机械调谐装置的分布式光纤光栅传感系统的设计.pdfVIP

空气动力测控技术五届plj次测控学术交流会论文集 机械调谐装置的分布式光纤光栅传感系统的设计 湛华海1朱涛2王罗1何金1 (1l中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所，四川绵阳621000) (2．重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400043) 摘要本文介绍了一种基于机械式解调装置的分布式光纤光栅传感系统的设计，通过在悬臂梁结构上布置4个 FBG阵列，结合步进电机对自由端的驱动，实现对光纤传感解调系统的精密调谐，调谐精度可达0．002rm，实现了光 纤光栅的高精度测量，并为光纤光栅传感器复用数量的进一步提高奠定了基础． 关键词光纤光栅传感器分布式机械调谐 1引言 随着光纤光栅技术的日趋成熟，基于光纤光栅的传感技术日益发展成为光纤传感及相关领域中 一项具有变革意义的技术。分布式传感技术与光纤光栅传感技术相结合研制而成的光纤光栅传感网 络系统，由于其光纤光栅整列与波分、空分和时分复用技术紧密结合，使得该类系统测量的传感点 数大大增加，成为近年来研究的热点之一，并在大型结构监测和智能材料等领域有着广泛的应用前 景。 2工作原理 2．1光纤光栅传惑原理 光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成的。由于周期性折射率 的扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，当宽带光波在光栅中传输时，入射光波将在相应 的频率上被反射回来，其余的透射光波则几乎不受影响。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布 拉格光栅(FBG)中传输时，会产生模式耦合，满足下列条件的光被反射： 以=2n酊A 式中刀盯为有效折射率，彳为光栅周期，知为反射中心波长。当入射波满足Bragg条件时，峰值 理如图l所示。 入射光 光纤光栅 厶=2刀，呵^ ．透射光 反射光 透射光 圈1光纤光栅传感原理及光谱分析 温度、应变和压力等物理量的改变会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而导致布拉格波 长的改变，通过探测光纤光栅波长的变化，便可以获得相应的温度、应变和压力等参数的信息。 空气动力测控技术五届四次测控学术交流会论文集 2．2光纤光栅复用传感原理 光纤光栅具有许多优良特性，尤其是在一根光纤中可连续写入多个光栅构成光栅阵列。因此， 将光纤光栅阵列与光复用技术(波分复用、时分复用和空分复用)相结合，将其埋入材料和结构内 部或贴装在其表面，从而对材料或结构的特性(如温度、应变、压力等)实现多点测量，这是光纤 光栅传感器独有的技术，是实现多点、分布式传感的重要途径阁。 3分布式光纤光栅传感系统的设计与分析 系统采用波分复用(WDM)+空分复用(SDM)技术，即把全部传感区域的光栅分成若干部分， 不同空间采用空分复用的方法进行分配，而在同一区域不同传感单元之间则用波分复用的办法。从 充分利用光源和增加FBG工作的数量来考虑，不同波长的FBG采用波分复用串联，然后再采用空 分复用并联。空分复用增加FBG复用数量的同时，不会降低信噪比，而且同样复用数量的FBG，采 用空分复用的方法可以有效地减少传感单元间的串音。其组成原理如图2所示。 图2波分斗空分复用系统结构示意图 宽带光源发出的光经耦合器进入待测传感网络系统(即通过光纤开关阵列和刻写多个不同波长 光栅的光纤构成的波分+空分复用传感网络)，感测的传感信号反射进入可调窄带滤波器，信号经光 接受与转换电路，由数采装置传输到计算机进行处理。 3．1宽带光源 宽带光源是光纤传感尤其是分布式光纤传感系统中的重要器件。系统设计中采用的是掺杂光纤 中增益介质超荧光谱为基础的宽带光源。它有易于和光纤光栅传感系统耦合、温度稳定性好、3dB 谱宽宽、模式好等一系列优点[3】。通过选择泵浦功率、掺铒光纤的长度，可以得到符合系统要求的 光源。系统使用的宽带光源结构如图3所示。990nm的泵浦光经波分复用(WOM)光纤耦合器，激发 掺铒光纤中的铒离子，形成放大自发辐射谱(ASE谱)。宽带光源output端输出总功率约为8mW， 1550rim处3dB谱宽为22nm，在1540～1