FBG光學(xué)傳感器基礎(chǔ)

　　概述

　　近幾十年以來，電氣傳感器一直作為測(cè)量物理與機(jī)械現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備發(fā)揮著它的作用。盡管它們?cè)?a href="http://ttokpm.com/soft/data/50-103/" target="_blank">測(cè)試測(cè)量中無處不在，但作為電氣化的設(shè)備，他們有著與生俱來的缺陷，例如信號(hào)傳輸過程中的損耗，容易受電磁噪聲的干擾等等。這些缺陷會(huì)造成在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，電氣傳感器的使用變得相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，甚至完全不適用。光纖光學(xué)傳感器就是針對(duì)這些應(yīng)用挑戰(zhàn)極好的解決方法，使用光束代替電流，而使用標(biāo)準(zhǔn)光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)。

　　在過去的二十年中，光電子學(xué)的發(fā)展以及光纖通信行業(yè)中大量的革新極大地降低了光學(xué)器件的價(jià)格，提高了質(zhì)量。通過調(diào)整光學(xué)器件行業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段擴(kuò)展到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，比如建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用等。

　　光纖傳感器簡(jiǎn)介

　　從基本原理來看，光纖傳感器會(huì)根據(jù)所測(cè)試的外部環(huán)境參數(shù)的變化來改變其傳播的光波的一個(gè)或幾個(gè)屬性，比如強(qiáng)度、相位、偏振狀態(tài)以及頻率等。非固有型 (混合型) 光纖傳感器僅僅將光纖作為光波在設(shè)備與傳感元件之間的傳輸介質(zhì)，而固有型光纖傳感器則將光纖本身作為傳感元件使用。

　　光纖傳感技術(shù)的核心是光纖–一條纖細(xì)的玻璃線，光波能夠在其中心進(jìn)行傳播。光纖主要由三個(gè)部分組成：纖芯(core)，包層(cladding)和保護(hù)層(buffer coating)。其中包層能夠?qū)⒗w芯發(fā)出的雜散光波反射回纖芯中，以保證光波在纖芯中具有最低的傳輸損耗。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)原理是纖芯的光折射率比包層的折射率高，這樣光波從纖芯傳播到包層的時(shí)候會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。最外面的保護(hù)層提供保護(hù)作用，避免外界環(huán)境或外力對(duì)光纖造成損壞。而且可以根據(jù)需要要強(qiáng)度和保護(hù)程序的不同，使用多層保護(hù)層。

　　圖1. 典型光纖的橫截面圖

　　光纖布拉格光柵(FBS)傳感器

　　光纖布拉格光柵傳感器是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

　　當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波，這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，如下面的方程 (1) 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(zhǎng)的光波，而其它波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播。

　　在方程 (1)中，λb 是布拉格波長(zhǎng)，n 是光纖纖芯的有效折射率，而 Λ 是光柵之間的間隔長(zhǎng)度，稱為光柵周期。

　　圖2. 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理

　　因?yàn)椴祭癫ㄩL(zhǎng)是光柵之間的間隔長(zhǎng)度的函數(shù)(方程 (1) 中的Λ)，所以光纖布拉格光柵可以被生產(chǎn)為具有不同的布拉格波長(zhǎng)，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來反射特定波長(zhǎng)的光波。

　　圖3. 光纖布拉格光柵透視圖

　　應(yīng)變以及溫度的改變會(huì)同時(shí)影響光纖布拉格光柵有效的光折射率 n 以及光柵周期Λ ，造成的結(jié)果就是光柵反射光波波長(zhǎng)的改變。光纖布拉格光柵反射波長(zhǎng)隨應(yīng)變和溫度的變化可以近似地用方程 (2) 中的關(guān)系來表示：

　　其中 Δλ 是反射波長(zhǎng)的變化而 λo 為初始的反射波長(zhǎng)。

　　右邊加號(hào)前的第一個(gè)表示式表示的是應(yīng)變的變化對(duì)反射波長(zhǎng)的影響。其中 pe 是應(yīng)變光學(xué)靈敏系數(shù)，而 ε 是光柵所受到應(yīng)變影響。加號(hào)后面的第二個(gè)表達(dá)式表示的是溫度的變化對(duì)波長(zhǎng)造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹系數(shù)而 αn 是溫度光學(xué)靈敏系數(shù)。αn 體現(xiàn)了光折射率因?yàn)闇囟茸兓斐傻挠绊懚?αΛ 體現(xiàn)了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。

　　正因?yàn)楣饫w布拉格光柵會(huì)同時(shí)受到應(yīng)變和溫度變化的影響，所以在計(jì)算反射波長(zhǎng)變化的時(shí)候既要同時(shí)考慮這兩種因素，又要分別對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量的時(shí)候，光纖布拉格光柵必須保持在完全不受應(yīng)變影響的條件下。你可以使用為此專門進(jìn)行封裝的FBG溫度傳感器，這種傳感器能保證封裝內(nèi)部光纖布拉格光柵的屬性不會(huì)耦合于任何外部的彎曲，拉伸，擠壓或扭曲應(yīng)變。在這種情況下，玻璃的熱膨脹系數(shù) αΛ 通常在實(shí)用中是可以忽略的;所以，因溫度變化而造成的反射波長(zhǎng)的改變就可以主要由該光纖的溫度光學(xué)靈敏系數(shù) αn 來決定了。

　　光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器在某種程序上講就更加復(fù)雜了，因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變會(huì)同時(shí)影響傳感器的反射波長(zhǎng)。為了正確地進(jìn)行的測(cè)量，在測(cè)試的時(shí)候，必須針對(duì)溫度對(duì)光纖布拉格光柵造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，可以使用一個(gè)與FBG應(yīng)變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來完成。得到測(cè)試結(jié)果以后，只需要簡(jiǎn)單地從FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)改變中減去由FBG溫度傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)改變就可以從方程 (2) 中消去加號(hào)右邊的第二個(gè)表達(dá)式，這樣做就補(bǔ)償了應(yīng)變測(cè)試中溫度變化造成的影響了。

　　安裝光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的過程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過程類似，而且FBG應(yīng)變傳感器有許多種不同的種類和安裝方法可供選擇，包含環(huán)氧樹脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。

　　探詢方法

　　由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長(zhǎng)，所以可以利用它來實(shí)現(xiàn)良好的波分復(fù)用 (WDM) 技術(shù)。這個(gè)特性使得可以在一條長(zhǎng)距離的獨(dú)立光纖上，以菊花鏈的形式連接多個(gè)不同的擁有特定布拉格波長(zhǎng)的傳感器。波分復(fù)用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個(gè)FBG傳感器分配了一個(gè)特定的波長(zhǎng)范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長(zhǎng)特性，就算在傳輸過程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強(qiáng)的損耗和衰減，傳感器測(cè)得的結(jié)果也仍然能夠保持準(zhǔn)確。

　　每一個(gè)獨(dú)立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)探詢器可探詢的總波長(zhǎng)范圍決定了在一條單獨(dú)的光纖上可以掛接的傳感器的數(shù)量。一般來說，因?yàn)閼?yīng)變改變?cè)斐傻牟ㄩL(zhǎng)改變會(huì)比溫度改變?cè)斐傻牟ㄩL(zhǎng)改變更加明顯，所以一般會(huì)為FBG應(yīng)變傳感器分配大概5納米的工作波長(zhǎng)范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長(zhǎng)范圍。又因?yàn)橥ǔ５牟ㄩL(zhǎng)探詢器能提供的測(cè)試范圍大概為60到80納米，所以一條光纖上掛接的傳感器數(shù)量一般可以從1個(gè)到80個(gè)不等 – 當(dāng)然，這要建立在各個(gè)傳感器反射波長(zhǎng)的區(qū)域在光譜范圍內(nèi)不會(huì)有重疊 (圖 4) 的基礎(chǔ)上的。因此，在選擇FBG傳感器的時(shí)候，需要仔細(xì)地選擇標(biāo)稱波長(zhǎng)以及工作波長(zhǎng)范圍來保證每一個(gè)傳感器都有其獨(dú)立的工作波長(zhǎng)區(qū)域。

　　圖4. 同一條光纖上掛接的每一個(gè)FBG傳感器必須具有其獨(dú)立的工作波長(zhǎng)范圍

　　一般的FBG傳感器會(huì)擁有幾個(gè)納米的工作波長(zhǎng)范圍，所以光學(xué)探詢器必須能夠完成分辨率為幾個(gè)皮米甚至更小的測(cè)量 – 一個(gè)相當(dāng)小的量級(jí)。探詢FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計(jì)是通常運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，它可以提供相當(dāng)高分辨率的光譜分析。但是，這些儀器一般來說非常昂貴，體積龐大并且不夠堅(jiān)固，所以在一些涉及各種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，如風(fēng)機(jī)葉片，橋梁，水管以及大壩等環(huán)境的監(jiān)測(cè)中，這些儀器都不適用。

　　一種更加堅(jiān)固的方法是引入了電荷耦合器件 (charge-coupled device - CCD) 以及固定的分散性單元，一般是指波長(zhǎng)位置轉(zhuǎn)換。

　　在這種方法中，會(huì)用一個(gè)廣譜的光源照射FBG傳感器 (或者一系列FBG傳感器)。這些反射光束會(huì)通過一個(gè)分散性單元，分散性單元會(huì)將波長(zhǎng)不同的反射光束分別分配到電荷耦合器件(CCD)表面不同的位置上去。如下圖5所示。

　　圖5. 使用波長(zhǎng)位置轉(zhuǎn)換法探詢FBG光學(xué)傳感器

　　這種方法可以快速并且同時(shí)地對(duì)掛接在光纖上的所有FBG傳感器進(jìn)行測(cè)量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比 (SNR)。舉例來說，如果我們希望在80納米的波長(zhǎng)范圍中實(shí)現(xiàn)1皮米的分辨率，那么我們需要一個(gè)包含80,000個(gè)像素點(diǎn)的線性CCD器件，這個(gè)像素指標(biāo)已經(jīng)比目前在市面上能夠找到的最好的線性CCD器件 (截至2010年7月) 的指標(biāo)高出了10倍以上。另外，因?yàn)閺V譜光源的能量是被分散到一個(gè)很廣的波長(zhǎng)范圍中，所以FBG反射光束的能量會(huì)非常小，有時(shí)候甚至?xí)o測(cè)量帶來困難。

　　目前最流行的方法是利用一個(gè)可調(diào)法珀濾波器來創(chuàng)造一束具有高能量，并且能夠快速掃頻的激光源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的廣譜的光源?？烧{(diào)的激光源將能量集中在一個(gè)很窄的波長(zhǎng)范圍里面，提供了一個(gè)具有很高信噪比的高能量的光源。這種體系結(jié)構(gòu)提供的高光學(xué)功率讓使用一條光纖掛載多個(gè)光學(xué)通道成為可能，這樣就能有效地減少多通道探詢器的成本并且降低系統(tǒng)的復(fù)雜度?；谶@種可調(diào)激光架構(gòu)的探詢器可以在一個(gè)相對(duì)大的波長(zhǎng)范圍里面以很窄的光譜帶進(jìn)行掃描，另一方面，一臺(tái)光探測(cè)器將與這個(gè)掃描同步，測(cè)量從FBG傳感器反射回來的激光束。當(dāng)可調(diào)激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)與FBG傳感器的布拉格波長(zhǎng)吻合的時(shí)候，光探測(cè)器就能測(cè)量到相應(yīng)的響應(yīng)。該響應(yīng)發(fā)生的時(shí)候可調(diào)激光的波長(zhǎng)就對(duì)應(yīng)了此時(shí)FBG傳感器處測(cè)得的溫度以及/或者應(yīng)變，如圖 6所示。

　　圖6. 用可調(diào)激光源法探詢FBG光學(xué)傳感器

　　使用這種方法進(jìn)行探詢可以達(dá)到大概1皮米的精度，對(duì)應(yīng)到傳統(tǒng)FBG傳感器的精度即是約1.2微應(yīng)變(FBG應(yīng)變傳感器)或約0.1攝氏度(FBG溫度傳感器)。因?yàn)榭烧{(diào)激光源法相對(duì)于其它的方法來說具有很高的光學(xué)功率，所以這種探詢法還可以適用于光纖長(zhǎng)度更大 (超過10千米) 的測(cè)量應(yīng)用中。

　　FBG光學(xué)傳感器的優(yōu)勢(shì)

　　通過使用光波代替電流以及使用標(biāo)準(zhǔn)光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)，F(xiàn)BG光學(xué)傳感解決了許多使用電氣傳感需要面臨的挑戰(zhàn)和解決的困難。光纖和FBG光學(xué)傳感器都是絕緣體，具有被動(dòng)性電學(xué)特性，并且不受電磁感應(yīng)噪聲的影響。具有高光學(xué)功率可調(diào)激光源的探詢器可以以很低的數(shù)據(jù)丟失率甚至是零丟失來完成長(zhǎng)距離的測(cè)量。同時(shí)，與電氣傳感器系統(tǒng)不同，一個(gè)光學(xué)通道可以同時(shí)完成多個(gè)FBG傳感器的測(cè)試，極大地減小了測(cè)試系統(tǒng)的體積，重量以及復(fù)雜度。

　　在一些外部環(huán)境條件惡劣的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中，一些常用的電氣傳感器，例如箔應(yīng)變片，熱電偶，以及振弦式傳感器已經(jīng)很難使用甚至已經(jīng)失效的情況下，光學(xué)傳感器是一個(gè)非常理想的解決辦法。因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器的用途以及安裝方法和這些傳統(tǒng)的電氣傳感器類似，所以從電氣測(cè)試方案過渡到光學(xué)測(cè)試方案會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。如果能夠?qū)饫w和FBG的工作原理有一個(gè)比較好的了解，那將幫助你更好地接受光學(xué)測(cè)試技術(shù)并駕馭這種新技術(shù)所帶來的所有優(yōu)勢(shì)。