布拉格光纖光柵感測器

布拉格光纖光柵可以作為一種光纖感測器,它和光纖感測器一樣,與傳統的電感測器相比有著許多不可替代的優點,如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。

基本介紹

• 中文名：布拉格光纖光柵感測器
• 外文名：fiberBragg grating sensor

1 布拉格光纖光柵感測器的特點

1978年加拿大握太華通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏性,並採用駐波法製成世界上第一隻光纖光柵。但是由於這種刻寫方法的效率很低且靈活性差,在光纖光敏性被發現後的十年內未引起很大的注意。直到1989年,美國聯合技術研究中心的GMetlz等人利用高強度的紫外雷射所形成的干涉條紋對光纖進行側面橫向曝光來產生光纖纖芯中的折射率調製,即形成光纖光柵。這種刻寫方法效率高,且靈活性好,可以刻寫不同周期的光纖光柵。橫向寫入法的發明使光纖光柵技術取得了突破性的進展,此後的十多年裡,光纖光柵一直是光纖通信和光纖感測領域的研究熱點之一。

布拉格光纖光柵可以作為一種光纖感測器,它和光纖感測器一樣,與傳統的電感測器相比有著許多不可替代的優點,如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。且由於它是波長編碼的,使得它與傳統的光纖感測器相比,又有許多優點,如:精度不受光源強度影響,受環境影響小,更加容易復用和實現分散式感測等。利用光纖布拉格光柵感測系統復用能力強,重量輕,體積小等優點,埋入監測材料中可以方便地實現準分散式測量,因而是最有希望的智慧型感測網路技術。

光纖光柵感測器的套用範圍非常廣,民用工程中的結構監測是光纖光柵感測器套用的一個熱點,在橋樑、建築、海洋石油平台、油田及航空、大壩等工程都可以進行實時安全的溫度及應變監測。基礎結構的狀態,力學參數的測量對於橋樑、大壩、隧道、高層建築和運動場館的維護是至關重要的,通過測量建築物的分布應變,可以預知局部荷載的狀態。光纖光柵感測器既可以貼在現存結構的表面,也可以在澆築的時候埋入結構中對結構進行實時測量,監視結構缺陷的形成和生長。另外,多個光纖光柵感測器可以串接成一個網路對結構進行準分散式檢測,感測信號可以傳輸很長距離送到中心監控室進行遙測。因此在民用工程中,光纖光柵感測器成為結構監測的最重要手段。

航空航天業是一個使用感測器密集的地方,一架飛行器為了監測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態、機翼和方向舵的位置等,所需要使用的感測器超過100個,因此感測器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵感測器具有體積小,重量輕,靈敏度高等優點,將光纖光柵埋入飛行器或者發射塔結構中,組成準分散式智慧型感測網路,可以對飛行器及發射塔的內部機械性能及外部環境進行實時監測。

布拉格光纖光柵感測器能夠為現代船舶的操作提供瞬時的和豐富的感測信息,進而通過提供船舶操作人員所需要的早期危險報警和損傷評估來保證船舶的安全。現代船用感測器中多達90%是壓力或溫度感測器,通過選擇適當的封裝和襯底材料可以將光纖光柵應變感測器轉變成溫度和壓力感測器,利用波分和時分復用原理,一個探測系統的光纖光柵感測器數量可以多達數萬個,從而適應不斷增加的艦載控制系統的複雜性,並有效的降低感測系統的成本。

電力工業中的設備大都處在強電磁場中,一般電學感測器無法使用。很多情況下需要測量的地方處在高壓中,如高壓開關的線上監測,高壓變壓器繞組、發電機定子等地方的溫度和位移等參數的實時測量,這些地方的測量需要感測器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無源器件,光纖光柵感測器是進行這些測量的最佳選擇。有一些電力設備經常位於難以到達的地方,如荒山野嶺、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電站,使用準分散式光纖光柵感測系統的遙測能力可以極大地減少設備維護費用。因此光纖光柵感測器在電力工業中的套用前景很好。

小尺寸的感測器在醫學套用中是非常有意義的,光纖光柵感測器是現今能夠做到最小的光纖感測器。光纖光柵感測器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內部測量,提供有關溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵感測器對人體組織的損害非常之小,足以避免對正常醫療過程的干擾。

核工業存在高輻射,核泄漏對人類是一個極大的威脅,因此對於核電站的安全檢測是非常重要的。由於核裝置的老化,需要更多的維護和修理,最終必須被拆除,所有這些都不能在設計時預見,因此需要更多的感測器以便遙控設備,處理不確定情況。同時核廢料的管理也變得越來越重要,需要有監測網路來監視核廢料站的狀況,對監視網路長期穩定的要求也是前所未有的,而光纖光柵感測網路可以滿足這些要求。

除了以上套用外,光纖光柵感測器在其他方面也有許多套用,例如:

(1)加速度計可用於很多工程的測量,如振動、入射角、事件記錄、平台穩定性、車輛暫停控制、地震監測、以及起搏器控制等,用光纖光柵感測器製作的加速度計表現出良好的性能。

(2)用光纖光柵製作的水聲器用來測量水下聲場,可以實現很好線性回響、高靈敏度、高穩定性、寬的動態範圍(90dB)和寬的操作頻率範圍(從凡kHz到凡MH)z。

(3)用光纖光柵製作的機械工具系統結構形變監測感測器,可以探測到實用結構微米量級的形變,其誤差為0.4%。

2 布拉格光纖光柵感測研究進展

由於布拉格光纖光柵感測器具有以上許多不可替代的優點以及廣泛的套用前景,自從橫向紫外曝光刻寫技術面世以來,布拉格光纖光柵感測器得到了學術界和產業界的廣泛關注,在短短的十凡年內得到了飛速發展,針對布拉格光纖光柵智慧型感測網路的實用化研究和套用已經取得了一些進展，這主要集中在以下幾個方面:

布拉格光纖光柵感測器的波長解調技術

光纖光柵感測器經過十餘年的研究與發展，至今己經出現了許多波長解調技術。在實驗室，波長解調可以用高精度的光譜儀來實現，但是由於光譜儀的價格昂貴，而且體積大，不適於實際套用，所以需要結構緊湊，成本低的解調系統。具體解決方案主要包括寬頻光濾波法可調諧窄帶濾波器法，光干涉法，雷射器掃描法。成像光譜分析法等。這些方法有著不同的解析度和動態範圍，針對不同的套用選擇相應的解調方案，可以很好的適用於各種實際套用。

1)寬頻光濾波法

該方法通過寬頻光源發出的寬頻光:經隔離器，3DB鍋合器後，到感測光柵反射濾波，反射回窄帶光，再經過寬頻濾波器(WDM禍合器)，由於寬頻濾波器的濾波特性與波卜轟有關，則反射光經濾波後探測到的能量與波長有關，再通過相應的電子信號處理就能檢測出FBG中心波長的偏移量。這種方案實現簡單，但是精度比較低，波長解析度大概10pm左右。

2)可調諧窄帶濾波器法

該方法中，由LED發出的寬頻光，經禍合器到達FBG感測器陣列，到達FBG反射回來的窄帶光再經可調諧F-P濾波器濾波，當感測FBG的中心波長與F-P濾波器透射中心彼長一致時，透射光能量最大，通過動態調諧F-P濾波器的透射波長來動態“跟蹤7T感測光柵的中心波長，就可以實現中心波長偏移量的解調。這種解調方案精度較高，由於工作在波長掃描方式，那么只要掃描範圍足夠大，就很容易在一根光纖上復用多個FBG，但這種方案的掃描頻率不是很高，不適合高速率的動態感測。

3)光干涉檢測法

該方法檢測光纖光柵感測器波長移動是通過一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來實現的。寬頻光源發出的光經過禍合器入射到感測FBG上，被FBG反射的光再通過藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣，被FBG反射的這部分光就有效地轉化為干涉儀的入射光源，由感測光纖光柵擾動引入的波長移動也就成為此光源的波長(光頻率)調製信號。由於干涉儀輸出的相位對非平衡千涉儀的輸入波長存在著固有的依賴關係，布拉格彼長的移動就轉換為相位的變化，再通過檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波長的移動情況。

4)可調諧掃描雷射器法

可調諧掃描雷射器法主要是通過可調諧雷射器的波長可調諧性來動態跟蹤感測FBG的中心波長。

5)CCD成像光譜分析法

在CCD成像光譜解調系統中，波長分到提通過個色散元件叻口稜鏡或光柵)來實現的，色散元件把波長轉變為CCD探測器陣列的像元位置，這樣就把測量光譜線的問題轉化為判斷光斑所在像元的問題。通常由於FBG的光譜中心分布在幾個相令巧的像元上，所以要準確檢測中心波長的位置，還必須採用相應的算法來實現。CCD成像光譜法有才民大的局限性，即實用的CCD波長回響範圍在900nm以下，所以只能對中心波長在900nm以下的光柵感測器解調。

3 布拉格光纖光柵感測器應變溫度分辨

由於布拉格光纖光柵的中心波長同時受到溫度和應變的影響，所以感測具體參量的時候必須通過相應的方法把這兩個效應區分開。布拉格光纖光柵的溫度和應變靈敏度如表經過研究,已經提出了許多方案來實現溫度和應變的同時檢測,主要包括以下方法:

(1)參考FBG法

這種方法的原理是引入一個參考FGB,使其不受應變影響而只受溫度影響,同時這個參考FGB和感測FGB處於相同的環境,這樣就可以通過這個參考FGB來檢測出溫度,再從感測FGB總的波長偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應變區分開。

(2)蝕刻FBG法

這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關係,這樣當對其軸向施加均勻應力時,沿軸向的應變也是呈線性關係,這樣就導致了惆啾,即反射頻寬的變化,而溫度對其影響只是使其中心波長偏移,而不改變頻寬,也就是頻寬是溫度不敏感的,通過檢測頻寬的變化就可以把溫度效應導致的誤差除去。但是這種方法的缺點是減小了光纖的強度,也即減小了感測的範圍。

(3)雙波長FBG法

這種方法的原理是通過在光纖的同一個位置寫入兩個波長不同的FGB,然後檢測這兩個不同波長的偏移量來分辨溫度和應變。因為溫度和應變導致的布拉格波長的偏移量由式

(4)FBG諧波法

FGB諧波法和上面的雙波長FGB法原理是一樣的,只是這裡用的是FGB的二次諧波而不是兩個波長不同的FGB,當FGB的反射率很高時,折射率的調製有可能不是很好的正弦調製,從而導致了二次諧波的產生,而這兩個諧波的溫度和應變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時檢測溫度和應變。

(5)FBG和長周期光纖光柵(LpG)混合檢測

通過實驗發現,長周期光纖光柵(LpG)的溫度和應變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應變靈敏度的話,就可以通過結合FBG和LGP實現溫度和應變的分辨。這種方法的缺點是:長周期光柵的頻寬大容易影響測量精度和復用能力;而且長周期光柵的長度較長,埋設進材料後受非均勻應變場的影響很大,從而降低測量精度。

除了以上凡種典型的應變溫度分辨方法外,還有採用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實用的分辨技術還有待進一步研究。

4 布拉格光纖光柵感測器的封裝埋設技術

光纖感測器的研究重點方向就是所謂的“智慧型材料結構”,即可以實時採集材料結構自身的受力,溫度等參數,來實現對材料整體性能的智慧型檢測。在“智慧型材料”這方面,光纖光柵感測器有很好的潛力,非常適用於這種準分散式感測套用,因為光纖光柵是波長編碼的,在材料中不同的監測點埋設不同波長的光柵作為感測元件,再通過使用波分復用和時分復用技術就可以實現成百上千感測點的準分散式感測,就可以實現“智慧型材料結構”,而正確的埋設方法也是其中的一個重要環節,研究者對布拉格光纖光柵感測器的封裝與埋設也做了大量的研究,主要集中在以下方面:

(1)感測光柵的保護問題

由於光纖光柵實際上是一段光纖,所以它在剪下力的作用下很容易斷,所以在埋設的過程中須對它採取相應的保護措施,進行相應的封裝。

(2)感測光柵與材料之間的應力傳遞的建模

在應力感測過程中,感測光柵是埋設入材料中的,所以應力並不是直接作用在感測光柵上的,這就意味著在材料和光柵之間存在一個力的傳遞問題,這是提高感測準確度的一個重要方面。這就需要利用材料力學的知識建立適當的模型進行分析,更精確的分析還要採用有限元分析法。

(3)多軸應變的產生的影響

對於光纖光柵的埋設,光柵上受到的應力有可能是多個方向的,除了軸向應力還有橫向應力,橫向應力會使光纖產生雙折射現象,也即導致了原來的單峰反射譜分裂成兩個反射峰,這就給中心波長的準確檢測帶來了一定的困難。

由此可見，光柵的埋設技術是非常複雜的，如果需要準確感測，需要考慮的因素非常多，其中包括光柵的保護，材料與光柵之間應力的傳遞，應力引起的雙折射效應以及非均勻應力引起的光譜展寬等等。