光纖光柵的檢測(cè)技術(shù)

1、光纖光柵的檢測(cè)技術(shù)第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng) 第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一波長(zhǎng)移動(dòng)檢測(cè)方案由上述可知，光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是測(cè)量其波長(zhǎng)的移動(dòng)。通常測(cè)量光波長(zhǎng)都是用光譜分析儀，包括單色儀和傅立葉變換光譜儀等。它的波長(zhǎng)測(cè)量范圍寬，分辨率高，能測(cè)量出微小的應(yīng)變量，用于分布式測(cè)量也極為簡(jiǎn)便，但它體積大，價(jià)格昂貴，一般都用于實(shí)驗(yàn)室中，不宜實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用。在實(shí)際應(yīng)用中，還必須利用光纖光柵的優(yōu)良特性，研發(fā)高靈敏度、光能利用率高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高的新型傳感解調(diào)系統(tǒng)取代實(shí)驗(yàn)室中的光譜分析儀，以用于工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與監(jiān)控。

2、 目前比較典型的主要有以下幾種波長(zhǎng)移動(dòng)檢測(cè)方案：光譜儀和多波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)法，邊緣濾波檢測(cè)法，可調(diào)諧濾波檢測(cè)法，匹配光柵檢測(cè)法，波長(zhǎng)可調(diào)諧光源解調(diào)法，CCD分光儀檢測(cè)法，非平衡M-Z干涉儀檢測(cè)法等。 第3頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一1.光譜儀和多波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)法在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，對(duì)波長(zhǎng)移位最直接的檢測(cè)方法是：利用寬帶光源（如發(fā)光二極管LED），輸入光纖光柵，再用光譜儀（或多波長(zhǎng)計(jì)）檢測(cè)輸出光的中心波長(zhǎng)移位，如圖2。該法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有可攜帶性、經(jīng)久耐用且易于使用和自動(dòng)測(cè)試等特點(diǎn)，常用于實(shí)驗(yàn)室。 第4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一光譜分析儀原理光譜分

3、析儀是檢測(cè)光波光譜的儀器，其工作原理如圖。在光譜儀中，通過(guò)調(diào)節(jié)衍射光柵的角度，使衍射光柵分離出不同的波長(zhǎng)，分離出來(lái)的特定光波由反射鏡聚焦到光闌孔/探測(cè)器；旋轉(zhuǎn)衍射光柵可對(duì)波長(zhǎng)范圍進(jìn)行掃描。使用光譜儀進(jìn)行測(cè)量，在光功率、信噪比、信道增益方面能夠得到較為理想的結(jié)果，對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，分辨率可達(dá)0.001nm，基本可滿足對(duì)光柵Bragg波長(zhǎng)移位量的分辨。第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一多波長(zhǎng)計(jì)原理若需要更精確的波長(zhǎng)測(cè)量，可選用多波長(zhǎng)計(jì)，其工作原理參見(jiàn)圖。在多波長(zhǎng)計(jì)中，利用光波的干涉效應(yīng)將同相位的光信號(hào)加強(qiáng)的原理來(lái)對(duì)不用的光波進(jìn)行區(qū)分。從光纖來(lái)的光信號(hào)在通過(guò)分束鏡后，一部分由

4、于反射到固定反射鏡，然后返回；另一部分透射到可移動(dòng)的反射鏡，然后返回，這兩束同源但不同路徑的光束，在重新匯合時(shí)，某些特定波長(zhǎng)的光信號(hào)將由于同相位而產(chǎn)生干涉、光強(qiáng)增加，被探測(cè)器捕獲。對(duì)可移動(dòng)反射鏡進(jìn)行微調(diào)，可改變兩光束的光程差，以此來(lái)選擇對(duì)不用光波的掃描。多波長(zhǎng)計(jì)對(duì)波長(zhǎng)的測(cè)試非常精確，分辨率可達(dá)0.0004nm，能看到系統(tǒng)的噪聲平臺(tái)，但在功率測(cè)量方面不如光譜分析儀。 第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一2.邊緣濾波器檢測(cè)法 基于邊緣濾波器的線性解調(diào)原理如圖所示，這種邊緣濾波器輸出光強(qiáng)的變化量與波長(zhǎng)漂移量成正比，該濾波函數(shù)可表示為 （1）將從傳感光柵反射回的、包含波長(zhǎng)移位調(diào)

5、制的光信號(hào)分成兩束，分別送到兩個(gè)不平衡的濾波器中，經(jīng)濾波器后兩光強(qiáng)相除，其結(jié)果就包含波長(zhǎng)移位的信息 第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一邊緣濾波線性解調(diào)系統(tǒng)原理 第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一從光纖Bragg光柵返回的光均勻分為兩束，一束直接送入探測(cè)器作為參考信號(hào)；另一束則通過(guò)濾波函數(shù)為式（1）的線性濾波器，再送入探測(cè)器，反射光是譜寬為的Gaussian分布，則接收到的光強(qiáng)分別為式中 Is信號(hào)光強(qiáng)； IR參考光強(qiáng)；R 光纖的反射率；A 線性濾波器的比例系數(shù)。由式可見(jiàn)，和直接測(cè)量值呈線性關(guān)系，由此可求出動(dòng)態(tài)的值。 這種檢測(cè)方法基于光強(qiáng)檢測(cè)，適

6、用于動(dòng)態(tài)、靜態(tài)測(cè)量，具有較好的線性輸出，測(cè)量范圍與探測(cè)器的分辨率成正比。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于采用了較好的補(bǔ)償措施，能夠有效地抑制光源輸出功率的起伏、連接干擾和微彎干擾等不利因素，且系統(tǒng)反應(yīng)迅速，成本較低，使用方便，在幾個(gè)m測(cè)量范圍內(nèi)，該系統(tǒng)具有幾十個(gè)的分辨率。 第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一光纖光柵激光器 實(shí)現(xiàn)傳感此外，鑒于線性邊緣濾波檢測(cè)方案中，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電平非常低，信噪比低，會(huì)降低系統(tǒng)的測(cè)量分辨率，壓縮測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，又提出了一種光纖光柵激光傳感器，如圖所示。 第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一該傳感器由一個(gè)980/1550n

7、m的波分復(fù)用器和一段1.5m摻鉺光纖和光纖光柵構(gòu)成一只光纖激光器。摻鉺光纖一端拋光渡銀，制成全反射鏡，與光纖光柵一起構(gòu)成光纖激光器的選頻諧振腔。由980nm的摻鈦藍(lán)寶石激光器作泵浦，光纖激光器的工作波長(zhǎng)由光纖光柵確定。圖右下方是摻鉺光纖激光器的熒光譜圖，激勵(lì)功率達(dá)到閾值功率（約2.7mW）時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)激光，增至4.9mW時(shí)，輸出純激光。軸向應(yīng)力作用于光纖光柵，相應(yīng)改變激光器的輸出波長(zhǎng)，同時(shí)激光器可以輸出足夠強(qiáng)的光功率。再將激光器的輸出光送入線性比例探測(cè)器去解調(diào)，即可測(cè)量出光纖光柵的波長(zhǎng)移動(dòng)。這一方案提高了測(cè)量信噪比，可達(dá)到的應(yīng)變測(cè)量分辨率為5.5。 第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，

8、4點(diǎn)51分，星期一3.可調(diào)諧濾波檢測(cè)法 （1）可調(diào)諧波長(zhǎng)的光纖F a b r y-P e r o t濾波器 可調(diào)諧光纖F a b r y-P e r o t濾波器（FFP）已廣泛應(yīng)用于傳感光柵的信號(hào)解調(diào)，其中，該濾波器可由L o r e n t z譜線形狀的帶通響應(yīng)描述，典型的帶寬為0.3nm，工作范圍為幾十個(gè)納米，受限于由兩平面鏡距離所決定的共振之間的自由光譜區(qū)（FSR）。 通過(guò)壓電陶瓷（PZ）精確移動(dòng)平面鏡的間距，可改變F a b r y-P e r o t腔的的腔長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧，參見(jiàn)下圖。當(dāng)前，可調(diào)諧FPF的掃描頻率可達(dá)1kHz。該濾波器有兩種工作形式：可檢測(cè)單個(gè)光柵的跟蹤（閉

9、環(huán)）模式；可檢測(cè)多個(gè)光柵的掃描模式。為保證光纖光柵的反射信號(hào)總能被FFP檢測(cè)，F(xiàn)FP的自由光譜區(qū)應(yīng)大于光纖光柵的工作譜區(qū)。 第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一可調(diào)諧波長(zhǎng)的光纖F a b r y-Perot濾波器檢測(cè)單個(gè)傳感光柵的跟蹤模式 第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一（2）聲光可調(diào)諧濾波器聲-光可調(diào)諧濾波器（AOTF）是一種由射頻（RF）驅(qū)動(dòng)頻率可調(diào)諧的固態(tài)光濾波器，其中，AOTF的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍可寬至幾個(gè)毫米，時(shí)間響應(yīng)可小于5kHz，并具有窄的光譜帶寬。該器件可工作于多種模式，如分光計(jì)、顫動(dòng)濾波器和跟蹤濾波器等。若提供覆蓋整個(gè)工作范圍

10、的寬帶光源或光源組，AOTF可應(yīng)用于大規(guī)模光纖Bragg光柵陣列的波長(zhǎng)復(fù)用。利用AOTF中不同頻率的多射頻信號(hào)，原理上可實(shí)現(xiàn)多光柵的并行檢測(cè)。聲光可調(diào)諧濾波器有兩種工作模式，即掃描模式和鎖定模式。在掃描模式中，AOTF受電壓控制振蕩器（VCO）在傳感波長(zhǎng)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，來(lái)自光柵的功率被記錄下來(lái)；在鎖定模式中，檢測(cè)系統(tǒng)采用反饋環(huán)來(lái)跟蹤特定的光柵波長(zhǎng)，如圖。頻率偏離與濾波傳輸、光柵反射率和強(qiáng)度噪聲無(wú)關(guān)。該技術(shù)可跟蹤多光柵的波長(zhǎng)，工作于傳輸和反射結(jié)構(gòu)。 第14頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一聲-光可調(diào)諧濾波器檢測(cè)傳感光柵的原理 第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)5

11、1分，星期一4匹配光柵檢測(cè)法 在檢測(cè)端設(shè)置一參考光柵，其光柵常數(shù)與傳感光柵相同。參考光柵貼于一壓電陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加掃描電壓控制，如圖 。當(dāng)傳感光柵處于自由態(tài)時(shí)，參考光柵的反射光最強(qiáng)，光探測(cè)器輸出信號(hào)幅度最高。這時(shí)控制掃描信號(hào)發(fā)生器使之固定輸出為零電平，當(dāng)傳感光柵感應(yīng)外界溫度和應(yīng)變時(shí)，發(fā)生移位，使參考光柵的反射光強(qiáng)下降，信號(hào)發(fā)生器工作，使參考光柵的輸出重新達(dá)到原有值，這時(shí)的掃描電壓對(duì)應(yīng)一定的外界物理量。第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一匹配光柵檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：消除了雙折射所引起的隨機(jī)噪聲，即對(duì)光纖內(nèi)光的偏振、相位等易變量都不敏感，而且對(duì)最終檢測(cè)的反射光

12、強(qiáng)也無(wú)絕對(duì)要求，所以各類強(qiáng)度噪聲都不會(huì)對(duì)輸出結(jié)果有影響。但該方案的不足之處則是：系統(tǒng)的光損耗較大；系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度由PZT的位移靈敏度決定，和光纖光柵的高靈敏度不匹配；PZT的非線性會(huì)影響輸出結(jié)果；PZT的響應(yīng)速度有限，使這種方法只適合于測(cè)量靜態(tài)或低頻變化的物理量。匹配光柵檢測(cè)法對(duì)多個(gè)參考光柵進(jìn)行波長(zhǎng)掃描可構(gòu)成波分復(fù)用光纖傳感網(wǎng)。傳感光柵的Bragg波長(zhǎng)移位由閉合控制系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤，可檢測(cè)的最小應(yīng)變?yōu)?.12。當(dāng)光柵帶寬窄到0.05nm時(shí)，應(yīng)變的最小分辨率改進(jìn)為1；但是，如前所述，光柵的帶寬變窄，反射回來(lái)的信號(hào)也會(huì)減弱。 第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一5波長(zhǎng)可調(diào)諧

13、光源解調(diào)法 可調(diào)諧窄帶光源的調(diào)諧原理是窄帶可調(diào)諧光輸入光纖光柵，并周期性地掃描其輸出波長(zhǎng)以獲取光纖光柵的反射譜（或透射譜），由每次掃描反射光最強(qiáng)時(shí)的掃描電壓可知相應(yīng)的波長(zhǎng)值。 第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一如上圖所示為一種高精度的連續(xù)可調(diào)諧摻餌光纖激光器檢測(cè)位于1550nm波段的傳感光柵。該檢測(cè)系統(tǒng)受限于激光器2.3nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，可檢測(cè)的最大溫度為180；檢測(cè)精度受限于PZT的精度，即2.3pm或0.18。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于使用光纖激光器可以獲得比寬帶光源高得多的信噪比（SNR），并且獲得了2.3pm的高分辨率；不足之處在于高精度的PZT調(diào)諧器價(jià)格通常昂

14、貴，其調(diào)諧范圍有限。并且，檢測(cè)速度受PZT響應(yīng)時(shí)間和控制回路的限制。PZT、AOTF窄帶可調(diào)諧光輸入多只光纖光柵，并周期性地掃描變化其輸出波長(zhǎng)以掃描各光纖光柵的反射譜，由每次掃描反射光在相關(guān)波長(zhǎng)域內(nèi)最強(qiáng)時(shí)的掃描電壓可知相應(yīng)的波長(zhǎng)值，從而實(shí)現(xiàn)WDM傳感網(wǎng)絡(luò)。 第19頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一6CCD分光儀檢測(cè)法利用衍射光柵等分光元件，將傳感光柵的反射譜（或透射譜）經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后在空間展開(kāi)，再用CCD同時(shí)直接測(cè)出各波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)，參見(jiàn)圖 第20頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)51分，星期一接收到的波長(zhǎng)被轉(zhuǎn)換為沿探測(cè)單元陣列的位置信息，其波長(zhǎng)分辨率由像素寬度描述的探測(cè)器表面的光柵線性色散所決定，單位為nm/pixel。采用該技術(shù)可獲得小于1的應(yīng)變分辨率，并且，CC