第十章 光纖傳感技術—5

1、第10章 光纖傳感技術 光纖傳感技術是伴隨光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為介質、感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術。光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過30多年的研究，光纖傳感器取得了積極的進展，目前正處在研究和應用并存的階段。它對軍事、航天航空技術和生命科學等的發(fā)展起著重要的作用。隨著新興學科的交叉滲透，它將會出現(xiàn)更廣闊的應用前景。 本章在簡要介紹光纖傳感器原理、組成及分類的基礎上，重點討論光纖傳感的光調(diào)制方式及相應的光纖傳感器，最后對分布式光纖傳感器作簡要介紹。10.5 10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器光波長調(diào)制型光纖傳感器 光纖傳感器的波長調(diào)制就是利用

2、外界因索改變光纖中光能量的波長分布或者說光譜分布，通過檢測光譜分布來測量被測參數(shù)，由于波長與顏色直接相關，波長調(diào)制也叫顏色調(diào)制。其原理如圖10.22所示，光源發(fā)出的光能量分布為Pi()，由人射光纖耦合到傳感頭S中，在傳感頭S內(nèi)，被測信號S0(t)與光相互作用，使光譜分布發(fā)生變化，輸出光纖的能量分布為Po()，由光譜分析儀檢測出Po()，即可得到S0(t)。圖圖10.42 10.42 波長調(diào)制原理圖波長調(diào)制原理圖 通常波長調(diào)制方式有:利用黑體輻射進行波長調(diào)制、利用磷光(熒光)光譜的變化進行波長調(diào)制、利用濾光器參數(shù)的變化來進行波長調(diào)制和利用熱色物體的顏色變化進行波長調(diào)制等幾種。這幾種方式本質上是光

3、強調(diào)制，前面已做介紹，這里就不重復。 近20年來，尤其近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術為功能型光波長調(diào)制技術開辟了新的前景。下面對光纖光柵在光纖傳感器中的應用進行介紹。 由第3章可知，在FBG中，滿足Bragg條件的人射光將被FBG反射，反射光波中心波長B=2neff，即Bragg波長。由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，當FBG所處環(huán)境的溫度、應力、應變或其他物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過被測量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。 溫度、應力和應變的變化引起的中心波長漂移可表示為：(1)光纖布拉格光柵(FBG)

4、傳感器的工作原理10.5.1 光纖光柵光波長調(diào)制原理式中，為外加應變,為橫向形變系數(shù)(泊松比)，Pij為光彈性張量的普克爾壓電系數(shù)，為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，T為溫度變化量。 如利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率neffl、neffr變化不同，可實現(xiàn)對磁場的直接測量。磁場誘導的折射率變化為TdtndnnPPPnneffeffeffeffeffB2)(2121211122(10.28)2VHnnlreffeff(10.27)式中，V為弗爾德常數(shù)，H為被測磁場，為工作波長。對應的左右旋極化波中心反射波長Bl和Br為：efflBeffBnnlrr22(10.29)通過測定B的漂移，就可得到磁場H的變化

5、信息。 此外，通過特定的技術，可實現(xiàn)對應力和溫度的分別測量，也可同時測量。通過在光柵上涂覆特定的功能材料(如壓電材料)，還可實現(xiàn)對電場等物理量的間接測量。(2)啁啾光纖光柵傳感器的工作原理 上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)中光柵的幾何結構是均勻的，對單參數(shù)的定點測量很有效，但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時，就顯得力不從心。一種較好的方法就是采用惆啾光纖光柵傳感器。 啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下惆啾光纖光柵除了B的變化外，還會引起光譜的展寬。這種傳感器在應變和溫度均存在的

6、場合是非常有用的，惆啾光纖光柵由于應變的影響導致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT)僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。(3)長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理 長周期光纖光柵(LPG)的周期一般有數(shù)百微米，長度為1-30 cm，折射率調(diào)制深度遠小于10-4。LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進包層:)()()(mmclcoLnnn(10.30)式中，nco為纖芯的折射率，ncl(m)為m階軸對稱包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個

7、很寬的波長范圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移，通過檢測L，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。10.5.2 波長調(diào)制的解調(diào)方法 光纖光柵傳感器的解調(diào)系統(tǒng)技術比較復雜，近來人們研究了各種波長分析器以完成B位移的檢測。關于波長調(diào)制的解調(diào)方法很多，主要有光譜分析法、波長掃描法、光學濾波法和相干法等。下面對這些解調(diào)方法做簡要介紹。(1)光譜分析法 光譜分析法的基本原理是，將傳感探頭的輸出光經(jīng)光纖送至分光計分光，由CCD探測

8、器檢測不同波長的光強分布，一旦B偏移，光強分布即發(fā)生變動，計算機通過計算分析即可計算出相應的B偏移量或它所對應的被測量。 圖10.23為光纖光柵作傳感探頭的光譜分析法示意圖。圖10.23(a)為前向傳輸方式，圖l0.23(b)為后向傳輸方式，參考光柵提供波長B的參考點。其特點是利用B光被FBG反射后傳輸光譜中將失去該波長成分而形成譜谷，用光譜分析儀測量的參考FBG及傳感FBG光譜谷之間距(前向傳輸方式)，或參考FBG譜峰與傳感FBG反射光峰之間距(后向傳輸方式)，即為被測量，引起的B偏移=B-B。光譜分析儀可以是單色儀，也可以是傅里葉變換光譜儀等。圖圖10.43 10.43 光譜分析檢測法示意

9、圖光譜分析檢測法示意圖(2)波長掃描法 波長掃描法是一種極具前途的光波長調(diào)制的解調(diào)方法，基本原理是用一波長與光纖光柵光譜接近且譜寬小于B反射光的譜線寬度的可調(diào)諧激光光源取代寬帶光源，通過調(diào)諧激光的輸出波長進行光譜掃描。由于FBG僅對滿足式B=2neff的單一波長進行反射，因此也只有當=B時，后向B反射光才在探測器上產(chǎn)生強輸出，通過可調(diào)諧濾波器將窄帶光源的中心波長鎖定在該狀態(tài)即可測知B。當B受被測量調(diào)制偏移至B時，光源L的波長亦隨之調(diào)諧至=B。 也可設置一個參數(shù)與傳感FBG完全相同的參考FBG，通過調(diào)諧參考光柵的布拉格B長追蹤傳感FBG的中心波長，直至兩光纖光柵的中心波長相等時產(chǎn)生強輸出，則參考

10、FBG的中心波長值即為測得值,如圖10.44所示。這種方法可檢測靜態(tài)波長偏移及低于100MHz的動態(tài)波長偏移，測量分辨率較高。圖圖10. 4410. 44參考波長掃描法示意圖參考波長掃描法示意圖(3)光學濾波法 光學濾波解調(diào)法的基本原理是，在光纖光柵的輸出光路中安置濾光器，析出與被測量相應的波長偏移，有線性濾波法、非平衡M-G干涉法和可調(diào)諧光纖F-P濾波法?？烧{(diào)諧光纖F-P濾波法的原理如圖10.45所示。FBG的Bragg反射光經(jīng)3dB耦合器注人可調(diào)諧光纖F-P濾光器(FPF)，鋸齒波電壓加在FPF上使其在光纖光柵特征波長附近掃描，F(xiàn)PF過零點輸出的波長即為光纖光柵特征波長13?？烧{(diào)諧F-P濾

11、波法可以用于絕對測量和相對測量，也可用于動態(tài)和靜態(tài)測量。10.5.3 光纖光柵傳感器 如上所述，光纖光柵是一種波長選擇反射器，反射信號的波長會受施于光纖上的溫度和應變的影響而發(fā)生變化，這種變化稱之為波長位移。采用光纖光柵的溫度和應變兩種效應，即光纖光柵做敏感元件，可以傳感其他許多物理量，如圖10.46所示，光纖光柵在傳感技術中應用前景十分廣泛，尤其是利用應變敏感性可間接測量的物理量很多。 1.光柵光纖傳感器結構 光柵光纖傳感器的典型結構如圖10.27所示。圖中光源為寬譜光源，且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號良好的信噪比，一般可選用ELED.ELED耦合進單模光纖的光功率至少為5-10W。此

12、功率電平為光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)所要求的下限值。光源的波長可選用850 nm、l300 nm、l550 nm。被測溫度或壓力施加于光纖光柵上，由光纖光柵反射回的光信號通過3 dB光纖定向禍合器送到波長鑒別器或波長分析器，然后通過光探測器進行光電轉換，最后由計算機做分析、儲存，按用戶規(guī)定的格式在計算機上顯示出被測量大小。圖10.27中的波長鑒別器是波長位移解調(diào)的核心，它包括另一個3 dB光纖禍合器和薄膜干涉濾光片。從光纖光柵反射回的光信號通過第一個3 dB光纖禍合器后，再由第二個3 dB光纖禍合器一分為二，其中一部分由光探測器直接轉換成電信號，另一部分經(jīng)干涉濾光片，再由光探測器轉換成電信號，兩信號相除

13、即可得出B位移量，并表征出被測參量。 2.分布式光纖光柵傳感器 如圖10.48所示，分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)是在一根光纖中串接多個FBG傳感器，寬帶光源照射光纖時，每個FBG反射回一個不同Bi的窄帶光波。通過單一通道實現(xiàn)對多個測試信號的采集，這種技術的最大優(yōu)點在于減少了測試數(shù)據(jù)采集設備所需的通道數(shù)量，從而降低了測試成本，并能夠實現(xiàn)對待測物理量的分布(或準分布)場值的測量。由于這種傳感系統(tǒng)檢測效率高，并易于形成傳感網(wǎng)絡，為其實際應用開辟了廣闊的前景。圖圖10.48 10.48 分布式光纖光柵傳感器分布式光纖光柵傳感器圖圖10. 4910. 49光纖光柵傳感網(wǎng)絡原理圖光纖光柵傳感網(wǎng)絡原理圖 3.光纖

14、光柵傳感網(wǎng)絡 光纖光柵傳感網(wǎng)絡是集信號傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡結構，多個傳感器按照一定網(wǎng)絡拓撲結構組合在一起，并通過同一個光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)多個傳感信號的探測、識別和解調(diào)的功能。典型的光纖光柵傳感網(wǎng)絡結構如圖10.29所示，其基本功能部分可概括為:光發(fā)射和接收終端、傳輸線路、傳感器陣列和信號處理系統(tǒng)四個部分。 從寬譜光源或者連續(xù)掃描激光器出射的光經(jīng)由光禍合器或光開關后分別到達相應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現(xiàn)傳感測量，因此在傳感網(wǎng)絡中可以采用光開關切換各個通道，互相并無串擾。 各個通道可以采用相同波長的光纖光柵傳感器陣列，從而有效地利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的波長信號經(jīng)過禍合器和可調(diào)諧掃描濾波器后被光電探測器接收。當傳感器陣列中某個傳感器所