光纤光栅传感系统的现状及发展趋势

作者：禹大宽 乔学光 贾振安 王敏

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光 源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要求及分布式光纤传感密集布点对光源带宽要求，L波段的研究越来越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的带宽和功率。掺铒光源在温度稳定性方面比半导体光源提高2个数量级，同时，能提供较高的功率、宽的带宽和较长的使用寿命，因此，可以扩大光纤光栅传感器的测量范围，提高检测的信噪比。 1.2 光纤光栅传感器 光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即，多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。 多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅／F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG／LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅／F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。 单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。 1.3 信号解调 在光纤光栅传感系统中，信号解调一部分为光信号处理，完成光信号波长信息到电参量的转换；另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理，提取外界信息，并以人们熟悉的方式显示出来。其中，光信号处理，即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。光纤光栅传感器中心反射波长最直接的检测仪器是光谱仪。这种方法的优点是结构简单、使用方便。缺点是精度底、价格高、体积大，而且，不能直接输出对应于波长变化的电信号。因此，不能满足实用化自动控制的需要。为此，人们研究并提出了多种解调方法，以实现信号的快速、精确提取。可分为滤波法、干涉法、可调窄带光源法和色散法等。 滤波法包括体滤波法、匹配光栅滤波法、可调谐F-P滤波法。体滤波法的元件是波分复用器。工作原理是从耦合器出射的光分成等强度的两束，一束经与波长有关的滤波器滤波；另一束作为参考光束，两束出射光经过光电探测器变成电信号，经过处理消除光功率变化的影响，最后，得到与光纤光栅中心波长有关的输出值。该方法可以实现动态和静态参量的测量。分辨力为375x10-6，动态应变测量响应速度不超过100Hz匹配光栅滤波法是利用其他的FBG或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪FBG的波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。该方法结构简单、线性度好，分辨力可达0.4×10-6。该方法可以实现静态测量。但这种方法的不足之处是2个光栅要严格匹配，且传感光栅的测量范围不大。可调谐F-P滤波器法是传感阵列FBG的反射信号进入可调光纤F-P滤波器（FFP），调节FFP的透射波长至FBG的反射峰值波长时，滤波后的透射光强达到最大值，由FFP驱动电压—透射波长关系可得FBG的反射峰值波长。扫描加上扰动信号构成波长锁定闭环，其应力分辨力可达0.3×10-6。该解调法可实现动态和静态的测量。由于FFP滤波器腔的调谐范围很宽，可以实现多传感器的解调。但高精度FFP成本较高。 滤波解调法结构简单，但很难进一步提高其传感精度。干涉法却具有更高精度，可以大大提高传感分辨力。可调窄带光源解调法可获得很高的信噪比和分辨力，实验所得最小波长分辨力约为2.3pm，对应温度分辨力约为0.2℃，但由于目前的光纤激光器的稳定性及可调谐范围不太理想，在一定程度上限制了光纤光栅传感器的个数和使用范围。 2、光纤光栅传感系统的发展趋势 为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求，应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中，要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用实现分布式传感，如，美国的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可调激光扫描方法，利用时分技术，可以同时对四路光纤多达256个Bragg光栅进行查询。因此，未来的光纤光栅传感系统将能满足单点高精度的实时测量，又能适应网络化的准分布式的多点、多参量的测试要求，在未来的传感领域发挥更大的作用。 3、结束语 随着对光纤光栅传感系统的深入研究，其研究的重点：一是对传感器能同时感测应变和温度变化的研究；二是对信号解调系统的研究；三是对光纤光栅传感器的封装技术、温度补偿技术、光源稳定性、传感系统网络化等实际应用研究。特别是随着全光网络的发展，光纤光栅传感系统可以应用成熟的波分复用、时分复用和空分复用技术，以实现准分布式光纤传感，复用数目多、测量精度高、灵敏度高的光纤光栅系统网将会在生产领域中有更广泛的应用。 参考文献 [1] Falquier D G,Shaw H J,Digonnet M J F.A polarization-stable Er-doped superfluorescent fiber source including a Faraday rotator mirror[J].IEEE Photonics Technology Letters,2000,12(11):1465-1467. 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/5/2006)