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结构健康监测中光纤光栅传感技术(二)光纤光栅基本原理2

更新时间:2015-10-23 23:55:13点击次数:5125次字号:T|T

1.1     光纤光栅传感器阵列的指标

当设计传感器测量方法时,应该仔细考虑光纤光栅的特征。一些指标是通用的,几乎针对所有应用;另外一些指标可能是为满足一些特殊应用而定制的。下面所指出的是主要针对应变和温度测量的,测量其他的参数像压力、位移或湿度需要特殊的要求。

1. 传感器波长

传感器波长指的就是光纤光栅反射谱中的尖峰的中心波长。这些峰值波长随着应变和温度的改变而改变。当温度升高或应变增大时,光纤光栅传感器的峰值波长变长。 REF _Ref175970405 \h \* MERGEFORMAT 2.15:如果一个峰值波长1535.050nm的传感器从25℃ 加热到35℃,传感器的峰值波长将增加到1535.150nm(每变化10pm)。大多数光纤光栅解调系统工作在50nm窗口范围内,从1520nm1570nm



2.传感器带宽

传感器带宽就是每个光纤光栅反射峰所对应的带宽。理论上光纤光栅的带宽越小测量精度越高,但从实际的制作工艺水平和可行的精度来看,最合理的值应该在0.2nm0.3nm之间,通常取0.25,如 REF _Ref175970684 \h \* MERGEFORMAT 2.16所示。此外一般的解调设备的峰值探测算法通常是在假设带宽为0.25nm和谱形为光滑的高斯型的基础上设计出来的,带宽过宽会降低波长测量的准确性。当然其他的带宽和峰型也是可行的,但对波长准确性可能会产生一定的影响。

2. \ 光纤光栅反射光谱宽度

3.反射率

光纤光栅的反射率越高,返回到测量系统的光功率就越大,相应的测量距离就越长。而且反射率越高,带宽较窄,光栅越稳定。如果反射率越小,噪声对其的影响就越大,对于波长查询仪的工作要求就越高,影响测量精度。为了获得最好的性能,推荐光栅反射率应该大于90%。但是,单纯的强调高反射率的同时,也要同时考虑边模抑制。也可以说,反射率决定信号强度,边模抑制决定了信噪比。

2. 光纤光栅的反射率

4.边模抑制

对一个两边有许多旁瓣的光纤光栅传感器,光纤光栅查询仪会错误的把某些旁瓣当作峰值。所以一个好的传感器谱图除了要具有一个光滑的峰顶外,光滑的两边也是非常重要的。控制边模,提高边模抑制比需要光纤光栅的制造商有较高的工艺水平。但它同时也是决定光纤光栅传感性能较重要的一个参数,直接决定了信噪比。

在光纤光栅反射率大于90%的情况下,边模抑制比应高于15dB,高于20dB是更理想的。选用高质量的全息相位掩模板,切趾可以平滑传感器的光谱,消除两边的旁瓣,确保边模不会干扰峰值的探测。通常的切趾在短波长方向仍然会存在许多旁瓣,切趾补偿技术(使光栅的平均折射率波长一致)是一个已经被证明了的可行的方法,可以消除短波长方向的旁瓣,实现整个光谱上平滑。

目前,光栅写入技术的进步和光学精细度的提高已可以制造出边模抑制比超过20dB的光纤光栅,完全满足了光纤光栅传感器的要求。下图出示了一个经过高斯切趾后的光纤光栅的反射谱图,其中 2.18未进行切趾补偿, 2.19进行了切趾补偿。


5.传感器的长度

传感光栅的长度决定了测量点的精确程度,理论上光栅的长度越小,测量点越精确。而实际制作光栅时要综合光栅的各种参数,光栅越短,反射率越低,带宽越宽。很短的光栅,其反射率和带宽都很难达到要求,因此要在三者之间做一个中和。所以,对于0.25nm的带宽,推荐传感器光栅的物理长度应为10mm,这个长度适合于大多数应用。当然通过改变带宽,不同的长度也是可以满足一定的要求。

6. 传感器波长间隔

传感器波长间隔就是两个光纤光栅的中心波长的差。光纤光栅传感器阵列包含了大量传感光栅,因此必须保证能寻址每一个光栅,即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅。为此,要求每个通道内各个光栅的中心波长λ1λ2…λn及其工作范围Δλ1Δλ2…Δλn,互不重迭,如 REF _Ref175971152 \h \* MERGEFORMAT 2.20所示。所以其中有两个方面需要考虑:传感光栅之间的缓冲区(buffer)和每个传感光栅的探测范围Δλ。而探测范围Δλ是由测量范围决定的,测量范围越大,探测范围就越大。例如若测量范围为±3000με,探测范围就为6nm。每个传感器都需要具有足够的波长漂移的空间以捕捉所期望的应变和温度的变化范围。


7. 缓冲区(buffer

两相邻传感光栅之间必须留有一个缓冲区以保证第一个光栅的最大波长与第二个光栅的最小波长不相交。此外,光纤光栅制作过程中制造误差是必须被考虑的,一些厂商所标出的传感器中心波长可能存在超过+/-0.5nm的误差,最新的光纤光栅自动化写入技术可以使该误差有一个数量级的优化,大约为+/-0.05nm。现在合理需要是+/-0.1nm,这个误差也必须被加到缓冲区中以确保设计出合适的间隔。

例如:大桥构架上的结构体需要4个传感器。传感器123牢固的粘在大桥构架上测量应变(和温度)。传感器4只测量温度。这个构架上最大的期望应变是+/-1,000με,最大的温度范围从-40℃+80℃

表2. SEQ 2. \* ARABIC 2 大桥架构的光纤光栅传感器设置

参数

测量范围

变换因子

波长范围

应变

2,000 με

1.2 pm/με

2.4nm

温度

120℃

10pm/℃

1.2nm

传感器间缓冲区

0.5nm

传感器制作误差(+/-0.1nm)

0.2nm

最小波长间隔

4.3nm

通常,推荐对所有阵列传感器波长的间隔为5nm,这可以满足大多数应用范围,每个阵列可以提供8-10个传感器。当更多的传感器被需要时,一个方法就是减小波长间隔(但要注意测量范围)。例如,如果一个阵列中的所有传感器对应变的敏感相似,相邻传感器间的相对波长变化就非常的小,则波长间隔可以被大大的减小。

所以,要综合传感器数、传感器波长间隔、缓冲区和测量范围几个方面,以达到所需的要求。

8. 退火

制作光纤光栅时,激光照射使得光纤玻璃进入到一种亚稳状态,然后才形成了光栅,因此光栅在较高的温度中会随时间退化。这种退化发生的程度取决于光纤和光栅的类型,在非氢载光纤中写入的所有类型光栅都可以在室温下保存几年。人们提出一种加固光纤光栅的方法退火处理,即在超过光栅器件使用的温度下进行加速老化的过程。实验发现,经过退火处理后的光纤光栅虽然中心波长有微小的变化,但是其温度和应力的特性仍然保持良好的线性关系,并没有影响光纤光栅的传感特性。同时退火处理可以消除光栅的结构缺陷,是制作性能稳定的光纤光栅的重要步骤,可以保证光纤光栅正常工作15年以上。

1.2     光纤光栅解调技术

信号检测是传感系统中的关键技术之一,传感解调系统的实质是一个信息(能量)转换和传递的监测系统,它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程,待测信息(动态的或静态的)不仅要精确地测量其幅值,而且需记录和跟踪其整个变化过程。

在传感过程中,光源发出的光波由传输通道直接(或经连接器)进入传感光纤光栅,传感光纤光栅在外场(如应变、压力、温度场等)的作用(静态、准静态或时变)下,对光波进行调制;接着,带有外场信息的调制光波被传感光纤光栅反射(或透射),并进入接收通道而被探测器接受解调并输出。由于探测器接受的光谱包含了外场作用的信息,因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化,即可获得外场信息的细致描述。相比而言,基于反射式的传感解调系统比较容易实现 REF _Ref175972341 \r \h \* MERGEFORMAT [25]

用光纤光栅构成的传感系统中,传感量主要是以波长的微小移动为载体,所以传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。对光纤Bragg光栅的理论分析和实验研究表明,FBG的温度和应变灵敏度很小,对中心波长移位Δλ的检测精度直接决定了整个系统的检测精度。因此解调技术,即精确测量波长漂移的技术是光纤Bragg光栅传感的关键技术之一。

理想的探测方法一般应达到下面的一些要求:

1. 测量范围大,并且分辨率高。在很多实际应用中,常常要求波长漂移量的探测范围达到纳米级,波长漂移测量分辨率为亚皮米到几个皮米,这样动态测量范围常要求为1031~1051

2. 成本低。光纤光栅传感探测系统的成本与传统的电传感器相比要具有竞争力。

3. 复用性要好。光纤光栅传感探测系统需能够实现网络复用,这样可以进一步降低整个传感系统的成本。

对光纤光栅反射波长解调的传统手段是使用光谱仪、单色仪等仪器。但是这类仪器不仅价格昂贵而且体积大,构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度,在实际应用中是极不现实的。为了开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解调系统,近年来国内外开展了许多研究工作,并取得了较大的进展。

关于光纤光栅波长解调探测方法已有很多报道,根据波长漂移量探测器件的工作原理,这些探测方法大致可以分为如下几类:边缘滤波器法、可调滤波器法、干涉扫描法。下面几个小节将详细的介绍这几种方法。


1.1.1         边缘滤波器法

边缘滤波器法中输入波长漂移量和输出光强度变化量呈线性关系,这种方法是通过探测滤波器的输出光强度来计算输入波长漂移量的变化,原理如图  所示。测量范围和探测分辨率呈反比例关系。

用边缘滤波特性实现光纤光栅传感器波长解调的基本原理如 图2.22所示。其中,BBS 为自行研制的宽带光源。宽带光源发出的光经3 dB耦合器进入传感光栅。由传感光纤光栅反射后形成窄带光谱,再经耦合器均分成两路光束。其中一束经线性滤波器到达光电检测器。另一束直接检测,以补偿由于光源强度波动对实验造成的影响。由于光纤的端面反射,使得光源的光谱对后端光电检测器件造成很大的影响。因此,需要将不用的光纤端面浸入折射率匹配液(IMG)中,用于减少端面反射。

M. A. Davis等人利用波分耦合器的特殊传输特性来测量光纤光栅的波长变化。波分耦合器在15201560nm的波长范围内,耦合器的效率与波长基本呈线性关系,因而可以利用该特性来测量波长的变化,测量系统原理如 REF _Ref175973283 \h \* MERGEFORMAT 2.23所示。宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入耦合器,耦合器的出射光分为两束(这两束光的功率与入射光的功率在同一坐标系下形如X) ,两束出射光通过光电探测器变成电信号,经过处理后消除光功率变化的影响,最后得到波长的变化量。这种方法的电子处理电路极为简单,但由于受器件传输特性的影响测量分辨率较低。该方法对于一些对测量分辨率要求不是很高的场合提供了一种结构简单、性能价格比很高的测量方案。

(1) 利用长周期光纤光栅实现边缘滤波器

刘波等人利用长周期光纤光栅作为边缘滤波器,通过测量透射光强,推知传感光纤光栅波长的变化。实验采用的长周期光纤光栅的透射谱如图2.24所示。它是用自制的幅度掩模板和在248 nm的准分子激光器写入而成的,其中心波长为1558 nm



实验结果如图2.25所示。测量得出的长周期光纤光栅的透射率与传感布拉格光栅的波长成良好的线性关系,拟合度达0.9914。这种边缘滤波的方案测量波长分辨极限可达0.002 nm,性能优于光谱仪。选择反射率更高的布拉格光栅和更好的探测器还可以达到更高的精度。

在实验过程中,由于长周期光纤光栅对温度及弯曲比较敏感,因此,必须采取去敏措施,如采用新工艺制备长周期光纤光栅,或采用控温措施等,使其达到较高的稳定度。但也可以利用长周期光纤光栅对弯曲敏感的特性,在实验过程中调整长周期光纤光栅的弯曲程度,使布拉格光栅的工作波长落在长周期光纤光栅的线性区域内。当然,在调整的过程中,会引起长周期光纤光栅透射率的下降,可以根据需要加以控制。

(1) Sagnac环镜边缘滤波解调方法

多年来,人们对光纤环镜滤波器(即Sagnac环镜干涉仪进行了深入地研究,与此同时,对于光纤环镜滤波器中考虑光纤的双折射效应和将双折射光纤加入环镜滤波器之中的情况也做了相应的研究 。将一段高双射光纤加入环镜滤波器中,并利用其作为边缘滤波器件,应用于光纤光栅传感系统中,取得了良好的实验结果。是一种基于光强检测的全光纤解调技术,可对传感光栅(FBG)的反射谱进行波长解码。因此,本方案可做为光纤光栅传感网络等的波长解调方案,具有很高的实用性.

高双折射光纤Sagnac环镜滤波器HSF (high birefringence fiber Sagnac loop mirror Filter) 由一个3 dB耦合器、一段高双折射光纤HBF (high birefringence fiber)以及用于连接的普通单模光纤SM F(single mode fiber)构成,其结构如 图2.26所示。信号光进入3 dB耦合器后被分为两束,它们分别沿顺是地针和逆时针在环路中传播。因为高双折射光纤存在角度为H的轴向扭转,因此当光在高双折射光纤中传播时,其偏振态发生旋转,其等效于高双折射光纤的快轴或慢轴转过的角度,相当于信号光进行了旋转变换,如 图2.26所示。信号光在高双折射光纤中传播时,可以分解成为沿快、慢轴上的两个分量,这两个分量的上光波的传播速度是不一样的。同时由于光在高双折射光纤中传播时,在两个偏振方向上会产生相位差。最后,顺时针传播的光与逆时针传播的光在3dB耦合器处相干,产生类似于非平衡M -Z干涉仪的滤波效果。


HSF 做为边缘滤波器的光纤光栅传感系统的基本原理如 2.25所示。其中,BBS 为宽带光源。宽带光源发出的光经3 dB耦合器进入传感光纤光栅。由传感光纤光栅(FBG)反射后形成窄带光谱,再经耦合器均分成两路光束。其中一路I1作为参考光,直接进行检测,以补偿由于光源强度波动对实验造成的影响。另一路光经HSF滤波后,再经耦合器再分为两路,一路用光谱仪进行监测,另一路用光电转换器转换为电信号后进行监测。由于光纤的端面反射,使得光源的光谱对后端光电检测器件造成很大的影响。因此,需要将不用的光纤端面浸入IMG (折射率匹配液)中,用于减少端面反射。




因此,通过测量2I2/I1,即可根据环镜滤波器的透射率曲线,得到相应λ的值。

该高双折射光纤Sagnac环镜的透射率与传感FBG的波长成良好的线性度,其线性拟合度达0.9956。由于本方案采用全光纤设计,因此,其解调速度取决于光电探测器的带宽以及后续信号处理器如牵制放大器的频响带宽、AD转换器的转换速度等。如使用的PIN光电二极管的带宽为1GHzAD转换芯片的转换速率为10μs,则该方案可以达到数十kHz频响的解调速度,远高于目前机械调控原理组成系统的解调速度。也相应地克服了由于机械部件等带来的稳定性及重复性差的缺点。

高双折射光纤Sagnac环镜干涉的干涉原理是利用高双折射光纤的双折射效应,使同一段光纤中沿不同方向传播的光产生相位差,进而产生干涉效应。由于正反方向光在环镜中的光程是一样的,因此这种干涉仪的输出仅与高双折射光纤的特性(有效双折射率)有关,而与用于传导的单模光纤的长度无关。因而与一般非平衡M-Z干涉解调方法相比,这种高双折射光纤Sagnac环镜干涉解调方法具有更高的稳定性。

1.1.1         可调谐滤波器法

可调谐滤波器可以用于测试光纤光栅的波长漂移,其主要原理是可调谐滤波器的输出是光纤光栅输出谱和可调谐滤波器的卷积,如 REF _Ref175974555 \h \* MERGEFORMAT 图2.28所示,当光纤光栅输出谱和可调谐滤波器光谱完全匹配时,可调谐滤波器的输出为1,也就是输出达到了最大值。通过测量这个最大点和可调谐滤波器相应的波长变化,就可以求出光纤光栅的波长移动量。测量的分辨率主要取决于光纤光栅反射信号的信噪比,以及可调谐滤波器和光纤光栅的带宽。这种方法具有较高的波长分辨率和较大的工作范围。



反射型系统的原理是通过PZT驱动匹配光纤光栅进行扫描,调节其反射中心波长。当接收光强增大,达到与传感光栅中心波长完全匹配时,根据探测器的输出,记录此时驱动信号的大小,就可以得到被测量的大小,如 2.29所示。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的影响较大,同时对探测器也提出了较高的要求。

针对这一问题,Davis等提出了透射型的测量方案,即将光电探测器置于接收透射光的位置,通过监测透射光强(当光强达到最小值时)得到传感光栅中心反射波长。该方法避免了测量微弱光强信号的局限性。

反射式与透射式方案优缺点对比:反射式的精度受光源稳定性和外界干扰的限制,对探测器的精度要求较高,而这些问题在透射式中是不存在的。另外由于反射式比透射式多了一个耦合器,光能损耗较大,因此实际应用中常采用透射式系统。

(1)   可调谐Fabry-Perot滤波器

在光纤通信中,可调谐Febry-Perot滤波器在光放大器中由于具有特别的噪声滤除特性而变得越来越重要。Febry-Perot可调谐滤波器的一个显著的特点是其工作范围较大,一般可达数十纳米。



1993年,由Kersey等人提出可调光纤Febry-Perot滤波器解调法。对单个光栅采用闭环模式,对复用系统的光栅使用扫描模式,如 2.31所示。宽带光源发出的光经隔离器进入传感光栅阵列,反射光信号经耦合器到达可调谐Febry-Perot滤波器,Febry-Perot滤波器工作在扫描状态,锯齿波扫描电压加在压电元件上调整腔间隔,使其窄通带在一定范围内扫描。当它与传感光栅的布拉格波长相匹配时,则让传感光栅反射的信号通过。因此,可由Febry-Perot滤波器驱动电压2透射波长关系测得FBG反射峰位置。由于透射谱是反射谱与Febry-Perot滤波器透射谱的卷积,能使带宽增加,分辨率减小。为此,在扫描电压上加一个小的抖动电压,可大大提高系统的分辨率。输出经混频器和低通滤波器后测量抖动频率,在信号为零时,所测值为光栅的反射峰值波长。由于FFP调谐范围很宽,可实现多传感器的解,因此,该系统可用于静态或准静态信号的测量,但高精度FFP成本太高,滤波损耗较大。

图2.31出示了用一个可调F-P滤波器同时检测多个光纤光栅的方案,F-P腔由压电陶瓷驱动,且施加周期性的电压用以改变腔长,以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。若选用的F-P滤波器具备FBG相当的带宽,施加的电压信号为均匀扫描着的周期性的锯齿波,受其调制,滤波器在自由程内进行波长扫描时的波长范围能够覆盖传感光栅及其经诱导后漂移了的全部光纤光栅的反射峰值波长波长,且来自传感光栅的信号滤波后经线性光电转换器转换成电信号,放大后输入示波器。此时光电转换器,F-P滤波器和锯齿波信号发生器以及示波器组成的检测系统将执行光纤光谱仪的功能,它不仅可以对测量范围内各FBG传感元的波长信息进行依次查询,而且将所测波长信息与漂移前波长信息进行比较,得到各传感元的波长漂移量,利用漂移量与所测量间的变化关系,便可判断对应传感元件所感测物理量变化的大小,达到解调目的。




1981年,Chang指出,可调谐声光滤波器具有更大的可调谐波长范围(可以高达几百个微米),因此,如果单光源或者组合光源的带宽能够满足一定的要求,那么可调谐声光滤波器在FBG传感器的大数量复用方面将具有巨大的潜力。1993年,Xu等人建立了一个这样的探测系统,如 图2.32所示,RF信号由一个RF发生器产生,可调谐声光滤波器的输出波长是RF信号频率的函数,可以由RF频率的变化来改变。在实际中,通过对应用的RF频率抖动和探测接收到的信号的幅度调制状况来给出一个反馈信号,可以使得滤波器的平均波长值锁定传感FBG的瞬时波长值。当滤波器的平均波长和传感FBG的瞬时波长一致时,幅度调制为0,由具有低频方波信号输入的VCO(压控振荡器)叠加一个直流分量信号来调制平均频率,这也就是调制信号产生的方法。这种系统已用于温度测量并得到了的温度分辨率,因为使用的滤波器的带宽比较宽(一般有几个纳米),所以测量分辨率不太高。1993年,Dunphy等人利用带宽为0.2nm和工作波长范围约120nm的声光滤波器,得到了小于1pm的高分辨率,显然,这个器件很适合于FBG传感系统,但是关于它的长期稳定性人们在进行多方面的研究。




如图2.34所示,来自传感光栅的光波进入非平衡扫描迈克尔逊干涉仪,其短臂缠绕在受锯齿波信号驱动的压电陶瓷上,输出信号经探测器接收后转变为电信号,适当处理后与压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和参考信号一起输入相位计。调整驱动信号的幅值以及直流电瓶的大小,使干涉信号变化的频率与参考信号的频率一致,此时相位计所显示的值与施加在传感光栅上的待测应变的大小有关。该传感系统的分辨率为5.5,灵敏度为1.8°/με。若对光源信号进行脉冲调制,用时分复用技术对接收信号进行处理,那么该系统具备查询和解调光纤光栅网络信号的能力。