光纖光柵傳感器應用技術(shù)研究

摘要：分析光纖光柵解調的基本原理和常用解調方法的工作機理、性能和特點(diǎn)，從光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢出發(fā)，介紹了光纖光柵傳感智能結構的優(yōu)點(diǎn)，對波長(cháng)解調方法如匹配解調法、可調諧激光器法、干涉法、濾波法等做了詳細的討論， 闡述了相應的系統設計方案，并對各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。提出光纖光柵傳感器在實(shí)際應用中所面臨的主要技術(shù)難題，分析現有的解決方案，討論光纖光柵傳感器在進(jìn)一步實(shí)用化中需要解決的難題及其未來(lái)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：光纖光柵，傳感解調，干涉，XPM

1 引言

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，我國基礎設施建設的規模不斷加大，新建的高樓、道路、橋梁、大壩幾乎遍地開(kāi)花。對于這些建筑物健康狀況的傳感、測控成為一項重要課題。加拿大通信中心的Hill K O等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫(xiě)入法制成光纖Bragg光柵( FBG)。使得光纖光柵傳感器和傳感技術(shù)成為科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。光纖光柵具有幾個(gè)突出主要優(yōu)點(diǎn): 1)光的頻率數量級為T(mén)Hz，其頻帶范圍很寬，動(dòng)態(tài)范圍很大，不受電磁場(chǎng)干擾; 2)信號采用波長(cháng)編碼，不受光源強度的起伏、光纖微彎損耗引起的隨機起伏和耦合損耗等因素的影響，對環(huán)境干擾不敏感；3)光纖光柵的材料是二氧化硅，具有較強的耐腐蝕能力；4)自定標和易于在同一根光纖內集成多個(gè)傳感器復用;芯徑細且柔韌，易于布設; 5)易于實(shí)現大面積分布式測量。因此，光纖光柵傳感器具有推動(dòng)光纖光柵傳感器進(jìn)入前沿發(fā)展的潛力。

我國對光纖光柵傳感器的研究相對晚一些, 目前我國的光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規模推廣應用方面還遠不能滿(mǎn)足國名經(jīng)濟發(fā)展的需求。因此，近期的光纖傳感技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化特點(diǎn)是以成熟的光纖通信技術(shù)向光纖傳感技術(shù)轉化為重點(diǎn)，目前對光纖光柵傳感器的研究方向主要有以下幾個(gè)方面：

1、對傳感器本身及進(jìn)行橫向應變感測和高靈敏度、高分辨率、且能同時(shí)感測應變和溫度變化的傳感器研究；

2、對光柵反射信號或透射信號分析和測試系統的研究，目標是開(kāi)發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測技術(shù)；

3、對光纖光柵傳感器的實(shí)際應用研究，包括封裝技術(shù)、溫度補償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

4，開(kāi)展各應用領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)化成套傳感技術(shù)的研發(fā)，如航空航天、航海、土木工程、醫學(xué)和生物、電力工業(yè)、核工業(yè)及化學(xué)和環(huán)境等。

目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調, 正在研究的解調方法很多, 但能夠實(shí)際應用的解調產(chǎn)品并不多, 且價(jià)格較高。光纖光柵的信號解調，即波長(cháng)微小移位的檢測問(wèn)題，是光纖光柵傳感器能否實(shí)用化的關(guān)鍵。

2 光纖光柵傳感原理

溫度、應變和應力的變化會(huì )引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射和透射譜發(fā)生變化。通過(guò)檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應的溫度、應變和壓力信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應變和壓力的基本原理。由耦合模理論可知，均勻的、非閃耀光纖Bragg光柵可將其傳輸的一個(gè)導模耦合到另一個(gè)沿相反方向傳輸的導模而形成窄帶反射，峰值反射波長(cháng)為（Bragg波長(cháng)）：式中為導模的有效折射率，為光柵周期。光纖光柵的Bragg波長(cháng)是隨和而變化的，因此Bragg波長(cháng)對于外界力、熱負荷等極為敏感。應變和壓力影響B(tài)ragg波長(cháng)是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應引起的，而溫度影響B(tài)ragg波長(cháng)是由于熱膨脹效應和熱光效應引起的。當外界的溫度、應力和壓力等參量發(fā)生變化時(shí)，Bragg波長(cháng)的變化可表示為 。

2.1溫度靈敏度

溫度影響B(tài)ragg波長(cháng)是由熱膨脹效應和熱光效應引起的。假設均勻壓力場(chǎng)和軸向應力場(chǎng)保持恒定，由熱膨脹效應引起的光柵周期變化為 。

式中為光纖的熱膨脹系數。Bragg波長(cháng)的變化與溫度之間的變化有良好的線(xiàn)性關(guān)系。

2.2 應變（力）靈敏度

應變（力）影響B(tài)ragg波長(cháng)是由于光柵周期的伸縮和彈光效應引起的。

假設光纖光柵僅受軸向應力作用，溫度場(chǎng)和均勻壓力場(chǎng)保持恒定。軸向應力引起光柵的柵距改變，即：

由應變引起的Bragg波長(cháng)變化可表示為。

2.3 壓力靈敏度

壓力影響也是由光柵周期的伸縮和彈光效應引起的。假設溫度場(chǎng)和軸向拉力保持恒定，光纖處于一個(gè)均勻壓力場(chǎng)P中，軸向應變會(huì )使光柵的柵距改變，即：

有效折射率的變化為：

其壓力靈敏度為：

由于摻雜成分和摻雜濃度的不同，各種光纖光柵的壓力靈敏度差別較大。

3 解調原理

3.1 匹配光柵解調原理

利用一個(gè)與傳感光柵呈匹配關(guān)系的參考光柵，實(shí)現參考光柵對傳感光柵信號的解調法如圖一所示。輸出信號的位相是與被測量成比例的載波。為了測出傳感光柵的信號，測量時(shí)調諧參考光柵，通過(guò)測量最大反射功率或最小透射功率便可測出傳感光柵的波長(cháng)移動(dòng)量，進(jìn)而推知待測量。該傳感方法結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，測試結果不受光源譜線(xiàn)包絡(luò )可能存在的精細結構疊加的影響。其靜態(tài)軸向應變分辨率約為

圖一 匹配光柵法解調原理圖

3.2 非平衡M-Z干涉解調法

相干解調法具有最高精度，用這種方法解調可以大大提高傳感分辨率。1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解調法，如圖二所示：

圖二 非平衡M-Z干涉儀解調FBG波長(cháng)原理圖

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器入射到傳感光柵上，被反射后送入非平衡M-Z干涉儀，通過(guò)干涉儀把Bragg波長(cháng)漂移量轉化為相位變化式中n為光纖的折射率，d為干涉儀的兩臂長(cháng)度差。由上式可見(jiàn)，只要用相位計探測出相位的變化，便可得知波長(cháng)的移動(dòng)量，另外，為了抵消直流零點(diǎn)漂移，可以利用一鋸齒型電壓（由圖中的信號源產(chǎn)生）控制壓電陶瓷，以調節干涉儀的一個(gè)臂，使干涉儀輸出為一調制光，以信號源為參考用相位計檢測輸出信號的相位，因相位計可檢測±1800，故波長(cháng)可檢測范圍寬。

實(shí)驗表明，此方案具有低于納級相對應變的傳感分辨率，當所檢測的應變振源頻率為10HZ時(shí)，分辨率為2n/ ,振源頻率為500Hz時(shí)，分辨率為0.6n。

此方案具有寬帶寬、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但其隨機相移的影響決定了該方案只能適應于動(dòng)態(tài)解調系統中。

3.3 基于邁克耳遜干涉儀的解調法

邁克耳遜干涉解調原理如圖三所示：

圖三 邁克耳遜干涉儀解調原理圖

寬帶光源發(fā)出的光由耦合器進(jìn)入傳感光柵，經(jīng)其反射后進(jìn)入由兩鏡面及光纖構成的邁克耳遜干涉儀，由3dB耦合器一端輸出干涉光，再經(jīng)光電轉換、放大、濾波處理后的信號（干涉信號）與信號發(fā)生器的信號（參考信號）一起進(jìn)入相位計檢測其相位，調整驅動(dòng)信號（由圖中信號發(fā)生器發(fā)出的）的幅值及其直流電平的大小，使干涉信號變化的頻率與參考信號的頻率一致，此時(shí)相位計所顯示值與傳感光柵的波長(cháng)移動(dòng)量呈現一定的關(guān)系。波長(cháng)變化引起的相位改變可表示為

該裝置具有檢測動(dòng)態(tài)和準靜態(tài)應變的能力，對工作環(huán)境要求不高，應變分辨率為5.5，靈敏度為1.8o/。

3.4 XPM解調法

XPM是指由不同波長(cháng)、傳輸方向或偏振態(tài)的光波共同傳輸時(shí)，一種光場(chǎng)引起另一種光場(chǎng)的非線(xiàn)性相移。非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)中，XPM可表現為其折射率對光強的依賴(lài)關(guān)系。

由兩個(gè)光纖耦合器及一定長(cháng)度的光纖串聯(lián)構成一個(gè)全光纖M—Z干涉儀。如圖四所示:

圖四 反饋控制的M-Z干涉儀

M-Z干涉儀的輸出端口的光強為：

其中,分別為兩臂的光振幅衰減系數，為兩臂的相位差。

由兩部分決定：XPM引入的非線(xiàn)性相移和兩臂的光程差引入的相移。

I. XPM產(chǎn)生的非線(xiàn)性相移：

II.兩臂光程差產(chǎn)生的相移：

得：

由上式可得如下結論：

I.信號光在兩個(gè)輸出端口的光強分布取決于信號光的波長(cháng)和對信號光產(chǎn)生交叉相位調制的輔助光的強度。

II.信號光在兩個(gè)輸出端口的光強分布隨呈余弦變化，且在時(shí)光強隨波長(cháng)變化靈敏度最高，時(shí)靈敏度為零。

式中和是未知量且存在一一對應關(guān)系，因此當反饋網(wǎng)絡(luò )調整至兩輸出臂光強相等時(shí)，CPU通過(guò)輔助光強度可計算出FBG的中心波長(cháng)，并顯示給液晶顯示屏或發(fā)送到PC機。

4 總結

自光纖光柵(FBG) 出現以來(lái)，光纖光柵傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展，并逐漸應用到民用工程領(lǐng)域。解調技術(shù)是光纖光柵傳感系統的關(guān)鍵，直接決定了傳感系統的性能，人們發(fā)展了許多用于波長(cháng)編碼的解調技術(shù)，可降低成本，方便快捷。本文就已有的光纖光柵傳感器解調技術(shù)進(jìn)行了總結，其中干涉法解調方案，以其分辨率高、易于實(shí)現多路解調、結構相對簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),故此方案被廣泛應用于光纖光柵波長(cháng)移位的檢測中。

張錦龍（1977.5—），男，在讀博士，講師，河南開(kāi)封人，現就讀于北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，主要從事光纖傳感、光纖通信方面的研究，感興趣的方向有：光纖光柵傳感、光放大、光交換。