第十章 光纖傳感技術(shù)—5

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

2、外界因索改變光纖中光能量的波長(zhǎng)分布或者說(shuō)光譜分布，通過(guò)檢測(cè)光譜分布來(lái)測(cè)量被測(cè)參數(shù)，由于波長(zhǎng)與顏色直接相關(guān)，波長(zhǎng)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(cè)信號(hào)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(cè)出Po()，即可得到S0(t)。圖圖10.42 10.42 波長(zhǎng)調(diào)制原理圖波長(zhǎng)調(diào)制原理圖 通常波長(zhǎng)調(diào)制方式有:利用黑體輻射進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制、利用磷光(熒光)光譜的變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制、利用濾光器參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制和利用熱色物體的顏色變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制等幾種。這幾種方式本質(zhì)上是光

3、強(qiáng)調(diào)制，前面已做介紹，這里就不重復(fù)。 近20年來(lái)，尤其近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)開(kāi)辟了新的前景。下面對(duì)光纖光柵在光纖傳感器中的應(yīng)用進(jìn)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(zhǎng)B=2neff，即Bragg波長(zhǎng)。由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，當(dāng)FBG所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其他物理量發(fā)生變化時(shí)，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(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)被測(cè)量變化前后反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。 溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的變化引起的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)調(diào)制原理式中，為外加應(yīng)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(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率neffl、neffr變化不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。磁場(chǎng)誘導(dǎo)的折射率變化為T(mén)dtndnnPPPnneffeffeffeffeffB2)(2121211122(10.28)2VHnnlreffeff(10.27)式中，V為弗爾德常數(shù)，H為被測(cè)磁場(chǎng)，為工作波長(zhǎng)。對(duì)應(yīng)的左右旋極化波中心反射波長(zhǎng)Bl和Br為：efflBeffBnnlrr22(10.29)通過(guò)測(cè)定B的漂移，就可得到磁場(chǎng)H的變化

5、信息。 此外，通過(guò)特定的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測(cè)量，也可同時(shí)測(cè)量。通過(guò)在光柵上涂覆特定的功能材料(如壓電材料)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)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(jié)構(gòu)是均勻的，對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè)量很有效，但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)量應(yīng)變或溫度沿光柵長(zhǎng)度的分布時(shí)，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(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)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(huì)引起光譜的展寬。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的

6、場(chǎng)合是非常有用的，惆啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)的拓寬和峰值波長(zhǎng)的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴(lài)性(dn/dT)僅影響重心的位置。通過(guò)同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。(3)長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理 長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)的周期一般有數(shù)百微米，長(zhǎng)度為1-30 cm，折射率調(diào)制深度遠(yuǎn)小于10-4。LPG在特定的波長(zhǎng)上把纖芯的光耦合進(jìn)包層:)()()(mmclcoLnnn(10.30)式中，nco為纖芯的折射率，ncl(m)為m階軸對(duì)稱(chēng)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(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)

7、很寬的波長(zhǎng)范圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長(zhǎng)主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)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(zhǎng)位移，通過(guò)檢測(cè)L，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長(zhǎng)上的共振帶的響應(yīng)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(zhǎng)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(shù)比較復(fù)雜，近來(lái)人們研究了各種波長(zhǎng)分析器以完成B位移的檢測(cè)。關(guān)于波長(zhǎng)調(diào)制的解調(diào)方法很多，主要有光譜分析法、波長(zhǎng)掃描法、光學(xué)濾波法和相干法等。下面對(duì)這些解調(diào)方法做簡(jiǎn)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(jì)分光，由CCD探測(cè)

8、器檢測(cè)不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)分布，一旦B偏移，光強(qiáng)分布即發(fā)生變動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算分析即可計(jì)算出相應(yīng)的B偏移量或它所對(duì)應(yīng)的被測(cè)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(zhǎng)B的參考點(diǎn)。其特點(diǎn)是利用B光被FBG反射后傳輸光譜中將失去該波長(zhǎng)成分而形成譜谷，用光譜分析儀測(cè)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(cè)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(cè)法示意

9、圖光譜分析檢測(cè)法示意圖(2)波長(zhǎng)掃描法 波長(zhǎng)掃描法是一種極具前途的光波長(zhǎng)調(diào)制的解調(diào)方法，基本原理是用一波長(zhǎng)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(guò)調(diào)諧激光的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行光譜掃描。由于FBG僅對(duì)滿足式B=2neff的單一波長(zhǎng)進(jìn)行反射，因此也只有當(dāng)=B時(shí)，后向B反射光才在探測(cè)器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出，通過(guò)可調(diào)諧濾波器將窄帶光源的中心波長(zhǎng)鎖定在該狀態(tài)即可測(cè)知B。當(dāng)B受被測(cè)量調(diào)制偏移至B時(shí)，光源L的波長(zhǎng)亦隨之調(diào)諧至=B。 也可設(shè)置一個(gè)參數(shù)與傳感FBG完全相同的參考FBG，通過(guò)調(diào)諧參考光柵的布拉格B長(zhǎng)追蹤傳感FBG的中心波長(zhǎng)，直至兩光纖光柵的中心波長(zhǎng)相等時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)輸出，則參考

10、FBG的中心波長(zhǎng)值即為測(cè)得值,如圖10.44所示。這種方法可檢測(cè)靜態(tài)波長(zhǎng)偏移及低于100MHz的動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)偏移，測(cè)量分辨率較高。圖圖10. 4410. 44參考波長(zhǎng)掃描法示意圖參考波長(zhǎng)掃描法示意圖(3)光學(xué)濾波法 光學(xué)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(cè)量相應(yīng)的波長(zhǎng)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(zhǎng)附近掃描，F(xiàn)PF過(guò)零點(diǎn)輸出的波長(zhǎng)即為光纖光柵特征波長(zhǎng)13。可調(diào)諧F-P濾

11、波法可以用于絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量，也可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量。10.5.3 光纖光柵傳感器 如上所述，光纖光柵是一種波長(zhǎng)選擇反射器，反射信號(hào)的波長(zhǎng)會(huì)受施于光纖上的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)之為波長(zhǎng)位移。采用光纖光柵的溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，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(shù)中應(yīng)用前景十分廣泛，尤其是利用應(yīng)變敏感性可間接測(cè)量的物理量很多。 1.光柵光纖傳感器結(jié)構(gòu) 光柵光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)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(hào)良好的信噪比，一般可選用ELED.ELED耦合進(jìn)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(zhǎng)可選用850 nm、l300 nm、l550 nm。被測(cè)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(hào)通過(guò)3 dB光纖定向禍合器送到波長(zhǎng)鑒別器或波長(zhǎng)分析器，然后通過(guò)光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)做分析、儲(chǔ)存，按用戶(hù)規(guī)定的格式在計(jì)算機(jī)上顯示出被測(cè)量大小。圖10.27中的波長(zhǎng)鑒別器是波長(zhǎng)位移解調(diào)的核心，它包括另一個(gè)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(hào)通過(guò)第一個(gè)3 dB光纖禍合器后，再由第二個(gè)3 dB光纖禍合器一分為二，其中一部分由光探測(cè)器直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，另一部分經(jīng)干涉濾光片，再由光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，兩信號(hào)相除

13、即可得出B位移量，并表征出被測(cè)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(gè)FBG傳感器，寬帶光源照射光纖時(shí)，每個(gè)FBG反射回一個(gè)不同Bi的窄帶光波。通過(guò)單一通道實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)試信號(hào)的采集，這種技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于減少了測(cè)試數(shù)據(jù)采集設(shè)備所需的通道數(shù)量，從而降低了測(cè)試成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)物理量的分布(或準(zhǔn)分布)場(chǎng)值的測(cè)量。由于這種傳感系統(tǒng)檢測(cè)效率高，并易于形成傳感網(wǎng)絡(luò)，為其實(shí)際應(yīng)用開(kāi)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(luò)原理圖光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)原理圖 3.光纖

14、光柵傳感網(wǎng)絡(luò) 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)，多個(gè)傳感器按照一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過(guò)同一個(gè)光電終端來(lái)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。典型的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(hào)處理系統(tǒng)四個(gè)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(kāi)關(guān)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)切換各個(gè)通道，互相并無(wú)串?dāng)_。 各個(gè)通道可以采用相同波長(zhǎng)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(lái)的波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)禍合器和可調(diào)諧掃描濾波器后被光電探測(cè)器接收。當(dāng)傳感器陣列中某個(gè)傳感器所