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- 光纖布拉格光柵光學(xué)傳感器之探詢方法
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/12/24
由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長，所以可以利用它來實(shí)現(xiàn)良好的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。這個(gè)特性使得可以在一條長距離的獨(dú)立光纖上，以菊花鏈的形式連接多個(gè)不同的擁有特定布拉格波長的傳感器。波分復(fù)用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個(gè)FBG傳感器分配了一個(gè)特定的波長范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長特性，就算在傳輸過程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強(qiáng)的損耗和衰減，傳感器測得的結(jié)果也仍然能夠保持準(zhǔn)確。
每一個(gè)獨(dú)立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長范圍和波長探詢器可探詢的總波長范圍決定了在一條單獨(dú)的光纖上可以掛接的傳感器的數(shù)量。一般來說，因?yàn)閼?yīng)變改變造成的波長改變會(huì)比溫度改變造成的波長改變更加明顯，所以一般會(huì)為FBG應(yīng)變傳感器分配大概5納米的工作波長范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長范圍。又因?yàn)橥ǔ５牟ㄩL探詢器能提供的測試范圍大概為60到80納米，所以一條光纖上掛接的傳感器數(shù)量一般可以從1個(gè)到80個(gè)不等–當(dāng)然，這要建立在各個(gè)傳感器反射波長的區(qū)域在光譜范圍內(nèi)不會(huì)有重疊(圖4)的基礎(chǔ)上的。因此，在選擇FBG傳感器的時(shí)候，需要仔細(xì)地選擇標(biāo)稱波長以及工作波長范圍來保證每一個(gè)傳感器都有其獨(dú)立的工作波長區(qū)域。
圖4.同一條光纖上掛接的每一個(gè)FBG傳感器必須具有其獨(dú)立的工作波長范圍
一般的FBG傳感器會(huì)擁有幾個(gè)納米的工作波長范圍，所以光學(xué)探詢器必須能夠完成分辨率為幾個(gè)皮米甚至更小的測量–一個(gè)相當(dāng)小的量級。探詢FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計(jì)是通常運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，它可以提供相當(dāng)高分辨率的光譜分析。但是，這些儀器一般來說非常昂貴，體積龐大并且不夠堅(jiān)固，所以在一些涉及各種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測的應(yīng)用中，如風(fēng)機(jī)葉片，橋梁，水管以及大壩等環(huán)境的監(jiān)測中，這些儀器都不適用。
一種更加堅(jiān)固的方法是引入了電荷耦合器件(charge-coupleddevice-CCD)以及固定的分散性單元，一般是指波長位置轉(zhuǎn)換。
在這種方法中，會(huì)用一個(gè)廣譜的光源照射FBG傳感器(或者一系列FBG傳感器)。這些反射光束會(huì)通過一個(gè)分散性單元，分散性單元會(huì)將波長不同的反射光束分別分配到電荷耦合器件(CCD)表面不同的位置上去。如下圖5所示。
圖5.使用波長位置轉(zhuǎn)換法探詢FBG光學(xué)傳感器
這種方法可以快速并且同時(shí)地對掛接在光纖上的所有FBG傳感器進(jìn)行測量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比(SNR)。舉例來說，如果我們希望在80納米的波長范圍中實(shí)現(xiàn)1皮米的分辨率，那么我們需要一個(gè)包含80,000個(gè)像素點(diǎn)的線性CCD器件，這個(gè)像素指標(biāo)已經(jīng)比目前在市面上能夠找到的最好的線性CCD器件(截至2010年7月)的指標(biāo)高出了10倍以上。另外，因?yàn)閺V譜光源的能量是被分散到一個(gè)很廣的波長范圍中，所以FBG反射光束的能量會(huì)非常小，有時(shí)候甚至?xí)o測量帶來困難。
目前最流行的方法是利用一個(gè)可調(diào)法珀濾波器來創(chuàng)造一束具有高能量，并且能夠快速掃頻的激光源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的廣譜的光源。可調(diào)的激光源將能量集中在一個(gè)很窄的波長范圍里面，提供了一個(gè)具有很高信噪比的高能量的光源。這種體系結(jié)構(gòu)提供的高光學(xué)功率讓使用一條光纖掛載多個(gè)光學(xué)通道成為可能，這樣就能有效地減少多通道探詢器的成本并且降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。基于這種可調(diào)激光架構(gòu)的探詢器可以在一個(gè)相對大的波長范圍里面以很窄的光譜帶進(jìn)行掃描，另一方面，一臺(tái)光探測器將與這個(gè)掃描同步，測量從FBG傳感器反射回來的激光束。當(dāng)可調(diào)激光器發(fā)射的激光波長與FBG傳感器的布拉格波長吻合的時(shí)候，光探測器就能測量到相應(yīng)的響應(yīng)。該響應(yīng)發(fā)生的時(shí)候可調(diào)激光的波長就對應(yīng)了此時(shí)FBG傳感器處測得的溫度以及/或者應(yīng)變，如圖6所示。
圖6.用可調(diào)激光源法探詢FBG光學(xué)傳感器
使用這種方法進(jìn)行探詢可以達(dá)到大概1皮米的精度，對應(yīng)到傳統(tǒng)FBG傳感器的精度即是約1.2微應(yīng)變(FBG應(yīng)變傳感器)或約0.1攝氏度(FBG溫度傳感器)。因?yàn)榭烧{(diào)激光源法相對于其它的方法來說具有很高的光學(xué)功率，所以這種探詢法還可以適用于光纖長度更大(超過10千米)的測量應(yīng)用中。
FBG光學(xué)傳感器的優(yōu)勢
通過使用光波代替電流以及使用標(biāo)準(zhǔn)光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)，F(xiàn)BG光學(xué)傳感解決了許多使用電氣傳感需要面臨的挑戰(zhàn)和解決的困難。光纖和FBG光學(xué)傳感器都是絕緣體，具有被動(dòng)性電學(xué)特性，并且不受電磁感應(yīng)噪聲的影響。具有高光學(xué)功率可調(diào)激光源的探詢器可以以很低的數(shù)據(jù)丟失率甚至是零丟失來完成長距離的測量。同時(shí)，與電氣傳感器系統(tǒng)不同，一個(gè)光學(xué)通道可以同時(shí)完成多個(gè)FBG傳感器的測試，極大地減小了測試系統(tǒng)的體積，重量以及復(fù)雜度。
在一些外部環(huán)境條件惡劣的應(yīng)用現(xiàn)場中，一些常用的電氣傳感器，例如箔應(yīng)變片，熱電偶，以及振弦式傳感器已經(jīng)很難使用甚至已經(jīng)失效的情況下，光學(xué)傳感器是一個(gè)非常理想的解決辦法。因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器的用途以及安裝方法和這些傳統(tǒng)的電氣傳感器類似，所以從電氣測試方案過渡到光學(xué)測試方案會(huì)相對簡單。如果能夠?qū)饫w和FBG的工作原理有一個(gè)比較好的了解，那將幫助你更好地接受光學(xué)測試技術(shù)并駕馭這種新技術(shù)所帶來的所有優(yōu)勢。
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