光纤光栅的检测技术

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1、光纤光栅信号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）转换和传递的检测系统，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。从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如图，在传感过程中，光源发出的光波由传输通

2、道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收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。光纤光栅传感解调系统波长移动检测方案由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的移动。通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和傅立叶变换光谱仪等。它的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的应变量，用于分布式测量也

3、极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现场使用。在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程结构的现场实测与监控。目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD分光仪检测法，非平衡M-Z干涉仪检测法等。1.光谱仪和多波长计检测法在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源（如发光二极管LED），输入光纤光栅，再用光谱仪（

4、或多波长计）检测输出光的中心波长移位，如图2。该法结构简单，具有可携带性、经久耐用且易于使用和自动测试等特点，常用于实验室。光谱分析仪原理光谱分析仪是检测光波光谱的仪器，其工作原理如图。在光谱仪中，通过调节衍射光栅的角度，使衍射光栅分离出不同的波长，分离出来的特定光波由反射镜聚焦到光阑孔/探测器；旋转衍射光栅可对波长范围进行扫描。使用光谱仪进行测量，在光功率、信噪比、信道增益方面能够得到较为理想的结果，对波长进行测量，分辨率可达0.001nm，基本可满足对光栅Bragg波长移位量的分辨。多波长计原理若需要更精确的波长测量，可选用多波长计，其工作原理参见图。在多

5、波长计中，利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原理来对不用的光波进行区分。从光纤来的光信号在通过分束镜后，一部分由于反射到固定反射镜，然后返回；另一部分透射到可移动的反射镜，然后返回，这两束同源但不同路径的光束，在重新汇合时，某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强增加，被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调，可改变两光束的光程差，以此来选择对不用光波的扫描。多波长计对波长的测试非常精确，分辨率可达0.0004nm，能看到系统的噪声平台，但在功率测量方面不如光谱分析仪。2.边缘滤波器检测法基于边缘滤波器的线性解调原理如图所示，这种边缘滤波器输出光强的

6、变化量与波长漂移量成正比，该滤波函数可表示为（1）将从传感光栅反射回的、包含波长移位调制的光信号分成两束，分别送到两个不平衡的滤波器中，经滤波器后两光强相除，其结果就包含波长移位的信息边缘滤波线性解调系统原理从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束直接送入探测器作为参考信号；另一束则通过滤波函数为式（1）的线性滤波器，再送入探测器，反射光是谱宽为的Gaussian分布，则接收到的光强分别为式中Is——信号光强；IR——参考光强；R——光纤的反射率；A——线性滤波器的比例系数。由式可见，和直接测量值呈线性关系，由此可求出动态的值。这种检测方法基于光强检测，

7、适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点在于采用了较好的补偿措施，能够有效地抑制光源输出功率的起伏、连接干扰和微弯干扰等不利因素，且系统反应迅速，成本较低，使用方便，在几个mε测量范围内，该系统具有几十个με的分辨率。光纤光栅激光器实现传感此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中，光电探测器输出的信号电平非常低，信噪比低，会降低系统的测量分辨率，压缩测量的动态范围，又提出了一种光纤光栅激光传感器，如图所示。该传感器由一个980/1550nm的波分复用器和一段1.5m掺铒光纤和光纤光栅构成一只光纤激光器。掺铒光纤一端抛光渡银

8、，制成全反射镜，与光纤光栅一起构成光纤