分时复用光纤光栅振动传感器阵列.pdf

《分时复用光纤光栅振动传感器阵列.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据第37卷第1期2008年1月光子学报ACTAPHOTONICASINICAV01．37No．1January2008分时复用光纤光栅振动传感器阵列*江毅1，黄俊斌2(1北京理工大学信息学院光电工程系，北京100081)(2海军工程大学501室，武汉430033)摘要：结合基于3×3耦合器的光纤Mach—Zehnder干涉仪和可调谐光纤Fabry-Perot滤波器(Fiber-Fabry—Perot，FFP)，提出了一种分时复用光纤光栅振动传感器的技术．用FFP对串联在一根光纤上的光纤光栅的波长进行轮流扫描，让光栅的反射光按波长顺序依次通过FFP．而对于每

2、一光纤光栅上外加的振动信号，用光纤Mach—Zehnder干涉仪进行测量．实际测量结果显示，FFP结合Mach—Zehnder能够对每一只光栅上的振动信号进行分时测量．关键词：光纤光学；传感器技术；光纤传感器；光纤光栅；可调谐FFP；振动中图分类号：TP212．1；TN25文献标识码：A文章编号：1004—4213(2008)01一0073—40引言光纤光栅传感器技术目前得到了极大的发展和广泛的应用．温度和轴向应变会使光纤光栅的中心波长产生移动，因此光纤光栅被制作成了温度和应变传感器，或制作成为以此为基础的其它种类的光纤传感器[1]．由于可以将不同波长的光纤光栅

3、串联起来，因此大规模的复用技术是光纤光栅阵列传感器的关键．用可调谐FFP来扫描光纤光栅的反射光波长是一种简单易行的复用技术[2]，它可以轻易在一根光纤上实现数十只光纤光栅的测量，但扫描FFP的测量分辨率一般只能达到1pm，并且由于它是一种有源器件，测量频率仅有几百赫兹。测量高频小信号的一种可行的技术是用非平衡的光纤Mach-Zehnder干涉仪来作为波长鉴别器[3]．本文在此基础上开发了基于3×3耦合器的光纤Mach-Zehnder干涉仪对光纤光栅的波长移动进行解调n]，在实现高分辨率测量的同时，实现了高频信号的测量，测量频率可以不受测量原理的限制，而使用2只2

4、×2耦合器构成光纤Mach—Zehnder干涉仪解调FBG信号时，由于干涉仪回路需要加一PZT器件，将限制测量的工作频率．但这一测量技术本身只能对一只光纤光栅实现波长解调，而应用中一般需要测量多个点的信号．如在大型结构中监测多点的振动模态．文献E53提出了一种波分复用光纤光栅振动传感器阵列技术．但由于WDM器件的限制，在一根光纤上只能复用4只光纤光栅(FiberBraggGrating，FBG)．本文应用可调谐FFP滤波器结合非平衡Mach-Zehnder干涉仪，用分时复用的’国家自然科学基金(60277015)资助Tel：010—68913586Email：b

5、itj’r@bit．edu．cn收稿日期：2006-07—31方法实现了光纤光栅动态应变传感器的复用，在一根光纤上复用多达40只振动传感器．1测量原理将可调谐FFP和非平衡Mach—Zehnder干涉仪结合起来组成光纤光栅动态应变测量的复用原理如图1．宽带的ASE光源经耦合器后注入到串联的光纤光栅传感器阵列中，光纤光栅反射光经过可调谐FFP滤波后，进入由2×2耦合器和3×3耦合器组成的非平衡Mach-Zehnder干涉仪．干涉仪的3路输出进入解调器邛]，解调出光纤光栅上所受的动态应变(如声、振动等)．图1实验原理Fig．1ExperimentalsetupFFP

6、工作在波长扫描和波长锁定状态，由计算机输出控制信号．控制原理是：计算机控制锯齿波发生器，产生一扫描电压，对光纤光栅阵列进行扫描，同时探测干涉仪的3路输出信号．用软件对FFP的扫描输出进行计算，判断FBG的峰值位置∞]．当扫描到光纤光栅的中心波长时，锯齿波发生器就停止扫描，并控制FFP上外加电压的幅度，使之锁定在光纤光栅的中心波长上．此时，仅有某一个波长的光进入Mach-Zehnder干涉仪．解调器对干涉仪的3。_1万方数据74光子学报37卷路输出信号进行解调，获得对应光纤光栅上的被测振动信号．停留0．5s后，FFP又继续扫描下一只光纤光栅，直到所有光栅被扫描和测

7、量一遍，然后又重新开始下一轮波长扫描和信号测量．一3×3耦合器的3路输出信号互成120。，因此干涉仪的3路输出可以可以写为^=B+Ccos(乒)0^=B+Ccos(壬+j-Tt)of3=B+Ccos(≠一詈7【)(1)o式中B是背景光强，C是干涉条纹的对比度；事一_ZTrnd，A是光纤光栅的波长，咒是纤芯的折射率，nd^是干涉仪的光程差．外加振动信号使光纤光栅的波长发生变化，引起干涉仪的相位变化可以写为△西=一Zr．tndz32(2)。^。所以，由于振动引起光纤光栅波长变化12猷=一舍△声2一丢≥△≯(3-)由式(3)可见，在光纤光栅的波长和干涉仪的光程差确定后

8、，光纤光栅的波长变化与干