光纖布拉格光柵理念原理與技術(shù)特征

利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。

當(dāng)今光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號(hào)傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)傳感器需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過同一個(gè)光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感信號(hào)的探測(cè)、識(shí)別和解調(diào)的功能。在此以光纖布拉格光柵傳感器及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為典例作說明。

應(yīng)用光纖布拉格光柵傳感器對(duì)與溫度和應(yīng)變相關(guān)的物理量進(jìn)行測(cè)量是目前監(jiān)控領(lǐng)域中先進(jìn)的傳感技術(shù)之一。

目前，在結(jié)構(gòu)變形和溫度監(jiān)測(cè)中，普遍采用周期

光纖布拉格光柵傳感器的結(jié)構(gòu)是利用紫外激光在光纖纖芯上刻寫一段光柵，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光Li通過傳輸光纖射入時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光Lr，其余寬帶光Lt繼續(xù)透射過去，在下一個(gè)具有不同中心波長的光柵處進(jìn)行反射，多個(gè)光柵陣列形成光纖布拉格光柵(FBG)傳感網(wǎng)絡(luò)。各FBG反射光的中心波長為，=2n，式中，n為纖芯的有效折射率;為纖芯折射率的調(diào)制周期。

作用在FBG傳感器結(jié)構(gòu)上有入射光譜與反射光譜及透射光譜等3種光譜。而反射回來的窄帶光的中心波長隨著作用于光纖光柵的溫度和應(yīng)變成線性變化，中心波長的變化量為。

對(duì)于光纖光柵反射中心波長(短周期光纖光柵)或透射中心波長(對(duì)長周期光纖光柵)與介質(zhì)折射率有關(guān)，在溫度、應(yīng)變、壓強(qiáng)、磁場(chǎng)等一些參數(shù)變化時(shí)，中心波長也會(huì)隨之變化。通過光譜分析儀檢測(cè)反射或透射中心波長的變化，就可以間接檢測(cè)外界環(huán)境參數(shù)的變化，即其變化量與應(yīng)變量及溫度變化相關(guān)。

基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的分析儀可根據(jù)=2n，可以在反射光中尋址到每一個(gè)光柵傳感器。根據(jù)變化量并利用參考光信息可以解調(diào)出被測(cè)量的溫度和應(yīng)變值。將FBG附著于材料性能和幾何尺寸確定的機(jī)械結(jié)構(gòu)上還可以制造基于應(yīng)變的力傳感器、位移傳感器和振動(dòng)傳感器等。

采用FBG作為溫度和應(yīng)變測(cè)量的敏感元件最顯而易見的優(yōu)勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)全光測(cè)量，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可以沒有電氣設(shè)備，不受電磁干擾。另一個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)是被測(cè)量用波長這種絕對(duì)量編碼，不易受外部因素干擾，因而穩(wěn)定性和可靠性極好。FBG傳感器可以經(jīng)受幾十萬次循環(huán)應(yīng)變而不劣化，測(cè)量應(yīng)變可以精確到 。同時(shí)由于單路光纖上可以制作上百個(gè)光柵傳感器，特別適合組建大范圍測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)試。

則光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號(hào)傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)傳感器需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過同一個(gè)光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感信號(hào)的探測(cè)、識(shí)別和解調(diào)的功能。

基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的分析儀的基本架構(gòu)

通常用于信號(hào)解調(diào)的光源、可調(diào)諧腔、探測(cè)器和信號(hào)處理與控制模塊以及其它的相關(guān)光路元件通常集成在一個(gè)設(shè)備里，稱做光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。而FBG傳感器將被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為波長信號(hào)，其FBG傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀將波長轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)量的物理量。光源為寬譜光源(ASE)且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號(hào)良好的信噪比。一般選用側(cè)面發(fā)光二極管ELED的原因是其耦合進(jìn)單模光纖的光功率至少為50-100W。此光源經(jīng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)接通標(biāo)準(zhǔn)波長信號(hào)和FBG傳感器。FBG傳感器反射回的光經(jīng)過3dB耦合器引入到可調(diào)諧腔中，濾波后再由光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接入A/D轉(zhuǎn)換器，信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換后由信號(hào)處理進(jìn)行分析處理得到溫度或應(yīng)力被測(cè)量等物理量。

其中可調(diào)諧腔作用是能直接將波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它是FBG波長解調(diào)的關(guān)鍵部件，可調(diào)諧腔體積小、價(jià)格低、靈敏度高、光能利用率高，是一種很有工程實(shí)用價(jià)值的方法。壓電換能器在外加電動(dòng)勢(shì)的作用下可產(chǎn)生形變，給壓電換能器施加一個(gè)掃描電壓使其產(chǎn)生伸縮，驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧腔長變化，從而使可調(diào)諧腔的透射波長隨之發(fā)生改變。若入射光波長與可調(diào)諧腔的透射波長重合，則探測(cè)器能探測(cè)到最大光強(qiáng)。

從寬譜光源出射的光經(jīng)由光轉(zhuǎn)換開關(guān)與光耦合器后分別到達(dá)相應(yīng)通道的光纖光柵傳感器陣列。由于光纖光柵是以波長編碼的方式實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量，因此在傳感網(wǎng)絡(luò)中可以采用光開關(guān)切換各個(gè)通道，互相并無串?dāng)_。各個(gè)通道可以采用相同波長的光纖光柵傳感器陣列，從而有效的利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的波長信號(hào)經(jīng)過耦合器和可調(diào)諧腔后被光電探測(cè)器接收。當(dāng)傳感器陣列中某個(gè)傳感器所處的環(huán)境(如溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等)發(fā)生改變時(shí)，該傳感器的中心波長就會(huì)發(fā)生漂移(一般為線性變化);這種波長的微小漂移被探測(cè)、采樣又將模擬量送到A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)入信號(hào)處理模塊進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到傳感器的相關(guān)溫度或應(yīng)力等參量的測(cè)量結(jié)果。