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-divisionMultiplexing techniqueGENG Shu-wei, YU You-longAbstract: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 mi 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.时钟信号控制系统运作,其频率为100kHz,占空比为0.025,幅值为4V,直流电平为- 1. 5V;其触发信号通过控制延时信号发生器产生延时信号来控制开关. 延时量编程可控,用以确保被测信号到达开关位置时开关处于通导状态.延时信号脉宽为400ns,与时钟信号同频,设置延时量τ为56、556、1056、1556以及2056nS 时开关分别只对来自G1、G2、G3、G4 以及G5 光栅的信号通导(图2 (a)中b和图2 (b)中1均为G2处于通导时的开关输出). G1通导对应的延时量不为0,乃信号沿两路径传至开关位置的时程差不为0所至。

.考察任一光栅(如G2) , 对应开关输出为调制了的脉冲信号(见图2 (b)中曲线1所示) ,经[75,85] Hz带通滤波后见曲线2所示. 应变不变时,其位置不变. 随着应变的增加曲线向左平移,这表明扫描干涉仪将应力诱致的波长漂移变为相移,从而证实干涉仪的解调功能. 图3所示的实验曲线表明两者间呈线性关系,斜率1.6755°/με是本系统传感灵敏度的实验值. 所用光纤纤芯的折射率为1.4489,取Pe =0.22,式(1)确定的理论值为1.6739°/ με. 同样操作可以监测作用于G1、G3、G4以及G5上的应变, 测得各自对应的灵敏度为1.6718、1. 6691、1. 6684以及1. 6637°/με,其理论值分别为1. 6768、1. 6715、1. 6706以及1. 6665°/με,可见理论与实验结果基本一致. 干涉仪两臂间光程差以及相位计的分辨率决定了系统的传感分辨率,所用相位计分辨率为0. 01°,它使系统具备6nε的分辨能力.相位计结合峰值计数器时,系统应变测量范围主要取决于光栅的应变承受能力,甚至可达[ -4000,4000]με3结论对5个光栅组成的列阵成功地进行了时分复用传感探测,传感灵敏度的实验值与理论值基本一致. 结合空分复用技术将可极大地增加光栅复用数目,以植入的方式对复合材料或其他结构的内应力分布进行实时监测,使得皮蒙技术变为现实,在国防和民用工业中具有广阔的应用前景.参考文献:[1]BALL GA, MOREYWW, CHEOP K. Fiber laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation[J]. J Lightwave Technol , 1994, 12(4) :7002703.[2] VOLANTHENM, GEIGER H, COLEMJ , et al. Measurement of arbitrary strain profiles within fiber gratings[J]. Electron Lett , 1996, 32(11) :102821029.[3]XUMG, GEIGERH, DAKINJ P. Fiber grating pressure sensor with enhanced sensitivity using a glass-bubble housing[J]. Electron Lett , 1996, 32(2) :1282129.[4]YUYL, TAMHY, LIUZG, et al. Passive temperature compensation technique for fiber Bragg grating displacement sensor [J ]. Electron Lett , 1999, 35(25) :222422226.[5]DA VISMA, BELLEMOREDG, PUTNAMMA, et al. Interrogation of 60fiber Bragg grating sensors with microstrain resolution capability [ J ]. Electron Lett ,1996,32(15) :139321394.[6] RAOYJ , JACKSONDA, ZHANGL, et al. Strain sensing of modern composite materials with a spatial/wavelength2division multiplexed fiber grating network[J]. Opt Lett ,1996,21(9) :6832685.[7]BERKOFFTA, KERSEY AD. Fiber Bragg grating array sensor system using a band pass wavelength division multiplexer and interferometric detection[J]. IEEE Photon Technol Lett , 1996, 8(11) : 152221524.。