光纤光栅的检测技术PPT
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边缘滤波线性解调系统原理
• 从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束,一束直接送入探测器 作为参考信号;另一束则通过滤波函数为式(1)的线性滤波器, 再送入探测器,反射光是谱宽为的Gaussian分布,则接收到的光 强分别为 1
IS 2 I 0 RA(B 0
)
IR
1 I0 R 2
可调Baidu Nhomakorabea波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的
跟踪模式
(2)声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器(AOTF)是一种由射频(RF)驱动 频率可调谐的固态光滤波器,其中,AOTF的波长调谐范 围可宽至几个毫米,时间响应可小于5kHz,并具有窄的 光谱带宽。该器件可工作于多种模式,如分光计、颤动滤 波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光 源或光源组,AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列 的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号,原理 上可实现多光栅的并行检测。 • 声光可调谐滤波器有两种工作模式,即扫描模式和锁定模 式。在扫描模式中,AOTF受电压控制振荡器(VCO)在 传感波长范围内的调节,来自光栅的功率被记录下来;在 锁定模式中,检测系统采用反馈环来跟踪特定的光栅波长, 如图。 • 频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。该技 术可跟踪多光栅的波长,工作于传输和反射结构。
光纤光栅激光器 实现传感
• 此外,鉴于线性边缘滤波检测方案中,光电探测器 输出的信号电平非常低,信噪比低,会降低系统的 测量分辨率,压缩测量的动态范围,又提出了一种 光纤光栅激光传感器,如图所示。
• 该传感器由一个980/1550nm的波分复用器和一段 1.5m掺铒光纤和光纤光栅构成一只光纤激光器。掺 铒光纤一端抛光渡银,制成全反射镜,与光纤光栅 一起构成光纤激光器的选频谐振腔。由980nm的掺 钛蓝宝石激光器作泵浦,光纤激光器的工作波长由 光纤光栅确定。图右下方是掺铒光纤激光器的荧光 谱图,激励功率达到阈值功率(约2.7mW)时,开 始出现激光,增至4.9mW时,输出纯激光。轴向应 力作用于光纤光栅,相应改变激光器的输出波长, 同时激光器可以输出足够强的光功率。再将激光器 的输出光送入线性比例探测器去解调,即可测量出 光纤光栅的波长移动。这一方案提高了测量信噪比, 可达到的应变测量分辨率为5.5μ ε。
光纤光栅传感解调系统
波长移动检测方案
• 由上述可知,光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的 移动。通常测量光波长都是用光谱分析仪,包括单色仪和 傅立叶变换光谱仪等。它的波长测量范围宽,分辨率高, 能测量出微小的应变量,用于分布式测量也极为简便,但 它体积大,价格昂贵,一般都用于实验室中,不宜实际现 场使用。在实际应用中,还必须利用光纤光栅的优良特性, 研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新 型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪,以用于工程 结构的现场实测与监控。 • 目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案:光谱 仪和多波长计检测法,边缘滤波检测法,可调谐滤波检测 法,匹配光栅检测法,波长可调谐光源解调法,CCD分光 仪检测法,非平衡M-Z干涉仪检测法等。
3.可调谐滤波检测法
• (1)可调谐波长的光纤F a b r y-P e r o t滤波器
• • 可调谐光纤F a b r y-P e r o t滤波器(FFP)已广泛应用 于传感光栅的信号解调,其中,该滤波器可由L o r e n t z 谱线形状的带通响应描述,典型的带宽为0.3nm,工作范 围为几十个纳米,受限于由两平面镜距离所决定的共振之 间的自由光谱区(FSR)。 • 通过压电陶瓷(PZ)精确移动平面镜的间距,可改变F a b r y-P e r o t腔的的腔长,从而实现滤波器的调谐,参见 下图。当前,可调谐FPF的扫描频率可达1kHz。该滤波器 有两种工作形式:可检测单个光栅的跟踪(闭环)模式; 可检测多个光栅的扫描模式。为保证光纤光栅的反射信号 总能被FFP检测,FFP的自由光谱区应大于光纤光栅的工 作谱区。
1.光谱仪和多波长计检测法
• 在光纤光栅传感系统中,对波长移位最直接的检测方法是: 利用宽带光源(如发光二极管LED),输入光纤光栅,再 用光谱仪(或多波长计)检测输出光的中心波长移位,如 图2。该法结构简单,具有可携带性、经久耐用且易于使 用和自动测试等特点,常用于实验室。
光谱分析仪原理
• 光谱分析仪是检测光波光谱的仪 器,其工作原理如图。在光谱仪 中,通过调节衍射光栅的角度, 使衍射光栅分离出不同的波长, 分离出来的特定光波由反射镜聚 焦到光阑孔/探测器;旋转衍射 光栅可对波长范围进行扫描。使 用光谱仪进行测量,在光功率、 信噪比、信道增益方面能够得到 较为理想的结果,对波长进行测 量,分辨率可达0.001nm,基本 可满足对光栅Bragg波长移位量 的分辨。
2.边缘滤波器检测法
• 基于边缘滤波器的线性解调原理如图所示,这种边缘滤波器输出光强 的变化量与波长漂移量成正比,该滤波函数可表示为 • F ( ) A( 0 ) (1) • 将从传感光栅反射回的、包含波长移位调制的光信号分成两束,分别 送到两个不平衡的滤波器中,经滤波器后两光强相除,其结果就包含 波长移位的信息
多波长计原理
• 若需要更精确的波长测量,可选用多波长计,其工作原理参见图。 在多波长计中,利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原 理来对不用的光波进行区分。从光纤来的光信号在通过分束镜后, 一部分由于反射到固定反射镜,然后返回;另一部分透射到可移 动的反射镜,然后返回,这两束同源但不同路径的光束,在重新 汇合时,某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强 增加,被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调,可改变两光束 的光程差,以此来选择对不用光波的扫描。多波长计对波长的测 试非常精确,分辨率可达0.0004nm,能看到系统的噪声平台, 但在功率测量方面不如光谱分析仪。
IS A(B 0 ) IR
• • • • •
式中 Is——信号光强; IR——参考光强; R ——光纤的反射率; A ——线性滤波器的比例系数。 由式可见,和直接测量值呈线性关系,由此可求出动态的值。 这种检测方法基于光强检测,适用于动态、静态测量,具有较好 的线性输出,测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点 在于采用了较好的补偿措施,能够有效地抑制光源输出功率的起 伏、连接干扰和微弯干扰等不利因素,且系统反应迅速,成本较 低,使用方便,在几个mε测量范围内,该系统具有几十个μ ε的 分辨率。