光纖光柵傳感系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

http://www.zjgsdgs.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(cè)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(hào)解調(diào)技術(shù)，最后，提出適應(yīng)未來(lái)的需要如何對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)的光源、光纖光柵傳感器和信號(hào)解調(diào)進(jìn)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(guó)的Melt等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)以來(lái)，光纖光柵的制造技術(shù)不斷完善，人們對(duì)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(diǎn)外，還具有本征自相干能力強(qiáng)和在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。故光纖光柵傳感器已成為當(dāng)前傳感器的研究熱點(diǎn)。由光源、光纖光柵傳感器和信號(hào)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(cè)量精度、滿足實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)領(lǐng)域?qū)嵱没男枰彩茄芯咳藛T重點(diǎn)考慮的問題。

    本文對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對(duì)光纖光柵系統(tǒng)的寬帶光源進(jìn)行了說(shuō)明，重點(diǎn)分析了光纖光柵傳感器的傳感原理及如何區(qū)分測(cè)量技術(shù)，對(duì)信號(hào)常用的信號(hào)解調(diào)方法進(jìn)行了總結(jié)，最后，提出為適應(yīng)未來(lái)的需要對(duì)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(hào)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(cè)量的信息，外界被測(cè)量的信息通過(guò)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映出來(lái)。

    1．1 光源

    光源性能的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)所送光信號(hào)的好壞。在光纖光柵傳感中，由于傳感量是對(duì)波長(zhǎng)編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性，以滿足分布式傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測(cè)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(gè)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(qiáng)、功率高的特點(diǎn)。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(diǎn)制約了它們?cè)诠鈧鞲兄械膽?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(duì)通信容量和速度的要求及分布式光纖傳感密集布點(diǎn)對(duì)光源帶寬要求，L波段的研究越來(lái)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(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，能提供較高的功率、寬的帶寬和較長(zhǎng)的使用壽命，因此，可以擴(kuò)大光纖光柵傳感器的測(cè)量范圍，提高檢測(cè)的信噪比。

    1．2 光纖光柵傳感器

    光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)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(guò)確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測(cè)量技術(shù)大體可分為兩類，即，多光纖光柵測(cè)量和單光纖光柵測(cè)量。

    多光纖光柵測(cè)量主要包括混合FBG/長(zhǎng)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(diǎn)。FBG／LPG法解調(diào)簡(jiǎn)單，但很難保證測(cè)量的是同一點(diǎn)，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測(cè)量位置，提高了測(cè)量精度，但光柵強(qiáng)度低，信號(hào)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(cè)量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)困難，信號(hào)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(hào)解調(diào)也比較復(fù)雜。

    單光纖光柵測(cè)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(jī)物對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對(duì)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)區(qū)分測(cè)量。這種方法解調(diào)簡(jiǎn)單，且解調(diào)為波長(zhǎng)編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)改變，因此，這個(gè)光纖光柵有2個(gè)反射峰，一個(gè)反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感；另一個(gè)反射峰（未粘貼部分）只對(duì)溫度敏感，通過(guò)測(cè)量這2個(gè)反射峰的波長(zhǎng)漂移可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。

    1．3 信號(hào)解調(diào)

    在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，信號(hào)解調(diào)一部分為光信號(hào)處理，完成光信號(hào)波長(zhǎng)信息到電參量的轉(zhuǎn)換；另一部分為電信號(hào)處理，完成對(duì)電參量的運(yùn)算處理，提取外界信息，并以人們熟悉的方式顯示出來(lái)。其中，光信號(hào)處理，即傳感器的中心反射波長(zhǎng)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(zhǎng)最直接的檢測(cè)儀器是光譜儀。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。缺點(diǎn)是精度底、價(jià)格高、體積大，而且，不能直接輸出對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)變化的電信號(hào)。因此，不能滿足實(shí)用化自動(dòng)控制的需要。為此，人們研究并提出了多種解調(diào)方法，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(qiáng)度的兩束，一束經(jīng)與波長(zhǎng)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(guò)光電探測(cè)器變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)有關(guān)的輸出值。該方法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參量的測(cè)量。分辨力為375x10-6，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量響應(yīng)速度不超過(guò)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(dòng)元件的作用下跟蹤FBG的波長(zhǎng)變化，然后，通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)獲得被測(cè)應(yīng)力或溫度。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度好，分辨力可達(dá)0.4×10-6。該方法可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測(cè)量。但這種方法的不足之處是2個(gè)光柵要嚴(yán)格匹配，且傳感光柵的測(cè)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(hào)進(jìn)入可調(diào)光纖F-P濾波器（FFP），調(diào)節(jié)FFP的透射波長(zhǎng)至FBG的反射峰值波長(zhǎng)時(shí)，濾波后的透射光強(qiáng)達(dá)到最大值，由FFP驅(qū)動(dòng)電壓—透射波長(zhǎng)關(guān)系可得FBG的反射峰值波長(zhǎng)。掃描加上擾動(dòng)信號(hào)構(gòu)成波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的測(cè)量。由于FFP濾波器腔的調(diào)諧范圍很寬，可以實(shí)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(jiǎn)單，但很難進(jìn)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(shí)驗(yàn)所得最小波長(zhǎng)分辨力約為2.3pm，對(duì)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(gè)數(shù)和使用范圍。

    2 光纖光柵傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

    為了適應(yīng)未來(lái)光纖光柵傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、大范圍、準(zhǔn)分布式測(cè)量。許多研究者正在光纖光柵傳感系統(tǒng)的各方面進(jìn)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(hào)解調(diào)。對(duì)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(shí)際的測(cè)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(cè)量誤差小、測(cè)量精度高。針對(duì)未來(lái)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(diǎn)。光纖光柵傳感器既能實(shí)現(xiàn)單參量的測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)多參量的測(cè)量。當(dāng)單參量測(cè)量時(shí)，應(yīng)提高傳感器的靈敏度和測(cè)試精度。在實(shí)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?yàn)楣饫w光柵的應(yīng)變有一個(gè)極限值，超過(guò)這個(gè)極限值光柵就會(huì)被破壞。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量，傳感器復(fù)用數(shù)目較多，在布置傳感器時(shí)，有時(shí)一個(gè)點(diǎn)要布置靈敏度不同的多個(gè)傳感器，以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的大范圍測(cè)量。由于傳感量主要是微小波長(zhǎng)偏移為載體，所以，一個(gè)實(shí)用的信號(hào)解調(diào)方案必須具有極高的波長(zhǎng)分辨力。其次，要解決動(dòng)態(tài)與靜態(tài)信號(hào)的檢測(cè)問題，尤其是二者的結(jié)合性檢測(cè)已成為光柵傳感實(shí)用解調(diào)技術(shù)中的難點(diǎn)。光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用最大的優(yōu)勢(shì)在于很好地進(jìn)行傳感器的復(fù)用實(shí)現(xiàn)分布式傳感，如，美國(guó)的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可調(diào)激光掃描方法，利用時(shí)分技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)四路光纖多達(dá)256個(gè)Bragg光柵進(jìn)行查詢。因此，未來(lái)的光纖光柵傳感系統(tǒng)將能滿足單點(diǎn)高精度的實(shí)時(shí)測(cè)量，又能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的準(zhǔn)分布式的多點(diǎn)、多參量的測(cè)試要求，在未來(lái)的傳感領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    隨著對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)的深入研究，其研究的重點(diǎn)：一是對(duì)傳感器能同時(shí)感測(cè)應(yīng)變和溫度變化的研究；二是對(duì)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的研究；三是對(duì)光纖光柵傳感器的封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、光源穩(wěn)定性、傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化等實(shí)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(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感，復(fù)用數(shù)目多、測(cè)量精度高、靈敏度高的光纖光柵系統(tǒng)網(wǎng)將會(huì)在生產(chǎn)領(lǐng)域中有更廣泛的應(yīng)用。

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