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光纤光栅传感系统的详细介绍

作者:admin发布时间:2020-07-20 22:50

  本文先容了光纤光栅传感编制的组成,理解了光纤光栅传感编制所用的3种差异的光源LED,LD和掺铒光源的本能,阐发了光纤光栅传感器的作事道理和各样差异的温度和应力的分别衡量形式,描绘了滤波法、干预法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技巧,最终,提出合适改日的必要怎样对光纤光栅传感编制的光源、光纤光栅传感器和信号解调实行优化。

  自1978年,加拿大的Hill等人初次正在掺锗石英光纤中浮现光敏景色并采用驻波法筑设出宇宙上第一根光纤光栅和1989年美邦的Melt等人完成了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技巧以还,光纤光栅的筑设技巧不时完美,人们对光纤光栅正在光传感方面的讨论变得更为遍及和长远。光纤光栅传感用具有平常传感器抗电磁作梗、活络度高、尺寸小、重量轻、本钱低,适于正在高温、腐化性等境遇中操纵的长处外,还具有本征自相合才具强和正在一根光纤上愚弄复用技巧完成众点复用、众参量漫衍式分别衡量的奇异上风。故光纤光栅传感器已成为暂时传感器的讨论热门。由光源、光纤光栅传感器和信号解调编制为主组成的光纤光栅编制怎样可能正在下降本钱、降低衡量精度、餍足及时衡量等方面的条件下,使各局部到达最优立室,餍足光纤光栅传感编制正在今世化各个周围适用化的必要也是讨论职员重心商酌的题目。

  本文对光纤光栅传感编制实行了先容,对光纤光栅编制的宽带光源实行了讲明,重心理解了光纤光栅传感器的传感道理及怎样分别衡量技巧,对信号常用的信号解调形式实行了总结,最终,提出为合适改日的必要对编制各局部的优化方法。

  光纤光栅传感编制苛重由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等构成。宽带光源为编制供应光能量,光纤光栅传感器愚弄光源的光波感受外界被衡量的消息,外界被衡量的消息通过信号解调编制及时地响应出来。

  光源本能的诟谇决心着全豹编制所送光信号的诟谇。正在光纤光栅传感中,因为传感量是对波长编码,光源务必有较宽的带宽和较强的输出功率与安祥性,以餍足漫衍式传感编制中众点众参量衡量的必要。光纤光栅传感编制常用的光源的有LED,LD和掺杂差异浓度、差异品种的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽,可到达几十个纳米,有较高的牢靠性,但光源的输出功率较低,且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相合性强、功率高的特征。但LD光谱的安祥性差(4×10-4/℃)。所以,这2种光源本身的过失限制了它们正在光传感中的使用。掺杂差异品种、差异浓度的稀土离子的光源讨论最遍及的是掺铒光源。现正在C波段掺铒光源仍然研制告捷并操纵,跟着光通讯中对通讯容量和速率的央求及漫衍式光纤传感辘集布点对光源带宽央求,L波段的讨论越来越首要。有讨论者提出C+L波段的研制计划以降低光源的带宽和功率。掺铒光源正在温度安祥性方面比半导体光源降低2个数目级,同时,能供应较高的功率、宽的带宽和较长的操纵寿命,所以,可能夸大光纤光栅传感器的衡量局限,降低检测的信噪比。

  光纤光栅传感器可能完成对温度、应变等物理量的直接衡量。因为光纤光栅波长对温度与应变同时敏锐,即温度与应变同时惹起光纤光栅耦合波长搬动,使得通过衡量光纤光栅耦合波长搬动无法对温度与应变加以分别。所以,办理交叉敏锐题目,完成温度和应力的分别衡量是传感器适用化的条件。通过必然的技巧来测定应力和温度转折来完成对温度和应力分别衡量。这些技巧的基础道理都是愚弄两根或者两段具有差异温度和应变反映活络度的光纤光栅组成双光栅温度与应变传感器,通过确定2个光纤光栅的温度与应变反映活络度系数,愚弄2个二元一次方程解出温度与应变。分别衡量技巧大要可分为两类,即,众光纤光栅衡量和单光纤光栅衡量。

  众光纤光栅衡量苛重征求同化FBG/长周期光栅(long period grating)法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各样形式各有优过失。FBG/LPG法解调轻易,但很难保障衡量的是统一点,精度为9×10-6,1.5℃。双周期光纤光栅法能保障衡量地方,降低了衡量精度,但光栅强度低,信号解调贫窭。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度安祥性好、体积小、衡量精度高,精度可达20×10-6,1℃,但F-P的腔长调理贫窭,信号解调繁杂。双FBG重叠写入法精度较高,然则,光栅写入贫窭,信号解调也斗劲繁杂。

  单光纤光栅衡量苛重征求用差异聚集物资料封装单光纤光栅法、愚弄差异的FBG组合和预制应变法等。用聚集物资料封装单光纤光栅法是愚弄某些有机物对温度和应力的反映差异增众光纤光栅对温度或应力活络度,征服交叉敏锐效应。这种形式的制制轻易,但抉择聚集物资料贫窭。愚弄差异的FBG组合法是把光栅写于差异折射率和温度敏锐性或差异温度反映活络度和掺杂资料浓度的2种光纤的维系处,愚弄差异的折射率和温度活络性差异完成分别衡量。这种形式解调轻易,且解调为波长编码避免了应力凑集,但具有损耗大、熔接处易断裂、衡量局限偏小等题目。预制应变法是起首给光纤光栅施加必然的预应变,正在预应变的处境下将光纤光栅的一局部稳固地粘贴正在悬臂梁上。应力开释后,未粘贴局部的光纤光栅形变规复,此中央反射波长褂讪;而粘贴正在悬臂梁上的局部形变不行规复,从而导致了这局部光纤光栅的中央反射波长改造,所以,这个光纤光栅有2个反射峰,一个反射峰(粘贴正在悬臂梁上的局部)对应变和温度都敏锐;另一个反射峰(未粘贴局部)只对温度敏锐,通过衡量这2个反射峰的波长漂移可能同时衡量温度和应变。

  正在光纤光栅传感编制中,信号解调一局部为光信号治理,杀青光信号波长消息到电参量的转换;另一局部为电信号治理,杀青对电参量的运算治理,提取外界消息,并以人们熟谙的形式显示出来。此中,光信号治理,即传感器的中央反射波长的跟踪理解是解调的要害。光纤光栅传感器中央反射波长最直接的检测仪器是光谱仪。这种形式的长处是机合轻易、操纵轻易。过失是精度底、价值高、体积大,况且,不行直接输出对应于波长转折的电信号。所以,不行餍足适用化自愿掌管的必要。为此,人们讨论并提出了众种解调形式,以完成信号的急迅、切确提取。可分为滤波法、干预法、可调窄带光源法和色散法等。

  滤波法征求体滤波法、立室光栅滤波法、可调谐F-P滤波法。体滤波法的元件是波分复用器。作事道理是从耦合器出射的光分成等强度的两束,一束经与波长相合的滤波器滤波;另一束行为参考光束,两束出射光颠末光电探测器酿成电信号,颠末治理消逝光功率转折的影响,最终,取得与光纤光栅中央波长相合的输出值。该形式可能完成动态和静态参量的衡量。差别力为375x10-6,动态应变衡量反映速率不越过100Hz立室光栅滤波法是愚弄其他的FBG或带通滤波光器件,正在驱动元件的用意下跟踪FBG的波长转折,然后,通过衡量驱动元件的驱动信号来获取被测应力或温度。该形式机合轻易、线。该形式可能完成静态衡量。但这种形式的亏欠之处是2个光栅要正经立室,且传感光栅的衡量局限不大。可调谐F-P滤波器法是传感阵列FBG的反射信号进入可调光纤F-P滤波器(FFP),调理FFP的透射波长至FBG的反射峰值波长时,滤波后的透射光强到达最大值,由FFP驱动电压透射波长合联可得FBG的反射峰值波长。扫描加上扰动信号组成波长锁定闭环,其应力差别力可达0.3×10-6。该解调法可完成动态和静态的衡量。因为FFP滤波器腔的调谐局限很宽,可能完成众传感器的解调。但高精度FFP本钱较高。

  滤波解调法机合轻易,但很难进一步降低其传感精度。干预法却具有更高精度,可能大大降低传感差别力。可调窄带光源解调法可获取很高的信噪比和差别力,实习所得最小波长差别力约为2.3pm,对应温度差别力约为0.2℃,但因为目前的光纤激光器的安祥性及可调谐局限不太理思,正在必然水平上节制了光纤光栅传感器的个数和操纵局限。

  为了合适改日光纤光栅传感编制收集化、阵势限、准漫衍式衡量。很众讨论者正正在光纤光栅传感编制的各方面实行不时的讨论,使编制取得优化。光纤光栅传感编制的优化苛重从三方面商酌,即,光源、光纤光栅传感器及信号解调。看待传感编制的优化,苛重是按照传感器的数目、传感器的活络度息争调编制的差别力,按照实践的衡量必要,装备差异的光源、传感器息争调编制,使得本钱低、衡量差错小、衡量精度高。针对改日光纤光栅传感编制收集化的央求,应操纵安祥性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱等离子的光源是以来开展的重心。光纤光栅传感器既能完成单参量的衡量,又能完成众参量的衡量。当单参量衡量时,应降低传感器的活络度和测试精度。正在实践使用中,要留神传感器的活络度和量程之间的折中。活络度高了,量程自然小了。这是由于光纤光栅的应变有一个极限值,越过这个极限值光栅就会被损害。为完成准漫衍式衡量,传感器复用数目较众,正在安顿传感器时,有时一个点要安顿活络度差异的众个传感器,以完成温度和压力的阵势限衡量。因为传感量苛重是轻细波长偏移为载体,因此,一个适用的信号解调计划务必具有极高的波长差别力。其次,要办理动态与静态信号的检测题目,更加是二者的连系性检测已成为光栅传感适用解调技巧中的难点。光纤光栅传感编制使用最大的上风正在于很好地实行传感器的复用完成漫衍式传感,如,美邦的Micron Optics公司,新推出的FBGSLI采用可调激光扫描形式,愚弄时分技巧,可能同时对四道光纤众达256个Bragg光栅实行盘问。所以,改日的光纤光栅传感编制将能餍足单点高精度的及时衡量,又能合适收集化的准漫衍式的众点、众参量的测试央求,正在改日的传感周围发扬更大的用意。

  跟着对光纤光栅传感编制的长远讨论,其讨论的重心:一是对传感器能同时感测应变和温度转折的讨论;二是对信号解调编制的讨论;三是对光纤光栅传感器的封装技巧、温度积累技巧、光源安祥性、传感编制收集化等实践使用讨论。稀少是跟着全光收集的开展,光纤光栅传感编制可能使用成熟的波分复用、时分复用和空分复用技巧,以完成准漫衍式光纤传感,复用数目众、衡量精度高、活络度高的光纤光栅编制网将会正在出产周围中有更遍及的使用。