光纤光栅时分复用传感系统

光纤光栅时分复用传感系统

耿淑伟,余有龙

摘要: 研制了光纤光栅时分复用传感系统,针对脉冲宽带光源的光束注入间隔为51. 75m、波长介于1550～1565nm的5个光纤光栅组成的光栅串,根据传感元间光纤延时程度的不同,利用模拟电子程控开关对来自不同光栅信号的选择通导,实现传感信号的地址查询;借助非平衡Michelson扫描干涉仪,待测量引起的来自查询传感元的波长漂移信息得到解调,从而成功地实现了时分复用传感. 在[0,550]με的测量范围内,系统传感灵敏度的实验值约为1.67°/με,与理论值非常吻合.

关键词: 光纤光栅;传感网络;时分复用;干涉解调

Fiber bragg grating sensor system using time-division

Multiplexing technique

GENG Shu-wei, YU You-long

Abstract:A five-element , time-division multiplexed, fiber Bragg grating sensor array operating between Wavelengths of 1550 and 1565nm was constructed and tested. A pulsed broadband source was employed to illuminate the gratings spaced 51.75 meters apart. According to the difference of the delay, interrogation was demonstrated by using a controlled electronic analog switch to select the returned signal of each grating. Measurand-induced changes in the wavelength of the light reflected by the interrogated element were demodulated by introducing an unbalanced Michelson scanning interferometer. Time- division multiplexing operation was demonstrated successfully. The measured sensitivity of this sensor system is about 1. 67°/με within the measured range of [0,550]με, which is in good agreement with the theoretical value.

Keywords:fiber Bragg grating; FBG array; time-division multiplexing; interferometric demodulation

大型施工项目都要考虑防、抗灾能力,这并不意味着会杜绝自然蜕化以及突发灾害的侵袭.若结构的重要部位埋入光纤光栅(FBG) ,用来监测温度、应变、压力、位移等量的变化,并在灾难发生时,经控制系统借助自动消防、智能阻尼以及其他响应装置来减小灾难的危害,使原本没有生命、不能感知灾害的工程成为具备预警功能的智能结构工程,因此FBG传感器在土木工程中的应用,正成为结构健康监测的重要课题之一.

FBG传感器的信息载体是光,无论以波长还是位相为监测对象都具有几乎是极限的传感精度;波长编码保证其传感结果不受系统整体光强和光纤、耦合器连接损耗以及其他器件插入损耗的影响;介电特性使其免受电磁场影响;本征型的该类传感器损耗低、光谱特性好、可靠性高、易于复用和网络化管理,可进行节点(Point)型准分布式传感;光纤相对来说比较柔软,传感回路易于植入或附着在结构表面,能够实时提供应变、温度以及结构完整性方面的信息,且布置比较灵活. 单光栅传感系统价格昂贵,很难推广,若将诸多传感光栅组合起来进行网络式监测,可大幅提高系统的性能价格比,因而引起人们的广泛关注.波分复用是常见的FBG网络化信号处理技术;受光源带宽限制,它所允许复用的数目有限. 若考虑对不同光栅信号依时

序进行分割,则为增加复用数目提供了新的途径.

本文利用光栅串中不同位置光栅对同一脉冲信号反射时间的差异,结合非平衡

Michelson 干涉仪解调技术,对5个光栅组成的光栅串成功地进行了时分复用传感.

1 原 理

脉冲宽带信号经m 个光栅反射后进入一臂长差为L 的非平衡Michelson 扫描干涉仪,其输出可以表示为

)]cos(1[01i i m

i i t k I I ψω∆++=

∑=

式中: Ii 取决于光栅i 的反射光强,并与光路中的损耗有关;ki 为与条纹可见度有关的系数;ω0 为干涉仪扫描角频率. 作用于光栅i 上的应变通过波长漂移引起的相移为

i i i Pe nL ελπψ

)1(4--=∆ （1）

式中: Pe 为光纤介质的有效弹光系数. 干涉仪输出无法直接读出所需应变信息,假设光栅呈等光程D 分布,栅长为l ,脉冲频率f 和占空比ρ满足

)(2)1(2/n l D c f D m c f -<-<ρ

引入程控选择开关, 使得光栅i 的信号通导,其他信号均被阻隔,滤掉载频信号,用相位计观测 相位变化便可监测该光栅的应变信息.

2 实验结果

图1所示的装置中,串接着的光栅Gi(i =1,2, …5) , 彼此间距为51. 75m,其布喇格波长分别为1552. 84、1555. 54、1557. 79、1558. 65以及1562. 44nm,各光栅的长度均为1cm,带宽约为0. 2nm. 脉冲宽带光源的平均输出功率为0. 75mW,经光栅串反射后由环形器耦合进入端镜反射率均接近90%的非平衡全光纤扫描Michelson 干涉仪,L 值为3. 2mm, M2 所在的短臂缠绕在一PZT 上,条纹的可见度为0. 3,经探测器转换为电信号并放大后由电子开关选择通导. 锯齿波驱动信号的频率为80Hz,占空比接近1.