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(zhǎng)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(lái)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(guó)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(cè)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(chǎng)干擾; 2)信號(hào)采用波長(zhǎng)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(cè)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(guó)對(duì)光纖光柵傳感器的研究相對(duì)晚一些, 目前我國(guó)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(guó)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(cè)和高靈敏度、高分辨率、且能同時(shí)感測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)微小移位的檢測(cè)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(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(guò)檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)為（Bragg波長(zhǎng)）：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(zhǎng)是隨和而變化的，因此Bragg波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的變化可表示為 。

2.1溫度靈敏度

溫度影響B(tài)ragg波長(zhǎng)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(chǎng)和軸向應(yīng)力場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)和均勻壓力場(chǎng)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(zhǎng)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(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(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(cè)量成比例的載波。為了測(cè)出傳感光柵的信號(hào)，測(cè)量時(shí)調(diào)諧參考光柵，通過(guò)測(cè)量最大反射功率或最小透射功率便可測(cè)出傳感光柵的波長(zhǎng)移動(dòng)量，進(jìn)而推知待測(cè)量。該傳感方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度差。由上式可見，只要用相位計(jì)探測(cè)出相位的變化，便可得知波長(zhǎng)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(cè)輸出信號(hào)的相位，因相位計(jì)可檢測(cè)±1800，故波長(zhǎng)可檢測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)移動(dòng)量呈現(xiàn)一定的關(guān)系。波長(zhǎng)變化引起的相位改變可表示為

該裝置具有檢測(cè)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(zhǎng)、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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)輔助光強(qiáng)度可計(jì)算出FBG的中心波長(zhǎng)，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(lái)，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(zhǎng)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),故此方案被廣泛應(yīng)用于光纖光柵波長(zhǎng)移位的檢測(cè)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。