分布式光纤光栅传感器波长检测技术

文章编号：1006-883X(2003)11-0001-05 分布式光纤光栅传感器波长检测新技术简述 李向舜 摘 要：本文阐述了光纤布拉格光栅温度应力传感器的工作原理及光栅中心波长的移动探测解调原理，以及分布式光纤光栅传感器解调的新方法，并且给出了其应用前景。 中图分类号：TP212.14 文献标识码：A 一、前言 　　近年来，光纤光栅在光纤通信以及光纤传感领域得到了很大的发展。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域的又一大热点。由于有波长解码、易构成分布式结构、抗电磁干扰强等特点，光纤光栅传感器（FBG）已经成为各种参量检测的重要的传感工具。 　　FBG传感器的关键技术无疑就是波长漂移的检测。到现在为止，出现了各种各样的检测方法，包括光谱仪检测法、匹配光栅法、可调谐Fabry-Perot法、非平衡Mach-Zehnder干涉仪跟踪法、可调谐光源法等等。随着光通信领域中OTDM、DWDM等技术的发展，能实现多波长检测的分布式FBG波长检测技术已经出现，并且，它将会在实践中发挥越来越重要的作用。 二、分布式光纤光栅传感器反射波长检测方法 　　用光纤光栅构成的传感系统，由于传感量主要是以波长的微小位移为载体，所以其中应有精密的波长或波长变化检测装置。对光纤Bragg光栅的理论分析和实验研究表明，FBG的温度和应变灵敏度很小。在Bragg波长为1500nm时，典型的温度和应变灵敏度分别为0.011nm/℃和0.0012nm/me。因此，ΔlB （FBG的反射光波中心波长，亦称为特征波长）的检测精度直接限制了整个系统的检测精度，ΔlB的检测技术也就成为光纤光栅传感的关键技术之一。下面介绍几种信号解调技术。 　　1、光谱仪检测法 　　对光纤光栅传感器的波长移位最直接的检测 　　方法就是用光谱仪检测输出光的ΔlB ，如图1。 这种方法的优点是设备结构简单，适合实验室使用；缺点是以色散棱镜或衍射光栅为基础的传统光谱仪分辨率低，无法满足要求。虽然高分辨率的光纤光谱分析仪可以满足要求，但是这类光谱仪的价格昂贵，体积庞大，由此构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度。更为重要的是它不能直接输出对应波长变化的电信号，这对于测量结果的记录、存储和显示，以及提供给控制回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制都是极为不利的。 　　2、匹配光栅法 　　这种方法就是用一个与传感光纤Bragg光栅相匹配的接收光栅去跟踪传感光栅的波长变化，进行匹配滤波，由两个光栅相匹配时接收光栅的波长去推知传感光栅的波长。如图2所示，每个接收FBG通过各自的伺服系统与对应的传感FBG锁定在一起，构成传感/接收FBG对。所有的接收FBG串接在一起。接收FBG的Bragg波长仍然由PZT（压电陶瓷）的驱动电压控制，并且给每一个PZT的驱动电压引入一个不同频率的交流调制信号，这样光电探测器的输出就是一个包含不同频率分量的交流信号。当某一个传感光栅的波长由于外界物理量的变化而发生改变时，则包含该频率成分的交流信号的幅值就会下降，伺服系统就会改变相应PZT的驱动电压，使之重新达到匹配。图2中只画出了两个传感光栅，实际上能够在一根光纤中复用的最大传感器数目取决于被测物理量的最大范围和光源光谱带宽。 　　匹配光栅法的优点是结构简单，而且最终检测的反射光强无绝对要求，所以各类强度噪声都不会对输出结果有影响。 　　这种方法的不足之处，一是要求两个光栅严格匹配；二是受参考光栅应变量的限制，传感光栅的测量范围不能很大；三是PZT的响应速度有限，使这种方法只适用于测量静态或低频变化的物理量，对于声振动等频率较高的物理量，则能力有限。 　　3、应用光栅阵列波导光栅的分布式FBG的快速解调技术 　　应用AWG（阵列波导光栅）的分布式光纤光栅传感器波长解调的传感系统如图3所示。该解调系统由宽带光源、光路耦合器、阵列波导光栅AWG、多光电探测器/前置放大器、数据处理器/微计算机等部分组成。宽带光源发出的光经过耦合器、单模光纤进入到光纤Bragg光栅传感阵列，光纤Bragg光栅传感阵列的反射波长信号又经过耦合器进入到阵列波导光栅AWG中，而AWG本身的特性能将入射光分成不同波长的窄带到多个通道中。这里将FBG的各个波长之间分散一些，同时保证每一个FBG的中心波长lbi（1≤i≤n）随着被测量的变化范围都在相邻的AWG的两个通道的中心波长之间，也就是说lbi在lam 和lam+1之间，这样就能够避免解调时的相互干扰。同时每个窄带光通道中出来的光信号也就对应着一个光纤光栅传感器FBG。光电管PD的输出则经过前置放大器进入到数据处理器或者是高速微计算机中，我们通过计算机或处理器对前置放大器输出信号的检测就能确定相应光电管PD电流的变化量。正常情况下，各个通道的中心波长对应各个FBG的中心波长，一旦现场的温度或应力发生变化，那么相应FBG的反射中心波长就会发生漂移，而这会使反射光在相应通道中透过的光强也会发生变化（减弱）。当通道输出的光强减弱了，那么对应PD的电流就会减小，而这个微弱的变化量通过放大处理进入到数据处理器就可以被检测到了。 　　这种方法的优点是：精度高（0.5pm以上）；由于采用了阵列波导AWG技术，使得解调的速度大大提高。另外，这种方法可以检测大量的FBG。 　　4、使用双波长光纤Bragg光栅的时分复用传感系统 　　实验装置如图4所示，5个相同的双波长DWFBG（S1~S5）串在一起，每相邻的两个分别由D1~D4隔开来构成时分复用传感系统。Fabry-Perot激光管FP1、FP2用于产生双波长脉冲，FP1偏置在门限电压，PSG开关控制它的增益。FP2由直流驱动，其发出的激光经耦合器耦合后到FBG1和FBG2—FBG1和FBG2的Bragg波长调制成与传感阵FBG一样。由FBG1和FBG2反射回的光经耦合器2和极化控制器、隔离器1和耦合器1射入FP1，在光射入FP1过程中，双波长激光脉冲就产生了，于是激光脉冲通过隔离器2和耦合器3到达传感阵列。从传感阵列FBG中反射回的脉冲通过与PSG同步的光强调制器解复用，利用光谱分析仪OSA就能检测到解复用后的信号。这种方法的优点是波长解码，而且实现了分布式测量；缺点是精度还不够高，实际中的操作相对复杂。 　　5、应用波长扫描光纤激光器解调方法 　　波长扫描光纤激光器WSFL在目前的应用中能够准确的测量应力，在其腔体内有扫描可调谐滤波器，可及时连续反复地在几十个纳米的范围内扫描激光波长，实验装置如图5所示。WSFL带隔离器、耦合器和掺饵光纤（980nm泵浦）组成的单方向环路，作为内腔扫描滤波器的F-P可调谐滤波器带宽0.27nm，自由光谱范围是68nm（1512nm～1579nm）。通过三角波调制F-P滤波器来产生1525nm到1565nm的扫描波，并且频率是130Hz，输出的激光直接进入传感光栅阵列、参考光栅和F-P腔。这种方法的优点是提供了高功率信号、光源的范围可调谐和窄瞬间谱线宽；缺点是使用了F-P可调谐滤波器，激光器的输出相比于线性调制信号在扫描范围内呈现出非线性。 　　6、带光栅标尺的多个FBG传感系统 　　实验装置如图6所示，4个传感FBG（G1s-G4s）分布在一根单模光纤上，4个跟踪FBG（G1t-G4t）组成的阵列作为滤波器来跟踪从传感FBG反射回来的波长。系统应用一个光栅 标尺来读出系统的输出。从宽带光源发出的光（LED、53mw、3dB、1498nm～1559nm）发射到系统，通过耦合器到达传感FBG阵列。传感阵列FBG的Bragg波长平均分布在1498nm～1559nm之间，满足其条件的波长都被反射，经过耦合器到达跟踪阵列。跟踪FBG阵列由一个翻译装置调节，而翻译装置由PZT驱动，PZT又由三角波电压驱动，驱动电压信号的幅值是300V，周期是8s（可以减至1s）。在一个调节周期内，翻译装置将会挤压光栅标尺的检测头，使光栅标尺的输出很精确地与翻译装置的挤压量成正比。当跟踪光栅的波长与相应传感光栅的Braggg波长匹配时，相应的PD就会收到一个信号。这个信号是传感光栅和跟踪光栅反射波长光的叠加。当两个波长完全匹配时，这个信号就到达最大值。通过检测最大值时FBG的波长就可以测量传感FBG的波长偏移量，于是就可以通过计算机换算得到被测量的值。这种方法的优点是系统的精度高、测量范围大、稳定且容易调节；缺点是系统的速度不高、实时性不好。 三、工程应用 　　分布式光纤光栅传感器的应用范围非常广，在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程中都可以进行实时安全、温度及应变监测。 　　1、桥梁、建筑及大坝中的应用 　　光纤光栅形变传感器提供了一种用于公路及桥梁、建筑、堤坝的健康监测的方法，而且可为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实现动态测量，采用分布式埋入还可以实现对整个桥梁或建筑物的健康状况监测，从而防止工程及交通事故的发生。 　　2、在航空航天领域的应用 在航空航天领域，飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点。将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中，组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。波音公司（Boeing）在这方面进行了许多研究，并拥有许多专利技术。 　　3、在海洋石油平台及油田中的应用 　　海洋石油平台是海上石油资源开发的重要基础性设施，是海上生产作业和生活的基础。海洋平台结构所处环境十分复杂、恶劣，在环境的影响下，海洋平台结构的抗力衰减非常明显，而传统的电传感器只能进行单点测量，而且易受海水侵蚀而失效。相比之下，光纤光栅传感器对电磁场及电流免疫，而且可以构成分布传感网络，因此它可以应用于一些传统的电传感器不能应用的领域，如油田、天然气田及煤田等，用于探测储量及地层状况等。 　　四、结论 　　光纤光栅传感