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光纤布拉格光栅传感技术

/fiber Prague grating sensing technology/
条目作者贾大功

贾大功

最后更新 2024-12-04
浏览 195
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利用光纤布拉格光栅作为传感器、用波长编码的一种传感技术。布拉格光纤光栅作为一种光纤传感器,具有不受电磁干扰、重量轻、体积小、不受腐蚀等特点;且由于他是波长编码的,使得与传统的光纤传感器相比,具有精度不受光源强度影响、受环境影响小、更加容易复用和实现分布式传感等。

英文名称
fiber Prague grating sensing technology
所属学科
光学工程

利用光纤布拉格光栅传感系统具有复用能力强、重量轻、体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量。民用工程中的结构监测是光纤布拉格光栅传感器应用的一个热点,如在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤布拉格光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤布拉格光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行准分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。在民用工程中,光纤布拉格光栅传感器成为结构监测的最重要手段。

光纤布拉格光栅传感技术经过研究与发展,出现了许多波长解调技术。波长解调可以用高精度的光谱仪来实现,由于光谱仪的价格昂贵,而且体积大,不适于实际应用,所以需要结构紧凑、成本低的解调系统。解决方法主要采用宽带光滤波法、可调谐窄带滤波器法、光干涉检测法、激光器扫描法、成像光谱分析法等。这些方法有着不同的分辨率和动态范围,针对不同的应用选择相应的解调方案,可以很好地适用于各种实际应用。

通过宽带光源发出的宽带光经隔离器,3分贝耦合器后到传感光栅反射滤波,反射回窄带光,再经过宽带滤波器,由于宽带滤波器的滤波特性与波长有关,则反射光经滤波后探测到的能量与波长有关,再通过相应的电子信号处理就能检测出FBG中心波长的偏移量。这种方案实现简单,但是精度比较低,波长分辨率约10皮米。

由发光二极管发出的宽带光,经耦合器到达光纤布拉格光栅传感器阵列,到达光纤布拉格光栅传感器反射回来的窄带光再经可调谐法布里-珀罗滤波器滤波,当光纤布拉格光栅传感器的中心波长与法布里-珀罗滤波器透射中心波长一致时,透射光能量最大。通过动态调谐法布里-珀罗滤波器的透射波长进行动态跟踪7T传感光栅的中心波长,就可以实现中心波长偏移量的解调。采用工作扫描方式很容易在一根光纤上复用多个光纤布拉格光栅传感器,这种方法解调精度较高,但扫描频率低,不适合高速率的动态传感。

该方法检测光纤光栅传感器波长移动是通过非平衡光纤马赫-曾德干涉仪来实现。宽带光源发出的光经过耦合器入射到光纤布拉格光栅传感器上,被反射的光再通过耦合器直接通入非平衡的马赫-曾德干涉仪。被反射光纤布拉格光栅传感器的这部分光就有效地转化为干涉仪的入射光源,由传感光纤光栅扰动引入的波长移动也就成为此光源的波长(光频率)调制信号。由于干涉仪输出的相位对非平衡干涉仪的输入波长存在着固有的依赖关系,布拉格波长的移动就转换为相位的变化,再通过干涉仪输出光的相位的变化就可以得到布拉格波长的移动情况。

主要是通过可调谐激光器的波长可调谐性来动态跟踪光纤光栅传感器的中心波长。

在电荷耦合器件成像光谱解调系统中,波长(通过多个色散元件和棱镜或光栅)来实现的,色散元件把波长转变为电荷耦合器件探测器阵列的像源位置,把测量光谱线的问题转化为判断光斑所在像元的问题。通常由于光纤布拉格光栅的光谱中心分布在几个相似的像元上,所以要准确检测中心波长的位置,还必须采用相应的算法来实现。实用的电荷耦合器件波长响应范围在900纳米以下,所以只能对中心波长在900纳米以下的光栅传感器解调。


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