光纤光栅的检测技术.ppt

光纤光栅信号解调技术 信号检测是传感系统中的关键技术之一 传感解调系统的实质是一个信息 能量 转换和传递的检测系统 它能准确 迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程 待测信息 动态的或静态的 不仅要精确地测量其幅值 而且需记录和跟踪其整个变化过程 从解调的光波信号来看 光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调 相位解调 频率解调 偏振解调和波长解调等 其中 波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码 中心波长处窄带反射 不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点 得到了广泛应用 如图 在传感过程中 光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅 传感光栅在外场 主要是应力和温度 的作用下 对光波进行调制 接着 带有外场信息的调制光波被传感光栅反射 或透射 由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出 由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息 因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化 即可获得外场信息的细致描述 相比而言 基于反射式的传感解调系统比较容易实现 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 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 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 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 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 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m 测量范围内 该系统具有几十个 的分辨率 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 5 3 可调谐滤波检测法 1 可调谐波长的光纤Fabry Perot滤波器可调谐光纤Fabry Perot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Lorentz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Fabry Perot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 可调谐波长的光纤Fabry 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 声 光可调谐滤波器检测传感光栅的原理 4 匹配光栅检测法 在检测端设置一参考光栅 其光栅常数与传感光栅相同 参考光栅贴于一压电陶瓷片 PZT 上 PZT由一外加扫描电压控制 如图 当传感光栅处于自由态时 参考光栅的反射光最强 光探测器输出信号幅度最高 这时控制扫描信号发生器使之固定输出为零电平 当传感光栅感应外界温度和应变时 发生移位 使参考光栅的反射光强下降 信号发生器工作 使参考光栅的输出重新达到原有值 这时的扫描电压对应一定的外界物理量 匹配光栅检测的优点是 消除了双折射所引起的随机噪声 即对光纤内光的偏振 相位等易变量都不敏感 而且对最终检测的反射光强也无绝对要求 所以各类强度噪声都不会对输出结果有影响 但该方案的不足之处则是 系统的光损耗较大 系统的检测灵敏度由PZT的位移灵敏度决定 和光纤光栅的高灵敏度不匹配 PZT的非线性会影响输出结果 PZT的响应速度有限 使这种方法只适合于测量静态或低频变化的物理量 匹配光栅检测法对多个参考光栅进行波长扫描可构成波分复用光纤传感网 传感光栅的Bragg波长移位由闭合控制系统自动跟踪 可检测的最小应变为4 12 当光栅带宽窄到0 05nm时 应变的最小分辨率改进为 1 但是 如前所述 光栅的带宽变窄 反射回来的信号也会减弱 5 波长可调谐光源解调法 可调谐窄带光源的调谐原理是窄带可调谐光输入光纤光栅 并周期性地扫描其输出波长以获取光纤光栅的反射谱 或透射谱 由每次扫描反射光最强时的扫描电压可知相应的波长值 如上图所示为一种高精度的连续可调谐掺饵光纤激光器检测位于1550nm波段的传感光栅 该检测系统受限于激光器 2 3nm的波长调谐范围 可检测的最大温度为180 检测精度受限于PZT的精度 即2 3pm或 0 18 该方案最大的优点在于使用光纤激光器可以获得比宽带光源高得多的信噪比 SNR 并且获得了2 3pm的高分辨率 不足之处在于高精度的PZT调谐器价格通常昂贵 其调谐范围有限 并且 检测速度受PZT响应时间和控制回路的限制 PZT AOTF窄带可调谐光输入多只光纤光栅 并周期性地扫描变化其输出波长以扫描各光纤光栅的反射谱 由每次扫描反射光在相关波长域内最强时的扫描电压可知相应的波长值 从而实现WDM传感网络 6 CCD分光仪检测法 利用衍射光栅等分光元件 将传感光栅的反射谱 或透射谱 经透镜准直后在空间展开 再用CCD同时直接测出各波长的相对光强 参见图 接收到的波长被转换为沿探测单元阵列的位置信息 其波长分辨率由像素宽度描述的探测器表面的光栅线性色散所决定 单位为nm pixel 采用该技术可获得小于1 的应变分辨率 并且 CCD分光仪提供了一种检测传感光栅的空分和波分混合的复用技术 其中 由同一根光纤连接的传感光栅反射的Bragg波长沿CCD的纵向分布 提供了波分复用技术 而不同光纤反射的光波经光纤阵列入射到曲线光栅反射后沿CCD的横向分布 CCD分光法的优点是响应时间快 抗干扰能力强 不足之处是 对波长的分辨率的影响因素较多 诸如准直透镜的成像质量 焦距 衍射光栅的光谱分辨率 CCD的空间分辨率等