布拉格光纤光栅感测器
1 布拉格光纤光栅感测器的特点
1978年加拿大握太华通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,并採用驻波法製成世界上第一只光纤光栅。但是由于这种刻写方法的效率很低且灵活性差,在光纤光敏性被发现后的十年内未引起很大的注意。直到1989年,美国联合技术研究中心的GMetlz等人利用高强度的紫外雷射所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中的折射率调製,即形成光纤光栅。这种刻写方法效率高,且灵活性好,可以刻写不同周期的光纤光栅。横向写入法的发明使光纤光栅技术取得了突破性的进展,此后的十多年里,光纤光栅一直是光纤通信和光纤感测领域的研究热点之一。
布拉格光纤光栅可以作为一种光纤感测器,它和光纤感测器一样,与传统的电感测器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。且由于它是波长编码的,使得它与传统的光纤感测器相比,又有许多优点,如:精度不受光源强度影响,受环境影响小,更加容易复用和实现分散式感测等。利用光纤布拉格光栅感测系统复用能力强,重量轻,体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现準分散式测量,因而是最有希望的智慧型感测网路技术。
光纤光栅感测器的套用範围非常广,民用工程中的结构监测是光纤光栅感测器套用的一个热点,在桥樑、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。基础结构的状态,力学参数的测量对于桥樑、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤光栅感测器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤光栅感测器可以串接成一个网路对结构进行準分散式检测,感测信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中,光纤光栅感测器成为结构监测的最重要手段。
航空航天业是一个使用感测器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的感测器超过100个,因此感测器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅感测器具有体积小,重量轻,灵敏度高等优点,将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中,组成準分散式智慧型感测网路,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。
小尺寸的感测器在医学套用中是非常有意义的,光纤光栅感测器是现今能够做到最小的光纤感测器。光纤光栅感测器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅感测器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。
核工业存在高辐射,核泄漏对人类是一个极大的威胁,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的感测器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网路来监视核废料站的状况,对监视网路长期稳定的要求也是前所未有的,而光纤光栅感测网路可以满足这些要求。
除了以上套用外,光纤光栅感测器在其他方面也有许多套用,例如:
(3)用光纤光栅製作的机械工具系统结构形变监测感测器,可以探测到实用结构微米量级的形变,其误差为0.4%。
2 布拉格光纤光栅感测研究进展
由于布拉格光纤光栅感测器具有以上许多不可替代的优点以及广泛的套用前景,自从横向紫外曝光刻写技术面世以来,布拉格光纤光栅感测器得到了学术界和产业界的广泛关注,在短短的十凡年内得到了飞速发展,针对布拉格光纤光栅智慧型感测网路的实用化研究和套用已经取得了一些进展,这主要集中在以下几个方面:
布拉格光纤光栅感测器的波长解调技术
光纤光栅感测器经过十余年的研究与发展,至今己经出现了许多波长解调技术。在实验室,波长解调可以用高精度的光谱仪来实现,但是由于光谱仪的价格昂贵,而且体积大,不适于实际套用,所以需要结构紧凑,成本低的解调系统。具体解决方案主要包括宽频光滤波法可调谐窄带滤波器法,光干涉法,雷射器扫描法。成像光谱分析法等。这些方法有着不同的解析度和动态範围,针对不同的套用选择相应的解调方案,可以很好的适用于各种实际套用。
1)宽频光滤波法
该方法通过宽频光源发出的宽频光:经隔离器,3dB锅合器后,到感测光栅反射滤波,反射回窄带光,再经过宽频滤波器(WDM祸合器),由于宽频滤波器的滤波特性与波卜轰有关,则反射光经滤波后探测到的能量与波长有关,再通过相应的电子信号处理就能检测出FBG中心波长的偏移量。这种方案实现简单,但是精度比较低,波长解析度大概10pm左右。
2)可调谐窄带滤波器法
3)光干涉检测法
该方法检测光纤光栅感测器波长移动是通过一非平衡光纤Mach一Zehnder干涉仪来实现的。宽频光源发出的光经过祸合器入射到感测FBG上,被FBG反射的光再通过藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉仪。这样,被FBG反射的这部分光就有效地转化为干涉仪的入射光源,由感测光纤光栅扰动引入的波长移动也就成为此光源的波长(光频率)调製信号。由于干涉仪输出的相位对非平衡千涉仪的输入波长存在着固有的依赖关係,布拉格彼长的移动就转换为相位的变化,再通过检a}n}干涉仪输出光的相位的变化就可以得到布拉格波长的移动情况。
4)可调谐扫描雷射器法
可调谐扫描雷射器法主要是通过可调谐雷射器的波长可调谐性来动态跟蹤感测FBG的中心波长。
5)CCD成像光谱分析法
在CCD成像光谱解调系统中,波长分到提通过个色散元件叻口稜镜或光栅)来实现的,色散元件把波长转变为CCD探测器阵列的像元位置,这样就把测量光谱线的问题转化为判断光斑所在像元的问题。通常由于FBG的光谱中心分布在几个相令巧的像元上,所以要準确检测中心波长的位置,还必须採用相应的算法来实现。CCD成像光谱法有才民大的局限性,即实用的CCD波长回响範围在900nm以下,所以只能对中心波长在900nm以下的光栅感测器解调。
3 布拉格光纤光栅感测器应变温度分辨
由于布拉格光纤光栅的中心波长同时受到温度和应变的影响,所以感测具体参量的时候必须通过相应的方法把这两个效应区分开。布拉格光纤光栅的温度和应变灵敏度如表经过研究,已经提出了许多方案来实现温度和应变的同时检测,主要包括以下方法:
(1)参考FBG法
这种方法的原理是引入一个参考FGB,使其不受应变影响而只受温度影响,同时这个参考FGB和感测FGB处于相同的环境,这样就可以通过这个参考FGB来检测出温度,再从感测FGB总的波长偏移量中除去参考FGB的温度影响,就可以把温度和应变区分开。
(2)蚀刻FBG法
这种方法通过蚀刻FGB,刻有FGB的那段光纤的芯径尺寸呈线性递减关係,这样当对其轴向施加均匀应力时,沿轴向的应变也是呈线性关係,这样就导致了惆啾,即反射频宽的变化,而温度对其影响只是使其中心波长偏移,而不改变频宽,也就是频宽是温度不敏感的,通过检测频宽的变化就可以把温度效应导致的误差除去。但是这种方法的缺点是减小了光纤的强度,也即减小了感测的範围。
(3)双波长FBG法
这种方法的原理是通过在光纤的同一个位置写入两个波长不同的FGB,然后检测这两个不同波长的偏移量来分辨温度和应变。因为温度和应变导致的布拉格波长的偏移量由式
(4)FBG谐波法
FGB谐波法和上面的双波长FGB法原理是一样的,只是这里用的是FGB的二次谐波而不是两个波长不同的FGB,当FGB的反射率很高时,折射率的调製有可能不是很好的正弦调製,从而导致了二次谐波的产生,而这两个谐波的温度和应变灵敏度不同,通过矩阵法就可以同时检测温度和应变。
(5)FBG和长周期光纤光栅(LpG)混合检测
除了以上凡种典型的应变温度分辨方法外,还有採用取样布拉格光纤光栅等方法,但是真正能实用的分辨技术还有待进一步研究。
4 布拉格光纤光栅感测器的封装埋设技术
光纤感测器的研究重点方向就是所谓的“智慧型材料结构”,即可以实时採集材料结构自身的受力,温度等参数,来实现对材料整体性能的智慧型检测。在“智慧型材料”这方面,光纤光栅感测器有很好的潜力,非常适用于这种準分散式感测套用,因为光纤光栅是波长编码的,在材料中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为感测元件,再通过使用波分复用和时分复用技术就可以实现成百上千感测点的準分散式感测,就可以实现“智慧型材料结构”,而正确的埋设方法也是其中的一个重要环节,研究者对布拉格光纤光栅感测器的封装与埋设也做了大量的研究,主要集中在以下方面:
(1)感测光栅的保护问题
(2)感测光栅与材料之间的应力传递的建模
在应力感测过程中,感测光栅是埋设入材料中的,所以应力并不是直接作用在感测光栅上的,这就意味着在材料和光栅之间存在一个力的传递问题,这是提高感测準确度的一个重要方面。这就需要利用材料力学的知识建立适当的模型进行分析,更精确的分析还要採用有限元分析法。
(3)多轴应变的产生的影响
对于光纤光栅的埋设,光栅上受到的应力有可能是多个方向的,除了轴向应力还有横向应力,横向应力会使光纤产生双折射现象,也即导致了原来的单峰反射谱分裂成两个反射峰,这就给中心波长的準确检测带来了一定的困难。
由此可见,光栅的埋设技术是非常複杂的,如果需要準确感测,需要考虑的因素非常多,其中包括光栅的保护,材料与光栅之间应力的传递,应力引起的双折射效应以及非均匀应力引起的光谱展宽等等。
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