。2、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，飛行安全是人們十分關(guān)注的一個(gè)方面。光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。將光纖光柵 埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中，組成分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 波音公司（ Boeing ）在這方面進(jìn)行了許多研究，并擁有許多專利技術(shù)。3、在海洋石油平臺(tái)及油田中的應(yīng)用海洋石油平臺(tái)是海上石油資源開(kāi)發(fā)的重要基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基礎(chǔ)。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分復(fù)雜、 惡劣，在環(huán)境的影響下，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗力衰減非常明顯，而傳統(tǒng)的電傳感器只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，而且易受海水侵蝕而失效。 相比之下，光纖光柵傳感器對(duì)電磁場(chǎng)及電流免疫