光纖光柵傳感器應(yīng)用技術(shù)研究

摘要：分析光纖光柵解調(diào)的基本原理和常用解調(diào)方法的工作機(jī)理、性能和特點(diǎn)，從光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，介紹了光纖光柵傳感智能結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)波長解調(diào)方法如匹配解調(diào)法、可調(diào)諧激光器法、干涉法、濾波法等做了詳細(xì)的討論， 闡述了相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)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(yīng)用中所面臨的主要技術(shù)難題，分析現(xiàn)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的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖光柵，傳感解調(diào)，干涉，XPM

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷加大，新建的高樓、道路、橋梁、大壩幾乎遍地開花。對(duì)于這些建筑物健康狀況的傳感、測控成為一項(xiàng)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(shù)量級(jí)為THz，其頻帶范圍很寬，動(dòng)態(tài)范圍很大，不受電磁場干擾; 2)信號(hào)采用波長編碼，不受光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎損耗引起的隨機(jī)起伏和耦合損耗等因素的影響，對(duì)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(qiáng)的耐腐蝕能力；4)自定標(biāo)和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用;芯徑細(xì)且柔韌，易于布設(shè); 5)易于實(shí)現(xiàn)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(duì)光纖光柵傳感器的研究相對(duì)晚一些, 目前我國的光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用方面還遠(yuǎn)不能滿足國名經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)化為重點(diǎn)，目前對(duì)光纖光柵傳感器的研究方向主要有以下幾個(gè)方面：

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

2、對(duì)光柵反射信號(hào)或透射信號(hào)分析和測試系統(tǒng)的研究，目標(biāo)是開發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測技術(shù)；

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

4，開展各應(yīng)用領(lǐng)域的專業(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(yī)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(yīng)用的最主要障礙是傳感信號(hào)的解調(diào), 正在研究的解調(diào)方法很多, 但能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多, 且價(jià)格較高。光纖光柵的信號(hào)解調(diào)，即波長微小移位的檢測問題，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(yīng)變和應(yīng)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。通過檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度、應(yīng)變和壓力信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應(yīng)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?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模耦合到另一個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長為（Bragg波長）：式中為導(dǎo)模的有效折射率，為光柵周期。光纖光柵的Bragg波長是隨和而變化的，因此Bragg波長對(duì)于外界力、熱負(fù)荷等極為敏感。應(yīng)變和壓力影響B(tài)ragg波長是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應(yīng)引起的，而溫度影響B(tài)ragg波長是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。當(dāng)外界的溫度、應(yīng)力和壓力等參量發(fā)生變化時(shí)，Bragg波長的變化可表示為 。

2.1溫度靈敏度

溫度影響B(tài)ragg波長是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。假設(shè)均勻壓力場和軸向應(yīng)力場保持恒定，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為 。

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

2.2 應(yīng)變（力）靈敏度

應(yīng)變（力）影響B(tài)ragg波長是由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的。

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

由應(yīng)變引起的Bragg波長變化可表示為。

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(yīng)引起的。假設(shè)溫度場和軸向拉力保持恒定，光纖處于一個(gè)均勻壓力場P中，軸向應(yīng)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(diào)原理

3.1 匹配光柵解調(diào)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(xiàn)參考光柵對(duì)傳感光柵信號(hào)的解調(diào)法如圖一所示。輸出信號(hào)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(hào)，測量時(shí)調(diào)諧參考光柵，通過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移動(dòng)量，進(jìn)而推知待測量。該傳感方法結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，測試結(jié)果不受光源譜線包絡(luò)可能存在的精細(xì)結(jié)構(gòu)疊加的影響。其靜態(tài)軸向應(yīng)變分辨率約為

圖一 匹配光柵法解調(diào)原理圖

3.2 非平衡M-Z干涉解調(diào)法

相干解調(diào)法具有最高精度，用這種方法解調(diào)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(diào)法，如圖二所示：

圖二 非平衡M-Z干涉儀解調(diào)FBG波長原理圖

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過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，通過干涉儀把Bragg波長漂移量轉(zhuǎn)化為相位變化式中n為光纖的折射率，d為干涉儀的兩臂長度差。由上式可見，只要用相位計(jì)探測出相位的變化，便可得知波長的移動(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(hào)源產(chǎn)生）控制壓電陶瓷，以調(diào)節(jié)干涉儀的一個(gè)臂，使干涉儀輸出為一調(diào)制光，以信號(hào)源為參考用相位計(jì)檢測輸出信號(hào)的相位，因相位計(jì)可檢測±1800，故波長可檢測范圍寬。

實(shí)驗(yàn)表明，此方案具有低于納級(jí)相對(duì)應(yīng)變的傳感分辨率，當(dāng)所檢測的應(yīng)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(jī)相移的影響決定了該方案只能適應(yīng)于動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)中。

3.3 基于邁克耳遜干涉儀的解調(diào)法

邁克耳遜干涉解調(diào)原理如圖三所示：

圖三 邁克耳遜干涉儀解調(diào)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(gòu)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(zhuǎn)換、放大、濾波處理后的信號(hào)（干涉信號(hào)）與信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)（參考信號(hào)）一起進(jìn)入相位計(jì)檢測其相位，調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)（由圖中信號(hào)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(hào)變化的頻率與參考信號(hào)的頻率一致，此時(shí)相位計(jì)所顯示值與傳感光柵的波長移動(dòng)量呈現(xiàn)一定的關(guān)系。波長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(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變的能力，對(duì)工作環(huán)境要求不高，應(yīng)變分辨率為5.5，靈敏度為1.8o/。

3.4 XPM解調(diào)法

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

由兩個(gè)光纖耦合器及一定長度的光纖串聯(lián)構(gòu)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(qiáng)為：

其中,分別為兩臂的光振幅衰減系數(shù)，為兩臂的相位差。

由兩部分決定：XPM引入的非線性相移和兩臂的光程差引入的相移。

I. XPM產(chǎn)生的非線性相移：

II.兩臂光程差產(chǎn)生的相移：

得：

由上式可得如下結(jié)論：

I.信號(hào)光在兩個(gè)輸出端口的光強(qiáng)分布取決于信號(hào)光的波長和對(duì)信號(hào)光產(chǎn)生交叉相位調(diào)制的輔助光的強(qiáng)度。

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

式中和是未知量且存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)整至兩輸出臂光強(qiáng)相等時(shí)，CPU通過輔助光強(qiáng)度可計(jì)算出FBG的中心波長，并顯示給液晶顯示屏或發(fā)送到PC機(jī)。

4 總結(jié)

自光纖光柵(FBG) 出現(xiàn)以來，光纖光柵傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到民用工程領(lǐng)域。解調(diào)技術(shù)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接決定了傳感系統(tǒng)的性能，人們發(fā)展了許多用于波長編碼的解調(diào)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(diào)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，其中干涉法解調(diào)方案，以其分辨率高、易于實(shí)現(xiàn)多路解調(diào)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單等優(yōu)點(diǎn),故此方案被廣泛應(yīng)用于光纖光柵波長移位的檢測中。

張錦龍（1977.5—），男，在讀博士，講師，河南開封人，現(xiàn)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。