分布式光纤光栅传感器波长检测技能

二、散布式光纤光栅传感器反射波长检测办法

　　用光纤光栅构成的传感体系，因为传感量首要是以波长的细小位移为载体，所以其间应有精细的波长或波长改动检测设备。对光纤Bragg光栅的理论剖析和试验研讨标明，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。因而，ΔlB （FBG的反射光波中心波长，亦称为特征波长）的检测精度直接约束了整个体系的检测精度，ΔlB的检测技能也就成为光纤光栅传感的关键技能之一。下面介绍几种信号解调技能。

　　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

　　办法便是用光谱仪检测输出光的ΔlB ，如图1。 这种办法的长处是设备结构简略，合适试验室运用；缺陷是以色散棱镜或衍射光栅为根底的传统光谱仪分辨率低，无法满意要求。尽管高分辨率的光纤光谱剖析仪能够满意要求，可是这类光谱仪的价格昂贵，体积巨大，由此构成的体系缺少必要的紧凑性和结实度。更为重要的是它不能直接输出对应波长改动的电信号，这关于丈量成果的记载、存储和显现，以及供给给操控回路必要的电信号以抵达工业出产过程自动操控都是极为晦气的。

　　2、匹配光栅法

　　这种办法便是用一个与传感光纤Bragg光栅相匹配的接纳光栅去盯梢传感光栅的波长改动，进行匹配滤波，由两个光栅相匹配时接纳光栅的波长去推知传感光栅的波长。如图2所示，每个接纳FBG经过各自的伺服体系与对应的传感FBG确认在一起，构成传感/接纳FBG对。一切的接纳FBG串接在一起。接纳FBG的Bragg波长依然由PZT（压电陶瓷）的驱动电压操控，并且给每一个PZT的驱动电压引进一个不同频率的沟通调制信号，这样光电勘探器的输出便是一个包括不同频率重量的沟通信号。当某一个传感光栅的波长因为外界物理量的改动而发作改动时，则包括该频率成分的沟通信号的幅值就会下降，伺服体系就会改动相应PZT的驱动电压，使之从头抵达匹配。图2中只画出了两个传感光栅，实践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规模和光源光谱带宽。

　　匹配光栅法的长处是结构简略，并且终究检测的反射光强无肯定要求，所以各类强度噪声都不会对输出成果有影响。

　　这种办法的不足之处，一是要求两个光栅严厉匹配；二是受参阅光栅应变量的约束，传感光栅的丈量规模不能很大；三是PZT的响应速度有限，使这种办法只适用于丈量静态或低频改动的物理量，关于声振荡等频率较高的物理量，则才能有限。

　　3、运用光栅阵列波导光栅的散布式FBG的快速解调技能

　　运用AWG（阵列波导光栅）的散布式光纤光栅传感器波长解调的传感体系如图3所示。该解调体系由宽带光源、光路耦合器、阵列波导光栅AWG、多光电勘探器/前置扩大器、数据处理器/微计算机等部分组成。宽带光源宣布的光经过耦合器、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自身的特性能将入射光分红不同波长的窄带到多个通道中。这儿将FBG的各个波长之间涣散一些，一起确保每一个FBG的中心波长lbi（1≤i≤n）跟着被丈量的改动规模都在相邻的AWG的两个通道的中心波长之间，也便是说lbi在lam 和lam+1之间，这样就能够避免解调时的彼此搅扰。一起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的输出则经过前置扩大器进入到数据处理器或许是高速微计算机中，咱们经过计算机或处理器对前置扩大器输出信号的检测就能确认相应光电管PD电流的改动量。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作改动，那么相应FBG的反射中心波长就会发作漂移，而这会使反射光在相应通道中透过的光强也会发作改动（削弱）。当通道输出的光强削弱了，那么对应PD的电流就会减小，而这个弱小的改动量经过扩大处理进入到数据处理器就能够被检测到了。

　　这种办法的长处是：精度高（0.5pm以上）；因为选用了阵列波导AWG技能，使得解调的速度大大提高。别的，这种办法能够检测很多的FBG。

　　4、运用双波长光纤Bragg光栅的时分复用传感体系

　　试验设备如图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体系。Fabry-Perot激光管FP1、FP2用于发作双波长脉冲，FP1偏置在门限电压，PSG开关操控它的增益。FP2由直流驱动，其宣布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相同。由FBG1和FBG2反射回的光经耦合器2和极化操控器、隔离器1和耦合器1射入FP1，在光射入FP1过程中，双波长激光脉冲就发作了，所以激光脉冲经过隔离器2和耦合器3抵达传感阵列。从传感阵列FBG中反射回的脉冲经过与PSG同步的光强调制器解复用，使用光谱剖析仪OSA就能检测到解复用后的信号。这种办法的长处是波长解码，并且完成了散布式丈量；缺陷是精度还不够高，实践中的操作相对杂乱。

　　5、运用波长扫描光纤激光器解调办法

　　波长扫描光纤激光器WSFL在现在的运用中能够精确的丈量应力，在其腔体内有扫描可调谐滤波器，可及时接连重复地在几十个纳米的规模内扫描激光波长，试验设备如图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，自在光谱规模是68nm（1512nm～1579nm）。经过三角波调制F-P滤波器来发作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、参阅光栅和F-P腔。这种办法的长处是供给了高功率信号、光源的规模可调和谐窄瞬间谱线宽；缺陷是运用了F-P可调谐滤波器，激光器的输出比较于线性调制信号在扫描规模内呈现出非线性。

　　6、带光栅标尺的多个FBG传感体系

　　试验设备如图6所示，4个传感FBG（G1s-G4s）散布在一根单模光纤上，4个盯梢FBG（G1t-G4t）组成的阵列作为滤波器来盯梢从传感FBG反射回来的波长。体系运用一个光栅 标尺来读出体系的输出。从宽带光源宣布的光（LED、53mw、3dB、1498nm～1559nm）发射到体系，经过耦合器抵达传感FBG阵列。传感阵列FBG的Bragg波长均匀散布在1498nm～1559nm之间，满意其条件的波长都被反射，经过耦合器抵达盯梢阵列。盯梢FBG阵列由一个翻译设备调理，而翻译设备由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（能够减至1s）。在一个调理周期内，翻译设备将会揉捏光栅标尺的检测头，使光栅标尺的输出很精确地与翻译设备的揉捏量成正比。当盯梢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盯梢光栅反射波长光的叠加。当两个波长彻底匹配时，这个信号就抵达最大值。经过检测最大值时FBG的波长就能够丈量传感FBG的波长偏移量，所以就能够经过计算机换算得到被丈量的值。这种办法的长处是体系的精度高、丈量规模大、安稳且简单调理；缺陷是体系的速度不高、实时性欠好。

三、工程运用

　　散布式光纤光栅传感器的运用规模十分广，在桥梁、修建、海洋石油渠道、油田及航空、大坝等工程中都能够进行实时安全、温度及应变监测。

　　1、桥梁、修建及大坝中的运用

　　光纤光栅形变传感器供给了一种用于公路及桥梁、修建、堤堰的健康监测的办法，并且可为监测交通东西的速度、载重及品种供给很重要的数据。这种传感器的丈量精度能够抵达几个微应变级，具有很好的可靠性，可完成动态丈量，选用散布式埋入还能够完成对整个桥梁或修建物的健康情况监测，然后避免工程及交通事故的发作。

　　2、在航空航天范畴的运用

在航空航天范畴，飞翔安满是人们十分重视的一个方面。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高级长处。将光纤光栅埋入飞翔器或许发射塔结构中，组成散布式智能传感网络，能够对飞翔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讨，并具有许多专利技能。

　　3、在海洋石油渠道及油田中的运用

　　海洋石油渠道是海上石油资源开发的重要根底性设备，是海上出产作业和日子的根底。海洋渠道结构所在环境十分杂乱、恶劣，在环境的影响下，海洋渠道结构的抗力衰减十分显着，而传统的电传感器只能进行单点丈量，并且易受海水腐蚀而失效。比较之下，光纤光栅传感器对电磁场及电流免疫，并且能够构成散布传感网络，因而它能够运用于一些传统的电传感器不能运用的范畴，如油田、天然气田及煤田等，用于勘探储量及地层情况等。

　　四、定论

　　光纤光栅传感器具有十分共同的技能优势，能够运用于各种传感范畴，跟着通信业的开展，其本钱必然会越来越低，也必将发挥越来越大的效果。国内关于光纤光栅传感的研讨开发现已取得了必定的成果，下一步将是怎么将之商品化、工程化的问题，处理妥当，会对传感范畴具有十分重要的含义。