光纤光栅的检测技术.ppt

1、光纤光栅信号解调技术，信号检测是传感系统中的关键技术之一。传感解调系统的本质是信息(能量)转换和传输的检测系统。它能准确、快速地测量信号的幅度，并无失真地再现被测信号随时间的变化过程。被测信息(动态或静态)不仅要准确测量其幅值，还要记录和跟踪其整个变化过程。从解调光信号的角度来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调。其中，波长解调技术具有许多优点，如传感信息的波长编码、中心波长的窄带反射、无需补偿光纤连接器和耦合器的损耗以及光源输出功率的波动等。如图所示，在传感过程中，光源发出的光波通过传输通道进入传感光栅，传感光栅在外场(主要是应力和温度)的作用下

2、调制光波；然后，具有外部场信息的调制光波被传感光栅反射(或透射)，通过连接器进入接收通道，并被检测器接收、解调和输出。因为探测器接收的光谱包含外场信息，外场信息的详细描述可以从光谱分析和探测器探测到的相关变化中获得。相比之下，基于反射的传感解调系统更容易实现。光纤光栅传感解调系统，波长漂移检测方案。由此可见，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长漂移。通常，光的波长是用光谱分析仪测量的，包括单色仪和傅里叶变换光谱仪。它的波长测量范围宽，分辨率高，可以测量微小应变，并且非常简单，便于分布式测量。然而，它体积大，价格昂贵，因此通常用于实验室，不适合实际现场使用。在实际应用中，必须利用光纤光栅的优良特

3、性，开发一种灵敏度高、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统，以取代实验室中的频谱分析仪，用于工程结构的现场测量和监测。目前，有几种典型的波长漂移检测方案：光谱仪和多波长计检测法、边缘滤波检测法、可调谐滤波检测法、匹配光栅检测法、波长可调谐光源解调法、CCD光谱仪检测法、非平衡M-Z干涉仪检测法等。1.分光计和多波长计检测方法在光纤光栅传感系统中，波长偏移最直接的检测方法是用宽带光源(如发光二极管)输入光纤光栅，然后用分光计(或多波长计)检测输出光的中心波长偏移，如图2所示。该方法结构简单、便携、耐用、使用方便、自动测试，在实验室中经常使用。光谱分析仪是一种检测光波光谱的仪器，其工

4、作原理如图所示。在光谱仪中，通过调节衍射光栅的角度，衍射光栅分离不同的波长，分离出的特定光波通过反射镜聚焦在光阑孔/探测器上；旋转衍射光栅可以扫描波长范围。用光谱仪测量，在光功率、信噪比和通道增益方面都可以得到理想的结果。测量波长时，分辨率可达0.001毫米，基本上可以满足光栅布拉格波长漂移的分辨率。多波长计的原理。如果需要更精确的波长测量，可以选择多波长计。其工作原理见图。在多波长测量仪中，利用光波的干涉效应增强同相光信号的原理来区分不同的光波。来自光纤的光信号通过分束器后，一部分被反射到固定反射镜，然后返回；另一部分被传输到可移动反射镜多波长计测量波长非常精确，分辨率为0.0004纳米，可

5、以看到系统的噪声平台，但在功率测量方面不如光谱分析仪。2.边缘滤波器检测方法，基于边缘滤波器的线性解调原理如图所示，该边缘滤波器输出光强的变化与波长漂移成正比，其滤波函数可表示为：(1)将传感光栅反射的含有波长漂移调制的光信号分成两个布拉格光栅，分别送入两个非平衡滤波器，经滤波后将两个光强分开，结果包含波长漂移信息。另一束光束通过线性滤波器，其滤波函数为公式(1)，然后被发送到检测器。反射光为光谱宽度的高斯分布，接收光强为公式中的is信号光强；红外参考光强度；光纤的反射率；线性滤波器的比例系数。从公式中可以看出，与直接测量值存在线性关系，由此可以得到动态值。该检测方法基于光强检测，适用于动态和

6、静态测量，具有良好的线性输出。测量范围与检测器的分辨率成正比。该方案的优点是采用了较好的补偿措施，能有效抑制光源输出功率波动、连接干扰和微弯干扰等不利因素，系统响应快、成本低、使用方便。在几米的测量范围内，系统有几十种分辨率。此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中光电探测器的信号电平很低，信噪比很低，会降低系统的测量分辨率，压缩测量的动态范围，提出了一种光纤光栅激光传感器，如图所示。该传感器由980/1550纳米波分复用器、1.5米掺铒光纤和光纤光栅组成光纤激光器。掺铒光纤的一端经过抛光和掺银，制成全反射镜，与光纤光栅一起构成光纤激光器的选频谐振腔。光纤激光器由980纳米掺钛蓝宝石激光器泵浦，工作波

7、长由光纤光栅决定。掺铒光纤激光器的荧光光谱如图右下方所示。当激发功率达到阈值功率(约2.7毫瓦)时，激光开始出现，当激发功率增加到4.9毫瓦时，输出纯激光。轴向应力作用在光纤光栅上，相应地改变了激光器的输出波长。同时，激光器可以输出足够强的光功率。然后将激光器的输出光送入线性比例检测器进行解调，测量光纤光栅的波长漂移。该方案提高了信噪比，应变测量分辨率为5.5。可调谐滤波器的检测方法(1)可调谐光纤FFP滤波器已广泛应用于传感光栅的信号解调，其中滤波器可以用L o r e n t z谱线形状的带通响应来描述，典型带宽为0.3nm，工作范围为几十纳米。 其长度可以通过压电陶瓷(PZ)精确地移动平

8、面镜之间的距离来改变，从而实现滤波器的调谐，如下图所示。 目前，可调谐FPF的扫描频率可达1千赫。该滤波器有两种工作模式：可以检测单个光栅的跟踪(闭环)模式；可以检测多个光栅的扫描模式。为了保证光纤光栅的反射信号始终被FFP检测到，FFP自由光谱区应大于光纤光栅的工作光谱区。谐波长度可调的光纤法布里-珀罗滤波器可以检测单个传感光栅的跟踪模式。(2)声光可调谐滤波器，声光可调谐滤波器(AOTF)是一种由射频(RF)驱动的固态光学滤波器，其AOTF波长调谐范围可宽至几毫米，时间响应可小于5千赫，光谱带宽窄。该器件可在多种模式下工作，如光谱仪、抖动滤波器和跟踪滤波器。如果宽带光源或光源g在AOTF使

9、用多个不同频率的射频信号，原则上可以实现多个光栅的并行检测。声光可调谐滤波器有两种工作模式，即扫描模式和锁定模式。在扫描模式下，AOTF由压控振荡器在感测波长范围内调节，并记录来自光栅的功率。在锁定模式下，检测系统使用反馈环路来跟踪特定的光栅波长，如图所示。频率偏差与滤波器透射率、光栅反射率和强度噪声无关。这种技术可以跟踪多光栅的波长，并在透射和反射结构中工作。声光可调谐滤波器检测传感光栅的原理，4匹配光栅检测方法，在检测端设置一个参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光栅附着在压电陶瓷芯片(PZT)上，由施加的扫描电压控制，如图所示。当传感光栅处于自由状态时，参考光栅的反射光最强，光电探测

10、器的输出信号幅度最高。此时，控制扫描信号发生器使其固定输出为零电平。当传感光栅感应到外界温度和应变时，它发生位移，使参考光栅的反射光强度降低，信号发生器工作，使参考光栅的输出再次达到初始值。此时，扫描电压对应于某个外部物理量。匹配光栅检测的优点是消除了双折射引起的随机噪声，即对光纤中的光偏振、相位等变量不敏感，对最终检测到的反射光强度没有绝对要求，所以各种强度噪声都不会影响输出结果。然而，该方案的缺点是：系统的光损耗大；系统的检测灵敏度由压电陶瓷的位移灵敏度决定，与光纤光栅的高灵敏度不匹配，压电陶瓷的非线性会影响输出结果。压电陶瓷的响应速度有限，因此该方法仅适用于测量静态或低频物理量。通过匹配

11、光栅检测方法对多个参考光栅进行波长扫描，可以形成波分复用光纤传感器网络。传感光栅的布拉格波长漂移由闭环控制系统自动跟踪，最小可检测应变为4.12。当光栅带宽窄至0.05纳米时，应变的最小分辨率提高到1；然而，如前所述，光栅的带宽变窄，反射信号也会减弱。5波长可调谐光源解调方法，可调谐窄带光源的调谐原理是将窄带可调谐光输入光纤光栅，周期性扫描其输出波长，得到光纤光栅的反射光谱(或透射光谱),每次扫描反射光最强时，从扫描电压就可以知道相应的波长值。如上图所示，高精度连续可调掺铒光纤激光器在1550纳米处探测传感光栅。检测系统受波长调谐范围2.3纳米的限制，可检测的最高温度为180；检测精度受压电陶瓷的精度限制，即2.3pm或0.18 m。该方案的最大优点是使用光纤激光器可以获得比宽带光源高得多的信噪比，并获得2.3pm的高分辨率；缺点是高精度的压电调谐器通常价格昂贵，调谐范围有限。此外，检测速度受到压电陶瓷响应时间和控制回路的限制。将PZT和AOTF的窄带可调谐光输入多个光纤光栅，周期性地扫描和改变其输出波长，以扫描每个光纤光栅的反射光谱。当反射光在相关波长域中最强时，可以从扫描电压中得知相应的波长值，从而实现WDM