光纖布拉格光柵理念原理

利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

當(dāng)今光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號(hào)傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)傳感器需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過同一個(gè)光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感信號(hào)的探測、識(shí)別和解調(diào)的功能。在此以光纖布拉格光柵傳感器及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為典例作說明。

應(yīng)用光纖布拉格光柵傳感器對與溫度和應(yīng)變相關(guān)的物理量進(jìn)行測量是目前監(jiān)控領(lǐng)域中先進(jìn)的傳感技術(shù)之一。

目前，在結(jié)構(gòu)變形和溫度監(jiān)測中，普遍采用周期

光纖布拉格光柵傳感器的結(jié)構(gòu)是利用紫外激光在光纖纖芯上刻寫一段光柵，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光Li通過傳輸光纖射入時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光Lr，其余寬帶光Lt繼續(xù)透射過去，在下一個(gè)具有不同中心波長的光柵處進(jìn)行反射，多個(gè)光柵陣列形成光纖布拉格光柵(FBG)傳感網(wǎng)絡(luò)。各FBG反射光的中心波長為，=2n，式中，n為纖芯的有效折射率;為纖芯折射率的調(diào)制周期。

作用在FBG傳感器結(jié)構(gòu)上有入射光譜與反射光譜及透射光譜等3種光譜。而反射回來的窄帶光的中心波長隨著作用于光纖光柵的溫度和應(yīng)變成線性變化，中心波長的變化量為。

對于光纖光柵反射中心波長(短周期光纖光柵)或透射中心波長(對長周期光纖光柵)與介質(zhì)折射率有關(guān)，在溫度、應(yīng)變、壓強(qiáng)、磁場等一些參數(shù)變化時(shí)，中心波長也會(huì)隨之變化。通過光譜分析儀檢測反射或透射中心波長的變化，就可以間接檢測外界環(huán)境參數(shù)的變化，即其變化量與應(yīng)變量及溫度變化相關(guān)。

基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的分析儀可根據(jù)=2n，可以在反射光中尋址到每一個(gè)光柵傳感器。根據(jù)變化量并利用參考光信息可以解調(diào)出被測量的溫度和應(yīng)變值。將FBG附著于材料性能和幾何尺寸確定的機(jī)械結(jié)構(gòu)上還可以制造基于應(yīng)變的力傳感器、位移傳感器和振動(dòng)傳感器等。

采用FBG作為溫度和應(yīng)變測量的敏感元件最顯而易見的優(yōu)勢就是實(shí)現(xiàn)全光測量，監(jiān)測現(xiàn)場可以沒有電氣設(shè)備，不受電磁干擾。另一個(gè)最主要的優(yōu)勢是被測量用波長這種絕對量編碼，不易受外部因素干擾，因而穩(wěn)定性和可靠性極好。FBG傳感器可以經(jīng)受幾十萬次循環(huán)應(yīng)變而不劣化，測量應(yīng)變可以精確到 。同時(shí)由于單路光纖上可以制作上百個(gè)光柵傳感器，特別適合組建大范圍測試網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式測試。

則光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號(hào)傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)傳感器需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過同一個(gè)光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感信號(hào)的探測、識(shí)別和解調(diào)的功能。

基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的分析儀的基本架構(gòu)

通常用于信號(hào)解調(diào)的光源、可調(diào)諧腔、探測器和信號(hào)處理與控制模塊以及其它的相關(guān)光路元件通常集成在一個(gè)設(shè)備里，稱做光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。而FBG傳感器將被測量的物理量轉(zhuǎn)換為波長信號(hào)，其FBG傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀將波長轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y量的物理量。光源為寬譜光源(ASE)且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號(hào)良好的信噪比。一般選用側(cè)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50-100W。此光源經(jīng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)接通標(biāo)準(zhǔn)波長信號(hào)和FBG傳感器。FBG傳感器反射回的光經(jīng)過3dB耦合器引入到可調(diào)諧腔中，濾波后再由光探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接入A/D轉(zhuǎn)換器，信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換后由信號(hào)處理進(jìn)行分析處理得到溫度或應(yīng)力被測量等物理量。

其中可調(diào)諧腔作用是能直接將波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它是FBG波長解調(diào)的關(guān)鍵部件，可調(diào)諧腔體積小、價(jià)格低、靈敏度高、光能利用率高，是一種很有工程實(shí)用價(jià)值的方法。壓電換能器在外加電動(dòng)勢的作用下可產(chǎn)生形變，給壓電換能器施加一個(gè)掃描電壓使其產(chǎn)生伸縮，驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧腔長變化，從而使可調(diào)諧腔的透射波長隨之發(fā)生改變。若入射光波長與可調(diào)諧腔的透射波長重合，則探測器能探測到最大光強(qiáng)。

從寬譜光源出射的光經(jīng)由光轉(zhuǎn)換開關(guān)與光耦合器后分別到達(dá)相應(yīng)通道的光纖光柵傳感器陣列。由于光纖光柵是以波長編碼的方式實(shí)現(xiàn)傳感測量，因此在傳感網(wǎng)絡(luò)中可以采用光開關(guān)切換各個(gè)通道，互相并無串?dāng)_。各個(gè)通道可以采用相同波長的光纖光柵傳感器陣列，從而有效的利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的波長信號(hào)經(jīng)過耦合器和可調(diào)諧腔后被光電探測器接收。當(dāng)傳感器陣列中某個(gè)傳感器所處的環(huán)境(如溫度場、應(yīng)變場等)發(fā)生改變時(shí)，該傳感器的中心波長就會(huì)發(fā)生漂移(一般為線性變化);這種波長的微小漂移被探測、采樣又將模擬量送到A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)入信號(hào)處理模塊進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到傳感器的相關(guān)溫度或應(yīng)力等參量的測量結(jié)果。