- 探究光纖光柵傳感器的研究與應用
- 采用雙參量矩陣法和溫度參考光柵法
- 采用溫度(應力)補償法和光強測溫法
近年來(lái)。隨著(zhù)光纖通信技術(shù)向著(zhù)超高速、大容量通信系統的方向發(fā)展，以及逐步向全光網(wǎng)絡(luò )的演進(jìn)．在光通信迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，光纖光柵已成為發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)光源器件之一。光纖在紫外光強激光照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性．光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應的變化。這樣，在光纖軸向上就會(huì )形成周期性的折射率波動(dòng)，即為光纖光柵。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩定可靠、易與系統及其它光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長(cháng)周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發(fā)，綜述了光纖布拉格光柵對溫度、應變同時(shí)測量技術(shù)的應用。
1 光纖傳感器的工作原理
1．1 光纖光柵傳感器的結構
光纖布拉格光柵FBG于1978年發(fā)明問(wèn)世。它利用硅光纖的紫外光敏性寫(xiě)入光纖芯內，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱(chēng)為光纖光柵。圖l所示是其光纖光柵傳感器的典型結構。
在圖1所示的光纖光柵傳感器結構中，光源為寬譜光源且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號良好的信噪比。一般選用側面發(fā)光二極管ELED的原因是其耦合進(jìn)單模光纖的光功率至少為50～100 μW。而當被測溫度或壓力加在光纖光柵上時(shí)。由光纖光柵反射回的光信號可通過(guò)3 dB光纖定向耦合器送到波長(cháng)鑒別器或波長(cháng)分析器，然后通過(guò)光探測器進(jìn)行光電轉換，最后由計算機進(jìn)行分析、儲存，并按用戶(hù)規定的格式在計算機上顯示出被測量的大小。
光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部?jì)?yōu)點(diǎn)外．還具有在一根光纖內集成多個(gè)傳感器復用的特點(diǎn)，并可實(shí)現多點(diǎn)測量功能。
1．2 光纖布拉格光柵原理
光纖布拉格光柵通常滿(mǎn)足布拉格條件
式中，λB為Bragg波長(cháng)，n為有效折射率，A為光柵周期。
當作用于光纖光柵的被測物理量(如溫度、應力等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì )引起n和A的相應改變，從而導致λB的漂移；反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測λB的漂移。也可得知被測物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應力的準分布式測量上。溫度和應力的變化所引起的λB漂移可表示為：
式中，ε為應力，P[i，j]為光壓系數，v為橫向變型系數(泊松比)，α為熱脹系數，△T為溫度變化量。一般情況下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因子的典型值為0．22，可以推導出常溫和常應力條件下的FBG溫度和應力相應條件值為：
利用磁場(chǎng)誘導的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現對磁場(chǎng)的直接測量。如通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現對電場(chǎng)等物理量的間接測量。
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1．3 長(cháng)周期光纖光柵
長(cháng)周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長(cháng)周期光柵的透射峰波長(cháng)主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：
式中。Λ為光柵周期，*****分別為纖芯和包層的折射率。*****為第P階包層模的透射波長(cháng)。當光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，被測因素的變化將對光纖的傳輸特性進(jìn)行調制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測出LPG透射譜線(xiàn)的變化，即可推知被測變量的變化，這就是LPG傳感的基本原理。
1．4 分布式光纖光柵傳感系統
目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統也是一個(gè)重要的研究重點(diǎn)。分布式FBG傳感系統是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，每個(gè)光柵的工作波長(cháng)相互分開(kāi)，在經(jīng)過(guò)3 dB耦合器取出反射后，再用波長(cháng)探測解調系統同時(shí)對多個(gè)光柵的波長(cháng)偏移進(jìn)行測量，從而檢測出相應被測量的大小和空間分布。
分布式光纖傳感系統是一種傳感器網(wǎng)絡(luò )，它可以從整體上對被測對象的有關(guān)物理量的變化時(shí)間、位置進(jìn)行監控。通過(guò)對分布式光纖傳感器、執行結構、信號處理系統、傳輸系統和控制系統的結合，可形成一個(gè)智能結構。目前，分布式光纖傳感系統通常有拉曼型、布里淵型和FBG型三種類(lèi)型。
2 溫度和應變交叉敏感分離技術(shù)
實(shí)現應變和溫度同時(shí)測量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長(cháng)矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應力)補償法和光強測溫法等幾種技術(shù)。
2．1 雙波長(cháng)矩陣法
雙波長(cháng)矩陣法是出現較早而且目前應用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過(guò)一定方式在一個(gè)傳感頭中獲得兩個(gè)不同的布拉格波長(cháng)，并通過(guò)檢測這兩個(gè)布拉格波長(cháng)的位移來(lái)實(shí)現溫度不敏感測量或應變及溫度的同時(shí)測量。如果λ1、λ2同時(shí)對兩被測量比較敏感。且波長(cháng)漂移隨溫度和應變的變化為線(xiàn)性，溫度和應變變化獨立或只有微弱擾動(dòng)，則由下式可得：
式中，kTi為布拉格波長(cháng)的應變靈敏系數，它與光纖泊松比、彈光系數和纖芯有效折射率有關(guān)；kTi為布拉格波長(cháng)的溫度靈敏系數，它與熱膨脹系數和熱光系數有關(guān)。目前，雙波長(cháng)矩陣法在溫度和應力區分測量方面主要有參考光柵法、雙波長(cháng)重疊FBG法和雙直徑FBG法等。
2．2 雙參量矩陣法
雙參量矩陣法是運用各種方法將溫度和應力對同一光波的影響分別作用于該光波的不同參量上，然后推導出對應關(guān)系，以實(shí)現應力和溫度的區分測量。近年來(lái)，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問(wèn)題解決方案。如混合FBG／長(cháng)周期光柵法、二次諧波法、超結構光柵法等。
2．3 溫度參考光柵法
該方法是選用2個(gè)相同參數的FBG對同一測量點(diǎn)進(jìn)行測量，是用兩個(gè)相互相鄰且中心波長(cháng)相同的FBG組成一個(gè)傳感探頭，其中FBGl的長(cháng)度L1大于FBG2的長(cháng)度L2，為了區分兩光柵的反射信號，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。
2．4 溫度(應力)補償法
其實(shí)，目前研究較多的還是溫度補償法。該方法主要通過(guò)某種方法或裝置先將溫度擾動(dòng)引起的波長(cháng)漂移剔除掉，從而使應變測量不受溫度的影響。近年來(lái)，國內外許多學(xué)者提出了關(guān)于FBG交叉敏感的問(wèn)題，主要考慮實(shí)現對溫度、應變同時(shí)測量的溫度補償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類(lèi)。
2．5 光強測溫法
光強測溫法是通過(guò)光強與待測點(diǎn)溫度的關(guān)系來(lái)確定溫度值，故可消除溫度對波長(cháng)移動(dòng)的影響。該方法需要特殊結構的FBG，而且需要利用特殊材料，同時(shí)對解調方案也有相應的要求。
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3 光纖光柵的應用
由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自G．Meltz等人首次報道將光纖布拉格光柵應用于傳感器以來(lái)，已經(jīng)在生物醫學(xué)、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結構等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
3．1 生物醫學(xué)應用
光纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應用于生物、醫學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內視以及用于實(shí)現彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國家都開(kāi)發(fā)出相應的產(chǎn)品。德國的科學(xué)家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設備。此外，利用OCT可以實(shí)現深度測量(～1mm)的優(yōu)勢，并已有實(shí)例應用于對生長(cháng)中的細胞進(jìn)行觀(guān)察和監測。
3．2 智能橋梁建筑材料應用
智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規工作的同時(shí)實(shí)現對其安全運轉、以及故障的實(shí)時(shí)監控。將光纖應用于橋梁測試中，可實(shí)現對橋梁鋼索的索力及預應力連續混凝土梁內部應力、應變特性的測量和測控，從而構成智能橋梁。加拿大的RoteST公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內部，對應變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監測；我國的繆延彪教授建立了一種新的波長(cháng)干涉儀試驗系統，該系統可實(shí)現較大范圍的絕對距離測量。
3．3 航天航空導航系統應用
上世紀90年代，Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗驗證了I-FOG原理，同時(shí)通過(guò)采用消偏結構、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度／剪切應力傳感器，來(lái)分辨溫度和剪切應力引起的布拉格波長(cháng)偏移，從而廣泛應用于空氣動(dòng)力學(xué)設備。
3．4 工礦企業(yè)系統
基于光纖的彈光效應，FBG器件的應力傳感器已被廣泛應用于應力監測中。在許多特殊場(chǎng)合，如核工業(yè)、化工、石油鉆探等都應用了監測傳感系統。據報道，2001年，美國CiDRA公司采用光纖布拉格光柵傳感器在加利福尼亞的Baker油田進(jìn)行了壓力測試，測程為0～103 MPa，準確度為±41．3 kPa，分辨率為2．06 kPa，可見(jiàn)其具有非常高的精度。法國Alstom公司鐵路部的Transport S．A．領(lǐng)導研制了一種安裝有FBG的智能型新型復合材料的轉向架。
4 結束語(yǔ)
近年來(lái)，隨著(zhù)光纖技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術(shù)得到了充分的發(fā)展和應用。由于其擁有獨特的自身優(yōu)勢，勢必會(huì )受到越來(lái)越多行業(yè)的重視，也必將在傳感領(lǐng)域中呈現出非常重要的地位。但是，許多光纖傳感中的關(guān)鍵技術(shù)仍處于實(shí)驗階段，距商業(yè)實(shí)用化階段還有一定的距離，因此，還需集中力量為光纖光柵研究成果的產(chǎn)業(yè)化繼續努力，更重要的是要促進(jìn)民族光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
