光纖光柵傳感器的基本原理及應(yīng)用
一、前言
1978 年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫(xiě)入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美 國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的G·Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫(xiě)入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光 柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光 柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。
光 纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空 間相位光柵，其實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件，它們都具有反射帶寬范圍大、 附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。
光 纖光柵的種類(lèi)很多，主要分兩大類(lèi)：一是Bragg光柵(也稱(chēng)為反射或短周期光柵)，二是透射光柵(也稱(chēng)為長(zhǎng)周期光柵)。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu) 和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵;其中，色散補(bǔ)償型光柵是非周期光柵，又稱(chēng)為啁啾光柵(chirp光柵)。目前光纖光柵的應(yīng) 用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。
在 光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um)、重量輕、耐溫性好(工作溫度 上限可達(dá)400℃～600℃)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無(wú)源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn)，早在1988年就成功 地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無(wú)損檢測(cè)當(dāng)中，同時(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域，以及在土木工程領(lǐng)域中(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中測(cè)定結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。
二、光纖光柵傳感器的工作原理
我們知道，光柵的Bragg波長(zhǎng)lB由下式?jīng)Q定：lB=2nL (1)
式中，n—芯模有效折射率; L—光柵周期。
當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量物理量變化前后 反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。如利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。此外，通過(guò)特定的技術(shù)，還 可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測(cè)量和同時(shí)測(cè)量。通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量也能實(shí)現(xiàn)。
1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理
上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè)量很有效，但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)量應(yīng)變或溫度沿光柵長(zhǎng)度的分布時(shí)就顯得力不從心。此時(shí)，采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會(huì)發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響，啁啾光纖光柵反射信號(hào)會(huì)拓寬，峰值波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴(lài)性(dn/dT)，僅會(huì)影響重心的位置。因此通過(guò)同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。
2、長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理
長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米，它在特定的波長(zhǎng)上可把纖芯的光耦合進(jìn)包層，其公式如下：li=(n0-niclad)·L (2)
式中，n0—纖芯的折射率;niclad—i階軸對(duì)稱(chēng)包層模的有效折射率。
光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍上有許多的共振，其共振的中心波長(zhǎng)主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長(zhǎng)位移，通過(guò)檢測(cè)Dli，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長(zhǎng)上共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而適用于構(gòu)建多參數(shù)傳感器。
三、光纖光柵傳感器的應(yīng)用
1、在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用
在地震檢測(cè)等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測(cè)是非常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性及其關(guān) 鍵活動(dòng)范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測(cè)以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面。活動(dòng)區(qū)的 應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)應(yīng)變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離，而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應(yīng)變則能夠在與震 源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測(cè)到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)量?jī)x。光纖 光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測(cè)等的要求，因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)疑具有較大的潛在用途。有報(bào)道指 出，光纖光柵傳感器已成功檢測(cè)了頻率為0.1Hz～2Hz，大小為10-9 e的巖石和地表動(dòng)態(tài)應(yīng)變。
2、在航天器及船舶中的應(yīng)用
先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對(duì)于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)的機(jī)翼)。
為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，普通船體大約需要100個(gè)傳感器，因此波長(zhǎng)復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳 感器最適合于船體檢測(cè)。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測(cè)量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測(cè)性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了帶 寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。
另外，為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)，起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因 此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測(cè)量的 理想智能元件。
3、在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來(lái)說(shuō)，通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀 況，方便進(jìn)行維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，還以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺 陷情況。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面，或在梁的表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中 (便于防護(hù))。如果需要更加完善的保護(hù)，則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋。同時(shí)，為了修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開(kāi)的傳感臂，并在每 一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。
兩個(gè)具有相同中心波長(zhǎng)的光纖光柵代替法布里-珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里-珀羅干涉儀(FFPI)，利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化，這一 方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。用FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG，其中一個(gè)光柵用來(lái)測(cè)應(yīng)變，另一個(gè)被保護(hù)起來(lái)(免受應(yīng)力影響)，以測(cè)量和修正溫度效應(yīng)， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三個(gè)量的測(cè)量：溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)，在5me的測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小于 1me的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。