光纖光柵傳感系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

http://www.szzj128.cn 2015年09月19日

【iEicn.com編者按】介紹了光纖光柵傳感系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了光纖光柵傳感系統(tǒng)所用的3種不同的光源LED，LD和摻鉺光源的性能，闡述了光纖光柵傳感器的工作原理和各種不同的溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量方法，描述了濾波法、干涉法、可調(diào)窄帶光源法等幾種常用的信號解調(diào)技術(shù)，最后，提出適應(yīng)未來的需要如何對光纖光柵傳感系統(tǒng)的光源、光纖光柵傳感器和信號解調(diào)進行優(yōu)化。

    自1978年，加拿大的Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光敏現(xiàn)象并采用駐波法制造出世界上第一根光纖光柵和1989年美國的Melt等人實現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)以來，光纖光柵的制造技術(shù)不斷完善，人們對光纖光柵在光傳感方面的研究變得更為廣泛和深入。光纖光柵傳感器具有一般傳感器抗電磁干擾、靈敏度高、尺寸小、重量輕、成本低，適于在高溫、腐蝕性等環(huán)境中使用的優(yōu)點外，還具有本征自相干能力強和在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多點復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測量的獨特優(yōu)勢。故光纖光柵傳感器已成為當(dāng)前傳感器的研究熱點。由光源、光纖光柵傳感器和信號解調(diào)系統(tǒng)為主構(gòu)成的光纖光柵系統(tǒng)如何能夠在降低成本、提高測量精度、滿足實時測量等方面的前提下，使各部分達(dá)到最優(yōu)匹配，滿足光纖光柵傳感系統(tǒng)在現(xiàn)代化各個領(lǐng)域?qū)嵱没男枰彩茄芯咳藛T重點考慮的問題。

    本文對光纖光柵傳感系統(tǒng)進行了介紹，對光纖光柵系統(tǒng)的寬帶光源進行了說明，重點分析了光纖光柵傳感器的傳感原理及如何區(qū)分測量技術(shù)，對信號常用的信號解調(diào)方法進行了總結(jié)，最后，提出為適應(yīng)未來的需要對系統(tǒng)各部分的優(yōu)化措施。

    1 光纖光柵傳感系統(tǒng)

    光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調(diào)等組成。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應(yīng)外界被測量的信息，外界被測量的信息通過信號解調(diào)系統(tǒng)實時地反映出來。

    1．1 光源

    光源性能的好壞決定著整個系統(tǒng)所送光信號的好壞。在光纖光柵傳感中，由于傳感量是對波長編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強的輸出功率與穩(wěn)定性，以滿足分布式傳感系統(tǒng)中多點多參量測量的需要。光纖光柵傳感系統(tǒng)常用的光源的有LED，LD和摻雜不同濃度、不同種類的稀土離子的光源。LED光源有較寬的帶寬，可達(dá)到幾十個納米，有較高的可靠性，但光源的輸出功率較低，且很難與單模光纖耦合。LD光源具有單色性好、相干性強、功率高的特點。但LD光譜的穩(wěn)定性差（4×10-4／℃）。因此，這2種光源自身的缺點制約了它們在光傳感中的應(yīng)用。摻雜不同種類、不同濃度的稀土離子的光源研究最廣泛的是摻鉺光源。現(xiàn)在C波段摻鉺光源已經(jīng)研制成功并使用，隨著光通信中對通信容量和速度的要求及分布式光纖傳感密集布點對光源帶寬要求，L波段的研究越來越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的帶寬和功率。摻鉺光源在溫度穩(wěn)定性方面比半導(dǎo)體光源提高2個數(shù)量級，同時，能提供較高的功率、寬的帶寬和較長的使用壽命，因此，可以擴大光纖光柵傳感器的測量范圍，提高檢測的信噪比。

    1．2 光纖光柵傳感器

    光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時敏感，即溫度與應(yīng)變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術(shù)來測定應(yīng)力和溫度變化來實現(xiàn)對溫度和應(yīng)力區(qū)分測量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測量技術(shù)大體可分為兩類，即，多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。

    多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵／F-P腔集成復(fù)用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優(yōu)缺點。FBG／LPG法解調(diào)簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強度低，信號解調(diào)困難。光纖光柵／F-P腔集成復(fù)用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長調(diào)節(jié)困難，信號解調(diào)復(fù)雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號解調(diào)也比較復(fù)雜。

    單光纖光柵測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預(yù)制應(yīng)變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機物對溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對溫度或應(yīng)力靈敏度，克服交叉敏感效應(yīng)。這種方法的制作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應(yīng)靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實現(xiàn)區(qū)分測量。這種方法解調(diào)簡單，且解調(diào)為波長編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量范圍偏小等問題。預(yù)制應(yīng)變法是首先給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應(yīng)力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復(fù)，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復(fù)，從而導(dǎo)致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個光纖光柵有2個反射峰，一個反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對應(yīng)變和溫度都敏感；另一個反射峰（未粘貼部分）只對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應(yīng)變。

    1．3 信號解調(diào)

    在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，信號解調(diào)一部分為光信號處理，完成光信號波長信息到電參量的轉(zhuǎn)換；另一部分為電信號處理，完成對電參量的運算處理，提取外界信息，并以人們熟悉的方式顯示出來。其中，光信號處理，即傳感器的中心反射波長的跟蹤分析是解調(diào)的關(guān)鍵。光纖光柵傳感器中心反射波長最直接的檢測儀器是光譜儀。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。缺點是精度底、價格高、體積大，而且，不能直接輸出對應(yīng)于波長變化的電信號。因此，不能滿足實用化自動控制的需要。為此，人們研究并提出了多種解調(diào)方法，以實現(xiàn)信號的快速、精確提取。可分為濾波法、干涉法、可調(diào)窄帶光源法和色散法等。

    濾波法包括體濾波法、匹配光柵濾波法、可調(diào)諧F-P濾波法。體濾波法的元件是波分復(fù)用器。工作原理是從耦合器出射的光分成等強度的兩束，一束經(jīng)與波長有關(guān)的濾波器濾波；另一束作為參考光束，兩束出射光經(jīng)過光電探測器變成電信號，經(jīng)過處理消除光功率變化的影響，最后，得到與光纖光柵中心波長有關(guān)的輸出值。該方法可以實現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)參量的測量。分辨力為375x10-6，動態(tài)應(yīng)變測量響應(yīng)速度不超過100Hz匹配光柵濾波法是利用其他的FBG或帶通濾波光器件，在驅(qū)動元件的作用下跟蹤FBG的波長變化，然后，通過測量驅(qū)動元件的驅(qū)動信號來獲得被測應(yīng)力或溫度。該方法結(jié)構(gòu)簡單、線性度好，分辨力可達(dá)0.4×10-6。該方法可以實現(xiàn)靜態(tài)測量。但這種方法的不足之處是2個光柵要嚴(yán)格匹配，且傳感光柵的測量范圍不大。可調(diào)諧F-P濾波器法是傳感陣列FBG的反射信號進入可調(diào)光纖F-P濾波器（FFP），調(diào)節(jié)FFP的透射波長至FBG的反射峰值波長時，濾波后的透射光強達(dá)到最大值，由FFP驅(qū)動電壓—透射波長關(guān)系可得FBG的反射峰值波長。掃描加上擾動信號構(gòu)成波長鎖定閉環(huán)，其應(yīng)力分辨力可達(dá)0.3×10-6。該解調(diào)法可實現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)的測量。由于FFP濾波器腔的調(diào)諧范圍很寬，可以實現(xiàn)多傳感器的解調(diào)。但高精度FFP成本較高。

    濾波解調(diào)法結(jié)構(gòu)簡單，但很難進一步提高其傳感精度。干涉法卻具有更高精度，可以大大提高傳感分辨力。可調(diào)窄帶光源解調(diào)法可獲得很高的信噪比和分辨力，實驗所得最小波長分辨力約為2.3pm，對應(yīng)溫度分辨力約為0.2℃，但由于目前的光纖激光器的穩(wěn)定性及可調(diào)諧范圍不太理想，在一定程度上限制了光纖光柵傳感器的個數(shù)和使用范圍。

    2 光纖光柵傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

    為了適應(yīng)未來光纖光柵傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、大范圍、準(zhǔn)分布式測量。許多研究者正在光纖光柵傳感系統(tǒng)的各方面進行不斷的研究，使系統(tǒng)得到優(yōu)化。光纖光柵傳感系統(tǒng)的優(yōu)化主要從三方面考慮，即，光源、光纖光柵傳感器及信號解調(diào)。對于傳感系統(tǒng)的優(yōu)化，主要是根據(jù)傳感器的數(shù)目、傳感器的靈敏度和解調(diào)系統(tǒng)的分辨力，根據(jù)實際的測量需要，配置不同的光源、傳感器和解調(diào)系統(tǒng)，使得成本低、測量誤差小、測量精度高。針對未來光纖光柵傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的要求，應(yīng)使用穩(wěn)定性好、寬帶、高輸出功率的光源。摻鉺、摻釹、摻鐿等離子的光源是今后發(fā)展的重點。光纖光柵傳感器既能實現(xiàn)單參量的測量，又能實現(xiàn)多參量的測量。當(dāng)單參量測量時，應(yīng)提高傳感器的靈敏度和測試精度。在實際應(yīng)用中，要注意傳感器的靈敏度和量程之間的折中。靈敏度高了，量程自然小了。這是因為光纖光柵的應(yīng)變有一個極限值，超過這個極限值光柵就會被破壞。為實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量，傳感器復(fù)用數(shù)目較多，在布置傳感器時，有時一個點要布置靈敏度不同的多個傳感器，以實現(xiàn)溫度和壓力的大范圍測量。由于傳感量主要是微小波長偏移為載體，所以，一個實用的信號解調(diào)方案必須具有極高的波長分辨力。其次，要解決動態(tài)與靜態(tài)信號的檢測問題，尤其是二者的結(jié)合性檢測已成為光柵傳感實用解調(diào)技術(shù)中的難點。光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用最大的優(yōu)勢在于很好地進行傳感器的復(fù)用實現(xiàn)分布式傳感，如，美國的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可調(diào)激光掃描方法，利用時分技術(shù)，可以同時對四路光纖多達(dá)256個Bragg光柵進行查詢。因此，未來的光纖光柵傳感系統(tǒng)將能滿足單點高精度的實時測量，又能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的準(zhǔn)分布式的多點、多參量的測試要求，在未來的傳感領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

    3 結(jié)束語

    隨著對光纖光柵傳感系統(tǒng)的深入研究，其研究的重點：一是對傳感器能同時感測應(yīng)變和溫度變化的研究；二是對信號解調(diào)系統(tǒng)的研究；三是對光纖光柵傳感器的封裝技術(shù)、溫度補償技術(shù)、光源穩(wěn)定性、傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化等實際應(yīng)用研究。特別是隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，光纖光柵傳感系統(tǒng)可以應(yīng)用成熟的波分復(fù)用、時分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)，以實現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感，復(fù)用數(shù)目多、測量精度高、靈敏度高的光纖光柵系統(tǒng)網(wǎng)將會在生產(chǎn)領(lǐng)域中有更廣泛的應(yīng)用。

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