光纖光柵傳感器

1、光纖光柵光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中建立起的一種空間周期性的折射率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)錯離子相互作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的反射或透射的反射鏡或濾波器。光纖光柵可與光纖完全兼容，不存在集成波導(dǎo)光柵與光纖的耦合問題。光纖光柵的出現(xiàn)，使許多復(fù)雜全光纖通信和傳感網(wǎng)成為可能，極大的拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。3.3光纖光柵傳感器的工作原理1989年Morey等人首先對光纖光柵的應(yīng)力和溫度傳感特性進(jìn)行了研究。應(yīng)力影響由光彈效應(yīng)導(dǎo)致折射率變化和形變使光纖光柵周期變化引起

2、，溫度影響由熱光效應(yīng)使有效折射率改變和熱膨脹效應(yīng)使光柵周期變化引起。光纖光柵傳感器的工作原理是借助于某種裝置將被測參量的變化轉(zhuǎn)換為作用于光纖光柵上的應(yīng)力或溫度的變化，從而引起光纖光柵布拉格波長變化。由光纖光柵布拉格波長的變化測量出被測量的變化。即采用波長調(diào)制方式，將被測信息轉(zhuǎn)化為特征波長的移動。實驗測定，布拉格波長在1550nm附近的光纖光柵的應(yīng)力和溫度響應(yīng)分別為1.2XW3nmZ卜和1.0X10-：nm/o根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時，產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的波長光被反射，于是有入B=（3-1）式中：口前為導(dǎo)模的有效折射率，A為光纖柵格周期。符合布拉格條件的反射

3、光波長的移位為以二2AneffA+2n*A（3?）3.3.1 溫度響應(yīng)當(dāng)只考慮溫度影響時，有箭=（cx-F0AT/（3-3）式中：Q為熱膨脹系數(shù)，；為熱光系數(shù)。且有1AA口二一二AAT(3-4)1=(3-5)對于摻錯石英光纖，(!取5.5)<10-7/弋；2()口0150丫的范圍內(nèi)，如7,ixio_6/ac7.3xio_6/Dc,在40眥時,E取ixio-£/a應(yīng)變響應(yīng)當(dāng)只考慮應(yīng)力影響時，有AXbAAAneffAL1丁=r+=T-nefTK1-PJP12-VPiJe=e-pE=(l-p)£3-6AneffL2(3-6)式中：£為軸向應(yīng)變，口是泊松比，p是光纖

4、光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)。對于摻錯石英光纖，p取0.22,則n=0,78e(3-7)實際應(yīng)用中，£是個很小的量，可以引入腥作為應(yīng)變度量單位。光纖光柵傳感器性能指標(biāo)傳感器波長：FBCK射譜中的尖峰的中心波長，大多FBG專感系統(tǒng)工作在50nm(1520nm1570nm窗口范圍內(nèi)。傳感器帶寬：FBGK射譜中的尖峰下降3dB時對應(yīng)的波長寬度。帶寬越小，測量精度越高。實際的制作工藝可達(dá)到0.2nm0.3nm之間，通常取0.25nm。反射率：返回測量系統(tǒng)的光功率占原始光功率的百分比，決定信號強度。邊模抑制：決定信噪比。光纖光柵傳感器的特點光纖光柵與光纖之間存在固有的兼容性，很容易將多個光纖光柵串聯(lián)在一

5、根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣列，實現(xiàn)分布式傳感。且具有抗腐蝕、抗電磁干擾、頻帶寬、重復(fù)性好、多只光柵時分、波分復(fù)用方便及波長編碼方式不受光源功率波動和系統(tǒng)損耗影響等特點。波長編碼保證了檢測到的光頻譜取決于光源和布拉格光柵的頻譜，對電磁場以及布什加在光柵上的應(yīng)力、溫度等都不敏感。光纖光柵傳感器使用于特殊結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)，如水壩壽命監(jiān)測、橋梁缺陷監(jiān)測、大型運輸載體的復(fù)合材料在不破壞材料性質(zhì)基礎(chǔ)上對多種物理量的多點分布測量等。布拉格光柵的傳感解調(diào)原理如何檢測傳感光柵布拉格波長的微小偏移，是光纖光柵傳感器實用化面臨的關(guān)鍵技術(shù)。為此，人們提出了許多檢測方案，大致可分為光譜分析法、可調(diào)諧光纖光柵濾波器法、可調(diào)諧光

6、源檢測法、可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器法等。(1)光譜分析法光譜分析法是最基本的波長解調(diào)的方法，實驗室通常都用這種方法來檢測光纖光柵的波長偏移?？梢杂梅瓷涫?，如圖2-2(a)所示，也可以用透射式，如圖2-2(b)所示。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，但通常適用于實驗室使用傳統(tǒng)的以色散棱鏡或衍射光柵為基礎(chǔ)的光譜儀測量波長變化，是一種最基本的方法。這種方法有很大的局限性，一是精度低，不能很好的滿足一般測量要求；二是儀器體積大，不適于現(xiàn)場應(yīng)用；三是價格高。另外，光譜分析儀還不能直接輸出對應(yīng)波長變化的電信號輸出，這種方法通常無法滿足工程應(yīng)用的要求。(2)可調(diào)諧光纖光柵濾波器法可調(diào)諧光纖光柵濾波器法也稱為匹配光纖光柵濾波

7、器法。這種方法需要借助于另外的光纖光柵(稱為參考光纖光柵)，在驅(qū)動元件的作用下使用參考光纖光柵的諧振波長跟蹤傳感光纖光柵的諧振波長的變化，通過測量驅(qū)動元件的驅(qū)動信號來獲得作用于傳感光柵的物理量?？烧{(diào)諧光纖光柵濾波器法結(jié)構(gòu)有兩種，一種是透射式，一種是反射式，如圖2-3和圖2-4所示，光纖布拉格光柵1和光纖布拉格光柵2是兩個(可以用接更多個)傳感光纖光柵，其反射波長可以隨溫度或應(yīng)變而發(fā)生變化，用以反映被測量的變化。反軻式%舒布拉光纖和技梏班期2+HW-00悄用鼎100圖2-2光譜分析法波長解調(diào)寬帶光源的波長分布覆蓋光柵反射波長變化的范圍。耦合器為3dB耦合器。光纖布拉格光柵0是一個可調(diào)諧的參考光纖

8、光柵，它固定在壓電陶瓷（PZT）上，壓電陶瓷由線性電壓驅(qū)動，從而可以對參考光纖光柵（光纖布拉格光柵0）的諧振波長進(jìn)行調(diào)諧，其波長精合器圖2-3可調(diào)諧光纖光柵濾波器法結(jié)構(gòu)（透射式）光纖布拉光纖布拉也可以通過其他方法（如懸0）的電壓和波長關(guān)系已通的變化范圍能夠覆蓋傳感光纖光柵的波長變化區(qū)間，臂梁）來實現(xiàn)調(diào)諧。參考光纖光柵（光纖布拉格光柵過標(biāo)定，有確定的關(guān)系。在透射式結(jié)構(gòu)中，當(dāng)參考光纖光柵的反射波長和某一個傳感光纖光柵的反射波長匹配時，光電探測器探測到的光強出現(xiàn)最小值，從而可以測量出傳感光纖光柵的反射波長，進(jìn)而可以計算出光纖光柵的應(yīng)變或所處環(huán)境的溫度變化。在反射式結(jié)構(gòu)中，當(dāng)參考光纖光柵的反射波長和某

9、一個傳感光纖光柵的反射波長匹配時，光電探測器探測到光強出現(xiàn)最大值。理合器光纖布拉先奸布及圖2-4可調(diào)諧光纖光柵濾波器法結(jié)構(gòu)（反射式）當(dāng)單個光纖光柵光纖光柵0的調(diào)諧范圍不能覆蓋傳感光纖光柵的波長范圍時，可以用多個匹配光纖光柵構(gòu)成的光柵陣列，調(diào)諧光纖光柵與傳感光纖光柵一一對應(yīng)，波長范圍互不重疊。匹配光纖光柵之間并聯(lián)連接，可以通過耦合器同時接在反射光纖上或用光開關(guān)分時介入反射光纖光柵。可調(diào)諧光纖光柵濾波器法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，而且對反射光光強無特別要求，強度噪聲不會對輸出結(jié)果有影響。但這種方法也有不足之處，主要要求兩個光纖光柵匹配，而且受參考光纖光柵應(yīng)變量的限制，傳感光纖光柵的測量范圍不能很大，以及由

10、于壓電陶瓷的響應(yīng)速度有限，使這種方法只適用于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量。4光路設(shè)計整體光路系統(tǒng)圖4-1整體光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖激光器發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器后，被調(diào)制器（調(diào)制信號為正弦RF信號）調(diào)制，得到的調(diào)制光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)布拉格光柵的反射濾波。然后融合分光束參考法、匹配光纖光柵探測法及光纖光柵復(fù)用，使標(biāo)準(zhǔn)FBG反射的波與傳感FBG反射的波在耦合器中發(fā)生功率疊加及干涉，放大后由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并用頻譜分析儀觀測。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)FBG的反射波波長與傳感FBG的反射波波長完全匹配時，光耦合器中的功率疊加值最大和干涉現(xiàn)象最明顯，則耦合后的光能量最大，反映在頻譜分析儀上是RF信號能量最大。當(dāng)兩個反射波波長不

11、配備時，RF信號的能量將迅速減小。分光束參考法在探測端，光功率的測量會受到光源功率波動、光纖傳輸損耗變化、光電探測器特性等因素影響。為了補償光源、傳輸光纖、接頭和光探測器的波動和漂移，獲得穩(wěn)定的測量結(jié)果，需要采用某種形式的強度參考。匹配光纖光柵探測法只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)FBG的中心波長與傳感FBG的中心波長想匹配時，標(biāo)準(zhǔn)FBG的反射光譜與傳感FBG的反射光譜的重疊部分面積最大，得到的光波強度最強，即最終光波強度為標(biāo)準(zhǔn)FBG的反射光譜函數(shù)與傳感FBG的反射光譜函數(shù)的卷積。此方法只能實現(xiàn)較小的變化范圍內(nèi)對被測軸向應(yīng)變及溫度變化進(jìn)行檢測，但它具有機構(gòu)簡單、低成本、易實現(xiàn)的優(yōu)勢。光纖光柵復(fù)用分布式傳感和傳感器的復(fù)用是光纖傳感器所獨有的技術(shù)，它能實現(xiàn)沿光纖鋪設(shè)路徑上分布場的測量，顯著降低系統(tǒng)成本，