光纤光栅传感器复用技术

1、光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术1 .光纤光栅信号解调技术信号检测是感测系统的重要技术之一，感测解调系统的本质是信息(能量)变换和传递的检测系统，可以准确、快速地测量信号幅度的大小，并无失真地再现被测量信号的时间变化过程。 被测量信息(动态或静态)不仅正确地测量其振幅，而且需要记录并跟踪其整个变化过程。从解调的光波信号来看，光纤光栅传感器信号的解调方式包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调、波长解调等。 其中，波长解调技术具有对感测到的信息进行波长编码，在中心波长进行窄带反射，光纤连接器和耦合器损耗，不需要补偿光源输出的波动等优点，被广泛应用。 如图1所示，在传感过程中，光源发

2、出的光波从传送路径经由连接器进入传感光栅，传感光栅通过外场(主要是应力和温度)调制光波，然后具有外场信息的调制光波被传感器衍射光栅反射(或透射)，通过连接器进入接收通道探测器接收到的频谱包含外场作用的信息，因此从探测器检测到的频谱分析和相关变化可以得到外场信息的详细描述。 相反，基于反射式的感测解调系统很容易实现。图1光纤光栅的传感解调系统如上所述，光纤光栅传感器的重要技术是测量其波长的移动。 通常，测定光的波长的是分光分析器，有单色仪和傅立叶变换分光器等。 波长的测量范围宽，分辨率高，能测量微小的应变量，也非常简单，但体积大，价格高，一般用于实验室，不适合实际现场使用。 在实际应用中，应该利

3、用光纤光栅的优异特性，开发一种高灵敏度、光能利用率高、稳定性高、性价比高的新型感测解调系统来代替研究室的光谱分析器，用于工程结构的现场实测和监测。目前，比较典型的波长移动检测方案有分光器和多波长计检测法、边缘滤波器检测法、可调滤波器检测法、匹配光栅检测法、波长可调光源解调法、CCD分光器检测法、非平衡M-Z干涉仪检测法等。1 .分光器和多波长计的检测法在光纤光栅感测系统中，最直接检测波长移位的方法是利用宽带光源(例如输入发光二极管LED )、光纤光栅，如图2所示，用分光器(或多波长计)检测输出光的中心波长偏移。 该法结构简单，具有便携性、耐久性、易用性、自动测试等特点，常用于实验室。图2宽光谱

4、输入分光器的检测图像频谱分析器是检测光波频谱的设备，其工作原理如图3所示。 在分光器中，调节衍射光栅的角度可以将衍射光栅分离为不同的波长，并且利用反射镜将分离的特定光波会聚到光圈孔径/检测器上的旋转衍射光栅可以扫描波长范围。 使用分光器测量，在光功率、信噪比、通道增益方面可以得到理想的结果，可以测量波长，分辨率达到0.001nm，几乎可以满足光栅Bragg波长偏移量的分辨率。如果需要更准确的波长测量，则选择多波长计，其工作原理如图4所示。 多波长计利用光波的干涉效应来增强同相光信号的原理来区分不需要的光波。 来自光纤的光信号在通过分束器后，一部分反射回固定反射镜，另一部分透过可动反射镜返回，这

5、两种相同且不同路径的光束在再汇合时，某一特定波长的光信号由于同相，干涉光强度增加，被检测器捕获。 通过微调可动反射镜，改变双光束的光路差，选择不使用光的扫描。 多波长计波长测量非常准确，分辨率达到0.0004nm，可以看到系统的噪声平台，但在功率测量方面比光谱分析器差。图3分光器的工作原理图4的多波长计的工作原理有些分光器用傅立叶变换分光法直接分析光纤Bragg光栅的波长光谱，如图5所示。 来自光栅阵列的反射光入射到光纤迈克尔逊干涉仪上，该干涉仪的一端被压电光纤延长器控制以改变相对光路。 当光路差为零时，检测器接收差拍信号。 在这种方法中，衍射光栅的反射离散波长带来明显的音频信号。 可以在外部

6、扰动场中调制该频率。 通过在相干长度的整个范围内基于光栅反射光谱的干涉图，实现了Michelson的光路差的扫描。 FFT分析器的分辨率为Hz，这表示等价的波长位移分辨率为0.015nm，或者变换为1550nm波长的失真分辨率为12。图5光纤Fourier变换光谱法的传感器光栅的检测原理光纤傅立叶变换光谱克服干涉波长位移检测中的检测范围的限制，提供相当高的波长分辨率，并在相干长度范围内获得基于光栅反射光谱的干涉图，从而如图5所示，实现了传感器光栅的波分复用。2 .边缘滤波检测法边缘滤波器的线性解调原理如图6所示，这种边缘滤波器的输出光强度的变化量与波长漂移量成比例(1)将从传感器光栅反射的包括

7、波长移位调制的光信号分成2份，分别发送到不平衡的滤波器，在通过滤波器后划分光强度，结果包含波长移位的信息。图6边缘滤波器的线性解调原理下图7所示的线性解调系统是利用体积光学线性边缘滤波器来测量失真场，因为该解调方式使用两个不平衡滤波器，所以也称为波束非平衡滤波器法。图7边缘滤波器线性解调系统的原理在图7中，从光纤布拉格光栅返回的光被均匀地划分为两束，一束被直接作为参考信号发送到探测器的另一束通过滤波函数(1)的线性滤波器被发送到探测器，并且反射光是具有光谱宽度的高斯分布，使得光接收强度在其幅度上被增加。(2)(3)(4)式中的信号光强度；基准光强度光纤的反射率线性滤波器的比例系数。从式中可以看

8、出，通过与直接测量值呈线性关系，可以求出动态值。该检测方法基于光强度检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成比例。 该方案的优点在于，采用较好的补偿措施，可以有效地抑制光源输出的起伏、连接干扰、微弯曲干扰等不利因素，并且系统反应快，成本低，使用方便，在数m的测量范围内，该系统具有几十个分辨率。 不足之处在于系统使用体积光学滤波元件，其测量精度严重影响了滤波器的准直和稳定性，便携性受到损害。 另外，在该系统中，耦合器光谱比的波动变化、光纤中的双折射等因素对测量结果的影响也无法消除。 例如，在光纤中双折射的影响下，其两偏振状态的权重比随机地变化，光强度比变化(5)

9、从上式可以看出，光纤的双折射的影响会使输出直接产生随机噪声。全光纤技术可以克服体积光学滤波器的上述缺点。 在图8中所示的线性解调系统中，使用光纤波分复用熔锥耦合器来代替体积光学滤波器，从光纤Bragg光栅返回的光被WDM耦合器分成两束，并且分别向光电检测器传送，其波长移位可以表示如下(6)式中，和分别是WDM耦合器两输出端的耦合比例系数。图8 WDM线性解调系统的原理该方案基于光强度检测，但全光纤解调方案也适用于动态、静态测量，系统失真和温度分辨率分别为和。 其特点是提供了全光纤、便携式传感解调系统的实现途径，具有结构紧凑、功耗低、价格低廉等优点，在相对高精度测量中，这是一种理想的解调方案。

10、此外，如果以上述两种方式采用光纤光栅传感器复用技术，则能够进行感测地址，检测更多的探针点。并且，在线性边缘滤波器检测方式中，由于光检测器的输出信号电平非常低，信噪比低，降低系统的测定分辨率，压缩测定的动态范围，提出了图9所示的光纤光栅激光传感器。图9的光纤光栅激光器该传感器由980/1550nm的波分多路复用器、1.5m掺杂铒光纤和光纤光栅构成了光纤激光器。 掺铒光纤的一端研磨渡银，制作全反射镜，与光纤光栅一起构成光纤激光器的选择谐振器。 以980nm的钛蓝宝石激光器为泵，光纤激光器的工作波长由光纤栅决定。 图右下显示的是添加铒的光纤激光器的荧光光谱图，激励功率达到阈值功率(约2.7mW )时

11、，开始出现激光，增加到4.9mW时，输出纯激光。 轴向应力作用于光纤光栅，相应地改变激光器的输出波长，同时激光器可输出足够强的光功率。 将激光器的输出光发送至线性标度探针进行解调，可以测量光纤光栅的波长位移。 该方案提高了测量信噪比，能达到的失真测量分辨率为5.5。3 .可调滤波器检测方法利用扫描光滤波器，例如可以使F a b r y-P e r o t(TFP )、声光调谐滤波器(AOTF )等进行调谐，从而可以追随感测光栅的波长变化。(1)可调整高次谐波波长的光纤fbby-pererot滤波器可调光纤FFP(FFP )可以用长光谱形状的带通响应来描述，典型的带宽为0.3nm，动作范围为几十

12、纳米，被限制在由两平面镜的距离决定的谐振间的自由光谱区(FSR )。滤波器的精度f是(7)其代表值是120。 其中是滤波器的带宽。压电陶瓷(PZ )准确地移动平面镜的间距，由此可以改变fbby-peoret腔的腔长，实现滤波器的调谐。 参见图10。 现在，可以调谐FPF的扫描频率是1kHz。 此滤波器有两种工作形式：能够检测单个光栅跟踪(闭环)模式的多个光栅的扫描模式。 FFP的自由光谱区域必须大于光纤光栅的光谱区域，以确保总是在FFP中检测到光纤光栅的反射信号。图10可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器可检测单一感测光栅的跟踪模式在上图所示的跟踪模式中，FFP被固定在压电陶瓷

13、上，构成可调谐的FFP，使得FFP的两端间距根据交流电信号的施加而变化。 在自由状态下，光纤光栅的反射波长处于FFP的中心波长，但此时FFP受到交流信号的调制，所以FFP的峰值的两侧位相位相反，因此输出成为2的交流光强度信号，与本征相混合而得到和3的输出，进而通过低通滤波器和积分器进行积分总输出保持零电平，该电平叠加在FFP的控制信号上形成闭环控制，并保持FFP的移位量为中心。 如果应变等外部因素作用于传感器光栅，则其反射中心波长会偏移，与FFP不匹配，FFP的输出成为交流光强度信号。 经过混合、低通滤波器积分后，产生直流输出，重叠在原交流信号上，强行拉伸FFP的移位中心，完成新的反馈锁定。

14、此时的输出控制电平与外部失真的大小对应，其符号与外部失真的方向对应。在波长扫描模式下操作的FFP可以用来检测多个传感器光栅单元，这些传感器单元的Bragg标称波长和操作波长不重叠，但是在光源和FFP的FSR的光谱包络范围内。 图11图示了一种用于可调节的FBRY-PERT滤波器同时检测多个光纤光栅的方案。图11可变高次谐波波长光纤fbby-pert滤波器检测512个传感器光栅的扫描模式图11中，由压电陶瓷驱动的，通过施加周期性电压以改变腔长度，周期性地滤波扫描特定区域的波长。 所选择的fbby-peorot滤波器具有与光纤braggragg光栅对应的带宽，施加的电压信号是均匀扫描的周期性锯齿波

15、滤光器在自由行程中进行波长扫描时的波长范围可以复盖传感器光栅及其感应偏置的所有Bragg波长，来自传感器光栅的信号在被滤波后，通过线性光电转换器被转换成电信号，被放大后输入到示波器中在这种情况下，由光电转换器、FBRY-PERT滤波器、锯齿波信号发生器、示波器构成的检测系统执行光纤光谱仪的功能，不仅能够依次调查测量范围内的各光纤Bragg光栅的传感器元件的波长信息，还能够检测到所测量的波长信息和移位前可以获得各传感器元件的波长位移量，利用位移量和测量之间的变化关系，来确定由对应的传感器元件测量的物理量的变化量，从而实现解调的目的。可调谐光纤fbby-pert扫描可以跟踪多条光纤光栅来构成波分复

16、用传感器网络，如图11中所示。 该布局的分辨率主要由FFP的细度决定，一般可以调谐FFP的细度在400以下。 该传感器网络的分辨率的代表值为nm(40nm的范围内)。(2)声光可调谐滤波器声光可调滤波器(AOTF )是由射频(RF )驱动的频率可调的固态光滤波器，其中AOTF的波长调谐范围最宽达几毫米，并且具有小于5kHz的窄光谱带宽。 所述装置可以按各种模式操作，例如分光计、抖动滤波器、跟踪滤波器等。 只要提供复盖整个工作范围的宽带光源和光源组，AOTF就可以应用于大规模光纤Bragg光栅阵列的波分复用。 在AOTF中，能够利用不同频率的多射频信号来实现原理上多光栅的并行检测。声光可调谐滤波器有扫描模式和锁定模式两种操作模式。 在扫描模式下，在压控振荡器(VCO )的感测波长范围中调整AOTF，并且在记录来自光栅的功率的锁定模式下，检测系统使用反馈环路来跟踪特定的光栅波长，如图12所示。 用于最大化跟踪误差信号对于给定光栅和AOTF带宽的