光纖光柵的檢測技術(shù)第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)

第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日波長移動檢測方案由上述可知，光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是測量其波長的移動。通常測量光波長都是用光譜分析儀，包括單色儀和傅立葉變換光譜儀等。它的波長測量范圍寬，分辨率高，能測量出微小的應(yīng)變量，用于分布式測量也極為簡便，但它體積大，價(jià)格昂貴，一般都用于實(shí)驗(yàn)室中，不宜實(shí)際現(xiàn)場使用。在實(shí)際應(yīng)用中，還必須利用光纖光柵的優(yōu)良特性，研發(fā)高靈敏度、光能利用率高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高的新型傳感解調(diào)系統(tǒng)取代實(shí)驗(yàn)室中的光譜分析儀，以用于工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場實(shí)測與監(jiān)控。目前比較典型的主要有以下幾種波長移動檢測方案：光譜儀和多波長計(jì)檢測法，邊緣濾波檢測法，可調(diào)諧濾波檢測法，匹配光柵檢測法，波長可調(diào)諧光源解調(diào)法，CCD分光儀檢測法，非平衡M-Z干涉儀檢測法等。第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日1.光譜儀和多波長計(jì)檢測法在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，對波長移位最直接的檢測方法是：利用寬帶光源（如發(fā)光二極管LED），輸入光纖光柵，再用光譜儀（或多波長計(jì)）檢測輸出光的中心波長移位，如圖2。該法結(jié)構(gòu)簡單，具有可攜帶性、經(jīng)久耐用且易于使用和自動測試等特點(diǎn)，常用于實(shí)驗(yàn)室。第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日光譜分析儀原理光譜分析儀是檢測光波光譜的儀器，其工作原理如圖。在光譜儀中，通過調(diào)節(jié)衍射光柵的角度，使衍射光柵分離出不同的波長，分離出來的特定光波由反射鏡聚焦到光闌孔/探測器；旋轉(zhuǎn)衍射光柵可對波長范圍進(jìn)行掃描。使用光譜儀進(jìn)行測量，在光功率、信噪比、信道增益方面能夠得到較為理想的結(jié)果，對波長進(jìn)行測量，分辨率可達(dá)0.001nm，基本可滿足對光柵Bragg波長移位量的分辨。第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日多波長計(jì)原理若需要更精確的波長測量，可選用多波長計(jì)，其工作原理參見圖。在多波長計(jì)中，利用光波的干涉效應(yīng)將同相位的光信號加強(qiáng)的原理來對不用的光波進(jìn)行區(qū)分。從光纖來的光信號在通過分束鏡后，一部分由于反射到固定反射鏡，然后返回；另一部分透射到可移動的反射鏡，然后返回，這兩束同源但不同路徑的光束，在重新匯合時(shí)，某些特定波長的光信號將由于同相位而產(chǎn)生干涉、光強(qiáng)增加，被探測器捕獲。對可移動反射鏡進(jìn)行微調(diào)，可改變兩光束的光程差，以此來選擇對不用光波的掃描。多波長計(jì)對波長的測試非常精確，分辨率可達(dá)0.0004nm，能看到系統(tǒng)的噪聲平臺，但在功率測量方面不如光譜分析儀。第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.邊緣濾波器檢測法

基于邊緣濾波器的線性解調(diào)原理如圖所示，這種邊緣濾波器輸出光強(qiáng)的變化量與波長漂移量成正比，該濾波函數(shù)可表示為（1）將從傳感光柵反射回的、包含波長移位調(diào)制的光信號分成兩束，分別送到兩個(gè)不平衡的濾波器中，經(jīng)濾波器后兩光強(qiáng)相除，其結(jié)果就包含波長移位的信息第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日邊緣濾波線性解調(diào)系統(tǒng)原理

第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日從光纖Bragg光柵返回的光均勻分為兩束，一束直接送入探測器作為參考信號；另一束則通過濾波函數(shù)為式（1）的線性濾波器，再送入探測器，反射光是譜寬為的Gaussian分布，則接收到的光強(qiáng)分別為式中Is——信號光強(qiáng)；IR——參考光強(qiáng)；R——光纖的反射率；A——線性濾波器的比例系數(shù)。由式可見，和直接測量值呈線性關(guān)系，由此可求出動態(tài)的值。這種檢測方法基于光強(qiáng)檢測，適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有較好的線性輸出，測量范圍與探測器的分辨率成正比。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于采用了較好的補(bǔ)償措施，能夠有效地抑制光源輸出功率的起伏、連接干擾和微彎干擾等不利因素，且系統(tǒng)反應(yīng)迅速，成本較低，使用方便，在幾個(gè)mε測量范圍內(nèi)，該系統(tǒng)具有幾十個(gè)με的分辨率。

第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日光纖光柵激光器實(shí)現(xiàn)傳感此外，鑒于線性邊緣濾波檢測方案中，光電探測器輸出的信號電平非常低，信噪比低，會降低系統(tǒng)的測量分辨率，壓縮測量的動態(tài)范圍，又提出了一種光纖光柵激光傳感器，如圖所示。第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日該傳感器由一個(gè)980/1550nm的波分復(fù)用器和一段1.5m摻鉺光纖和光纖光柵構(gòu)成一只光纖激光器。摻鉺光纖一端拋光渡銀，制成全反射鏡，與光纖光柵一起構(gòu)成光纖激光器的選頻諧振腔。由980nm的摻鈦藍(lán)寶石激光器作泵浦，光纖激光器的工作波長由光纖光柵確定。圖右下方是摻鉺光纖激光器的熒光譜圖，激勵(lì)功率達(dá)到閾值功率（約2.7mW）時(shí)，開始出現(xiàn)激光，增至4.9mW時(shí)，輸出純激光。軸向應(yīng)力作用于光纖光柵，相應(yīng)改變激光器的輸出波長，同時(shí)激光器可以輸出足夠強(qiáng)的光功率。再將激光器的輸出光送入線性比例探測器去解調(diào)，即可測量出光纖光柵的波長移動。這一方案提高了測量信噪比，可達(dá)到的應(yīng)變測量分辨率為5.5με。第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日3.可調(diào)諧濾波檢測法

（1）可調(diào)諧波長的光纖Fabry-Perot濾波器

可調(diào)諧光纖Fabry-Perot濾波器（FFP）已廣泛應(yīng)用于傳感光柵的信號解調(diào)，其中，該濾波器可由Lorentz譜線形狀的帶通響應(yīng)描述，典型的帶寬為0.3nm，工作范圍為幾十個(gè)納米，受限于由兩平面鏡距離所決定的共振之間的自由光譜區(qū)（FSR）。通過壓電陶瓷（PZ）精確移動平面鏡的間距，可改變Fabry-Perot腔的的腔長，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧，參見下圖。當(dāng)前，可調(diào)諧FPF的掃描頻率可達(dá)1kHz。該濾波器有兩種工作形式：可檢測單個(gè)光柵的跟蹤（閉環(huán)）模式；可檢測多個(gè)光柵的掃描模式。為保證光纖光柵的反射信號總能被FFP檢測，F(xiàn)FP的自由光譜區(qū)應(yīng)大于光纖光柵的工作譜區(qū)。第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日可調(diào)諧波長的光纖Fabry-Perot濾波器檢測單個(gè)傳感光柵的跟蹤模式

第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日（2）聲光可調(diào)諧濾波器聲-光可調(diào)諧濾波器（AOTF）是一種由射頻（RF）驅(qū)動頻率可調(diào)諧的固態(tài)光濾波器，其中，AOTF的波長調(diào)諧范圍可寬至幾個(gè)毫米，時(shí)間響應(yīng)可小于5kHz，并具有窄的光譜帶寬。該器件可工作于多種模式，如分光計(jì)、顫動濾波器和跟蹤濾波器等。若提供覆蓋整個(gè)工作范圍的寬帶光源或光源組，AOTF可應(yīng)用于大規(guī)模光纖Bragg光柵陣列的波長復(fù)用。利用AOTF中不同頻率的多射頻信號，原理上可實(shí)現(xiàn)多光柵的并行檢測。聲光可調(diào)諧濾波器有兩種工作模式，即掃描模式和鎖定模式。在掃描模式中，AOTF受電壓控制振蕩器（VCO）在傳感波長范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，來自光柵的功率被記錄下來；在鎖定模式中，檢測系統(tǒng)采用反饋環(huán)來跟蹤特定的光柵波長，如圖。頻率偏離與濾波傳輸、光柵反射率和強(qiáng)度噪聲無關(guān)。該技術(shù)可跟蹤多光柵的波長，工作于傳輸和反射結(jié)構(gòu)。第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日聲-光可調(diào)諧濾波器檢測傳感光柵的原理

第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日4．匹配光柵檢測法在檢測端設(shè)置一參考光柵，其光柵常數(shù)與傳感光柵相同。參考光柵貼于一壓電陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加掃描電壓控制，如圖。當(dāng)傳感光柵處于自由態(tài)時(shí)，參考光柵的反射光最強(qiáng)，光探測器輸出信號幅度最高。這時(shí)控制掃描信號發(fā)生器使之固定輸出為零電平，當(dāng)傳感光柵感應(yīng)外界溫度和應(yīng)變時(shí)，發(fā)生移位，使參考光柵的反射光強(qiáng)下降，信號發(fā)生器工作，使參考光柵的輸出重新達(dá)到原有值，這時(shí)的掃描電壓對應(yīng)一定的外界物理量。第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日匹配光柵檢測的優(yōu)點(diǎn)是：消除了雙折射所引起的隨機(jī)噪聲，即對光纖內(nèi)光的偏振、相位等易變量都不敏感，而且對最終檢測的反射光強(qiáng)也無絕對要求，所以各類強(qiáng)度噪聲都不會對輸出結(jié)果有影響。但該方案的不足之處則是：系統(tǒng)的光損耗較大；系統(tǒng)的檢測靈敏度由PZT的位移靈敏度決定，和光纖光柵的高靈敏度不匹配；PZT的非線性會影響輸出結(jié)果；PZT的響應(yīng)速度有限，使這種方法只適合于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量。匹配光柵檢測法對多個(gè)參考光柵進(jìn)行波長掃描可構(gòu)成波分復(fù)用光纖傳感網(wǎng)。傳感光柵的Bragg波長移位由閉合控制系統(tǒng)自動跟蹤，可檢測的最小應(yīng)變?yōu)?.12。當(dāng)光柵帶寬窄到0.05nm時(shí)，應(yīng)變的最小分辨率改進(jìn)為~1；但是，如前所述，光柵的帶寬變窄，反射回來的信號也會減弱。第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日5．波長可調(diào)諧光源解調(diào)法可調(diào)諧窄帶光源的調(diào)諧原理是窄帶可調(diào)諧光輸入光纖光柵，并周期性地掃描其輸出波長以獲取光纖光柵的反射譜（或透射譜），由每次掃描反射光最強(qiáng)時(shí)的掃描電壓可知相應(yīng)的波長值。

第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日如上圖所示為一種高精度的連續(xù)可調(diào)諧摻餌光纖激光器檢測位于1550nm波段的傳感光柵。該檢測系統(tǒng)受限于激光器~2.3nm的波長調(diào)諧范圍，可檢測的最大溫度為180；檢測精度受限于PZT的精度，即2.3pm或~0.18。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于使用光纖激光器可以獲得比寬帶光源高得多的信噪比（SNR），并且獲得了2.3pm的高分辨率；不足之處在于高精度的PZT調(diào)諧器價(jià)格通常昂貴，其調(diào)諧范圍有限。并且，檢測速度受PZT響應(yīng)時(shí)間和控制回路的限制。PZT、AOTF窄帶可調(diào)諧光輸入多只光纖光柵，并周期性地掃描變化其輸出波長以掃描各光纖光柵的反射譜，由每次掃描反射光在相關(guān)波長域內(nèi)最強(qiáng)時(shí)的掃描電壓可知相應(yīng)的波長值，從而實(shí)現(xiàn)WDM傳感網(wǎng)絡(luò)。第十九頁，共二十一頁，2022年，8月28日6．CCD分光儀檢測法利用衍射光柵等分光元件，將傳感光柵的反射譜（或透射譜）經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后在空間展開，再用CCD同時(shí)直接測出各波長的相對光強(qiáng)，參見圖

第二十頁，共二十一頁，2022年，8月28日接收到的波長被轉(zhuǎn)換為沿探測單元陣列的位置信息，其波長分辨率由像素寬度描述的探測器表面的光柵線性色散所決定，單位為nm/pixel。采用該技術(shù)可獲得小于1με