【文章內容簡介】 科畢業(yè)設計說明書 6 第 二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析 光柵折射率、柵距等會受到應變、溫度、壓強等外界環(huán)境變化的影響而發(fā)生改變，從而導致光柵的諸多特征參量，頻率、強度、偏振態(tài)、相位等產生變化。這樣，外界環(huán)境的應變、溫度、壓強等信息就可以通過檢測光柵的參量變化而得知。這種關系實質上是將外界信號加載到傳輸?shù)墓獠ㄖ?，屬于調制部分，然后從調制后的光波中提取所需信號并對其進行數(shù)據(jù)處理，屬于解調部分。光纖光柵傳感最重要的技術就是調制和解調，也是傳感技術研究的熱點。 本章節(jié)主要介紹光纖光柵傳感系統(tǒng)中的傳感理論及解調理論。 光纖光柵傳感理 論 光纖光柵傳感基本理論 光纖光柵的反射譜和透射譜與外界參量應變、溫度之間符合一定的量化關系，是光纖光柵傳感器的基本理論依據(jù)。這樣，對光纖光柵的反射譜和透射譜的變化進行檢測，就可以獲得待測物理量的相關信息。光纖光柵傳感器系統(tǒng)主要由三部分組成：光源、光柵傳感器和信號解調模塊。光源提供整個系統(tǒng)所需的光能量，光柵傳感器監(jiān)測外界物理量的變化，信號解調模塊解調經外界信號調制后的光波，提取待測物理量信息 [17]。光纖光柵傳感器系統(tǒng)結構如圖 21 所示： 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 7 圖 21 光纖光柵傳感系統(tǒng)結構圖 （ 1） 寬帶光源 光源 的 性能決定 了 整個系統(tǒng)光信號性能的好壞 ， 有 著十分 重要的作用 。 為了 達到 分布式傳感 系統(tǒng) 中多點多參量的測量 要求 ， 寬帶光源必須 具備 頻譜范圍較寬的穩(wěn)定輸出 ， 并 且具有較強的能量輸出 能力 。 隨著光源技術的不斷 深入 發(fā)展 ， 可滿足 傳感系統(tǒng) 性能要求 的寬帶光源的選擇也越來越多。 （ 2） 解調模塊 光纖光柵傳感 系統(tǒng) 的信號解調 包括 光信號處理和電信號處理兩部分 。 其中光信號處理 主要是 將經待測物理量調制 后的 光波信號轉化為電信號 。 經光電轉 換的電信號 再 通過 A/D 轉換 ，將模擬信號轉換 成 數(shù)字信號 ， 利用電信號處理 模塊 對光柵 相位 信息進行解碼。 （ 3） 光纖光柵 光纖材料具有光敏特性，在纖芯內部可以形成空間相位光柵，實質作用類似于在纖芯內部安裝一個窄帶濾光器或反射鏡。目前市面上，光柵種類眾多，其中布拉格光柵（ FBG）最為常見，周期為 101μm 左右。光柵 結構 示意圖如圖 22所示： 圖 22 光纖光柵結構示意圖 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 8 當入射到 FBG 的光束滿足 Bragg 條件（即：波長為 2B n? ??）的光將被反射 ， 反射 光譜在 Bragg 波長處出現(xiàn)反射峰 ， 透射光譜在 Bragg 波長處出現(xiàn)透射峰 ， 這是布拉格光柵用于傳感技術的基礎。 光纖光柵的傳感特性 光纖光柵作為傳感 裝置 ， 當待測物理量發(fā)生 改變 時 ， 其光譜也將發(fā)生相應的 改變 （如圖23所示） ， 反射譜的中心波長 產生 了漂移 ， 通過 檢測 波長漂移 量 ， 就可以 推算 待測物理量的變化。 圖 23 光纖光柵傳感原理譜圖 （ 1） 溫度對布拉格光纖光柵的影響 根 據(jù) 光纖光柵中心波長表達式 2B effn? ?? ， 當光柵 周圍 環(huán)境的溫度發(fā)生 改變 時 ， 通過微分可以 確定 Brrag 波長漂移 量 ??B 的表達式： TTnnnTTnnne f fe f fepe f fe f fe f fe f fB?? ????????????????????????????2])([222 （ 21） 式 （ 21） 中 ， Tneff ?? 指 光纖光柵折射率 溫度系數(shù) ， 用 ? 表示 ， epeffn )(? 指 熱膨脹 效應引起的彈光效應 ， ??? effn 指 由熱膨脹 效應引起 光纖芯徑變化而產生的波導效應 ， T??? 指 光纖熱膨脹系數(shù) ， 用 ? 表示 。 式（ 21） 可以 簡化為： TBB ?? ??? )( ???? （ 22） 由（ 22）式 可以 得到溫度靈敏度： TS B B????? ? ??? )(T （ 23） 式（ 23） 中， T?????? 1? 為 光纖的熱膨脹系數(shù) ，Tnn effeff ???? 1?為 熱光系數(shù) ， 一般情況下天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 9 ???? 。 對石英光纖來說 ， 其熱光系數(shù) 500 .6 8 1 0 /effnC? ??? ， 熱膨脹系數(shù) 10? ??? ， 由 上式可知對應的溫度敏感系數(shù)為 ： 10 / C?? 。 （ 2） 軸向應變對布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ， 應變 不僅會 改變 Brrag 光纖光柵的光柵常數(shù) ， 同時彈光效應 導致 FBG折射率發(fā)生 改變 ， 兩者分別表示為： ??????? llz （ 24） 3 1 2 1 1 1 2[ ( ) ]2e ffe ff xn P P Pn ? ???? ? ? （ 25） 式（ 25） 中 ， 11P 和 12P 為 彈光系數(shù) ， ν 為泊松比 ， 因而 有 ： ? ?1BezB P? ??? ?＝－ （ 26） 通過 變換表達方式 可以 得到應變靈敏度： zBBepS ?? ????? )1(ε （ 27） 式（ 27） 中 ， pe為材料 的彈光系數(shù) ， 可表示 成 ： ? ?? ?121112221 PPPnP e f fe ??? ? （ 28） 對純熔融石英 來說 ， 11 ? 、 12 ? 、 ?? 、 ? ， 可得 出 光纖光柵應變靈敏度系數(shù)為： 。 （ 3） 壓力對布拉格光纖光柵的影響 壓力變化 ( P? )對 FBG 中心波長產生的影響可由下式表示： 11[]e ffBB e ffn PP n P??? ??? ? ?? ? ? ? （ 29） 由于 ： (1 2 )PE??? ????? （ 210） 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 10 21 2 1 1(1 2 ) ( 2 )2e ff e ffe ffnn PPn P E ?? ? ? ?? （ 211） 可得： 21 2 1 112[ ( 1 2 ) ( 2 ) ]2e ffBBn P P PEE? ? ??? ?? ? ? ? ? ? （ 212） 上述通過 分析 溫度 、 壓力 、 應變等對光纖光柵中心波長 的 影響 ， 可 得知 當 光纖光柵 所處環(huán)境的物理量發(fā)生 改變 時 ， 會 引起 光纖光柵中心波長的漂移 ， 因此 只要檢 測出 光纖光柵 中心波長的漂移量 ， 就可以推算出相應 待測 物理量 的 信息。 光纖光柵解調理論 光纖光柵傳感器以其耐腐蝕 、 抗電磁干擾 、 傳輸損耗小 、 體積小 、 質量輕 , 便于復用等 獨特優(yōu)勢 已經成為目前光纖 光柵 傳感器系統(tǒng)的研究熱點 。目前波長解調技術是 制約 其發(fā)展的重要因素之一 ， 受到 眾多 專家 、 學者越來越 多 的關注 。近年來 ， 提出 的 光纖光柵解調 技術 方法有 ： 強度解調 、 相位解調 、 頻率解調 、 偏振解調 、 波長解調等 [18] 。常 見 的解調方法有 ：非平衡邁克爾遜干涉儀解調法 、 非平衡 MZ 干涉儀解調法 、 可調 諧 FP（ FabryPerot）腔濾波法 、匹配光柵濾波法 、 邊沿濾波解調等 。其 中非平衡 MZ干涉 解調法 分辨率高 、 插入損耗少 、 響應快 、 成本低 ； 匹配光柵解調法解調速度快 、 重復性好 、 分辨率較高 。 波長解調技術理論 外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，從波長的變化中即可提取被測物理量，這種解調方式稱之為波長解調。關于波長解調方法有很多，主要有光譜分析法，波長掃描法，光學濾波法等。 一 、 光譜分析法 光譜分析法原理：分光計將經傳感頭輸出的光進 行分光， CCD 探測器根據(jù)不同波長的光波光強分布相異對其進行檢測，光波長的偏移影響著光強分布，計算機通過數(shù)據(jù)處理分析可推算出波長偏移量所對應的外界待測量。圖 21 所示為光譜分析法結構示意圖，其中，光纖光柵作為傳感頭使用。圖 24（ a）為前向傳輸方式， 24（ b）為后向傳輸方式，參考光柵可以作為布拉格光柵反射波長 ?B的參考點。符合布拉格波長的光被 FBG 反射后，傳輸光譜中的布拉格波長成分將消失而形成譜谷，這樣，參考 FBG 和傳感 FBG 光譜谷的間距可由光譜分析儀測得，或者測量參考 FBG 譜谷和傳感 FBG 的間距，說明外界 信號（被測物理量）能夠引起布拉格波長的偏移 BB ??? ??? 39。 。該結構中的光譜分析儀，單色儀和傅里葉變換光譜儀都能滿天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 11 足實驗要求。 （ a）前向傳輸方式 （ b）后向傳輸方式 圖 24 光譜分析檢測法示意圖 二、波長掃描法 波長掃描法原理：用可調諧激光光源代替系統(tǒng)中的寬帶光源，使其 譜寬小于布拉格波長反射光的譜線寬度，并且，使光源產生的波長與光柵光譜接近，這樣，就可掃描可調諧激光輸出波長的光譜。只有滿足 2B effn? ??式的波長遇到 FBG 才會發(fā)生反射，因此，后向布拉格波長反射光要在探測器上產生強輸出，必須滿足 ?=?B，窄帶光源的光波經過可調諧濾波器，可以使其中心波長鎖定在該種狀態(tài)，此時，即可測知 ?B。布拉格波長會受到外界信號的影響而發(fā)生偏移至，光源的波長也會隨著布拉格波長的偏移而調諧至 BB ???39。 。 參考 FBG 的參數(shù)設置可以和傳感 FBG 基本一致，傳感 FBG 的中心波長會隨著參考光柵的布拉格反射波長的變化而發(fā)生偏移，從而被檢測到。當傳感 FBG 和參考 FBG 的中心波長相等時會產生強輸出，因此，此時的參考 FBG 的中心波長就是所需測量值，如圖 25 所示。靜態(tài)波長偏移和低頻動態(tài)波長偏移都可利用此種方法進行檢測，且其測量分辨率較高。 圖 25 參考波長掃描法示意圖 三、光學濾波法 光學濾波解調的基本原理是，在光纖光 柵的輸出光路中安置濾波器，析出于被測量相應天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 12 的波長偏移。 （ 1）線性濾波法 線性濾波法原理：分束比為 M/N 的 3dB 耦合器 C2將經過 FBG 的布拉格反射光分為兩束，其中一束光通過以線性函數(shù)為光譜透射率的濾波器之后，將作為信號光 IS，接著被光電探測器 D1接收；另一束則作為參考光 Ir直接被探測器 D2接收。此種方法適合便攜式的波長檢測 ，其結構原理如圖 26 所示。 圖 26 線性濾波法原理框圖 可知： )()( 0??? ?? AF （ 213） 式（ 213）中， A 為線性濾光器的斜率， ?0為零輸出（ F(?)=0）波長。 兩路信號經放大后相除，輸出為： )]/()[