基于Bragg光纖光柵傳感器的監測系統設計

董天奇,魏 達,雷 宇,何焰藍,胡小景

(國防科技大學a.光電科學與工程學院;b.理學院,湖南長沙410073)

1 引 言

隨著我國的經濟發展,大型土木工程結構的興建日益增多.土木工程結構在服役過程中會受到環境侵蝕、材料老化、疲勞效應與突變效應等因素的共同影響,產生損傷累積,從而導致隱患的產生.為了保障結構的安全性、適用性與耐久性,世界各國特別是發達國家都在積極探索可用于工程結構的、行之有效的健康監測方法與系統.Bragg光纖光柵以其特有的高波長選擇與光纖系統兼容、插入損耗低、結構簡單、體積小等性能廣泛應用于光源、光放大、光纖色散補償、光信號處理、光纖傳感等領域,并可采用光信號進行測量和傳輸,可以實現現場的無電測量,極大地提高系統的安全性.在結構健康系統監測領域,光纖光柵傳感器顯示出了極大優勢[1-5].

2 光纖光柵傳感器的特點及 Bragg光柵的工作原理

2.1 光纖光柵傳感器的特點

首先,光纖光柵傳感器結構簡單、體積小、重量輕、成本低、外形可變,很容易埋入材料中,對其內部的應變、溫度及結構損傷等進行高分辨率和大范圍測量;其次,光纖光柵傳感器與光纖之間存在天然的兼容性,易與光纖連接,低損耗,光譜特性好,可靠性高;再者,光纖光柵能方便地在1根光纖中串接多個Bragg光柵,構成傳感陣列,與波分復用和時分復用系統相結合,實現陣列分布式傳感.光纖光柵傳感器具有非傳導性、抗腐蝕性、抗電磁干擾的特點,適合在惡劣環境中工作.

由于測量信息是利用波長編碼,所以光纖光柵傳感器的測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化以及光波偏振態的變化等因素的影響,有較強的抗干擾能力.

2.2 Bragg光纖光柵的工作原理

Bragg光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏特性,通過某種工藝方法(通常是向 Ge磁芯光纖照射240 nm左右的紫外線)使外界入射的光和纖芯內的摻雜粒子相互作用,導致纖芯折射率呈現周期性分布條紋并產生光柵效應,這種光柵的基本光學特性是以共振波長為中心的窄帶光學濾波器,它滿足的光學方程[6]為

其中,λB為Bragg波長,Λ為光柵柵距或光柵周期,neff為光纖纖芯的有效折射率.

當寬帶光源射入具有這種光柵的光纖時,光譜中以光柵的Bragg波長為中心的窄帶光譜在光柵處被反射,其他大部分光將發生透射而沿原來方向傳輸.當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其他物理量發生變化時,光柵的周期或纖芯折射率將發生變化,從而使反射光的波長發生變化,滿足的光學方程為

式中,pe為有效彈光常數,α為光纖的熱膨脹系數,ξ為光纖光柵的熱光系數,ε為光纖光柵所受的應變量,ΔT為溫度的變化量.通過測量反射光中心波長的變化,就可以獲得待測物理量的變化情況.

如圖1[7]所示,(a)表示入射光光譜,中心波長為λ0,(b)表示經過Bragg光纖光柵(FBG)后特定波長的光被反射回來,(c)表示經過光纖光柵后的透射光光譜,(d)表示經過光纖光柵后的反射光光譜.

圖1 Bragg光纖光柵工作原理

3 傳統Bragg光纖光柵預警系統設計

圖2 傳統光纖光柵監測系統的基本構成

圖2是光纖光應變傳感監測系統的基本構成圖[4],系統中寬帶光源將光輸入到環形器端口1,由端口2輸出到1×8光開關,光開關的每一路由幾個不同中心波長的光柵串接構成傳感陣列.通過不同B ragg光纖光柵的反射光波長λ11,…,λ8n,與被測對象上各觀測點相對應,分別感受各分布測點的應力應變,使其反射光的波長發生改變,改變的反射光經傳輸光柵從測量現場傳出,輸入到環形器端口2,再由端口3輸出.通過光纖光柵解調系統探測其波長改變量的大小,并由光電探測器轉換成電信號后輸出,最后由計算機系統對被測對象的狀態進行分析和評估.

該系統存在的缺點:

1)傳統的預警系統使用的光纖光反應速度慢,無法實現實時監測.基于B ragg光纖光柵解調儀價格昂貴,因其成本過高而不利于結構健康監測中普及使用.

2)系統中加入了光開關分光束監測,而且光纖光柵解調儀工作時只能進行掃描式監測.

這兩個因素都使得設計低成本的新型監測系統尤為必要.

4 新監測系統

4.1 基本設計原理

圖3 光路結構示意圖

圖4 監測原理圖

如圖3和圖4所示,當光纖光柵傳感器中心波長為λ0處未受到外界影響時,則傳感光纖反射回來的中心波長為λ0的光將被參考光柵全部反射回去,光電探測器處沒有信號輸出;若當傳感光柵在λ0處受到應力變化時,反射回來的光將在中心波長λ0處發生偏移Δ,譜線產生位移,而參考光柵的中心反射譜線依然為λ0,則中心波長為λ0+Δ的反射光經參考光柵后被部分反射,剩余光透過參考光柵,然后經濾光片被區分出來,被相應探測器感知,經信號處理獲得光纖光柵傳感器λ0處的信息.

4.2 系統設計

系統實物如圖5所示.整個系統主要包括兩部分,即光路部分和電路部分,分別進行信息傳感和處理.

圖5 系統實物圖

4.2.1 系統光路

1)監測系統的光路

整個系統中光學結構為工作主體.光路結構示意圖如圖6所示,光源發出寬譜光波,經過光纖傳輸到參考光柵,反射回射波經環形器到達Bragg光柵傳感器,光波能量分布發生變化,透射波進入光功率計檢測其能量變化.

圖6 新型監測系統簡化設計圖

2)實現分布測量

如圖7所示,通過薄膜濾波器,采用波分復用技術,可在1根光纖上串接多個中心波長不同的光纖光柵傳感器,將波長值和測點位置對應起來,就可以實現分布式測量.

圖7 薄膜濾波器構成復用/解復用器原理圖

4.2.2 信號處理電路

由光纖導出的光信號經處理后轉換為電信號,然后連接到報警電路中.

1)光信號處理電路

信號處理中通過運算放大器實現光的放大,將電流信號轉化為電壓信號,從而對應系統中光功率計所測量的光強信號.如圖8所示,Test1處的電壓為

其中 Ia為通過 R2的電流.

圖8 光信號處理電路

2)報警電路

報警電路如圖9所示.報警電路共由4個部分構成:第一部分是 C1和 R1構成的濾波器,濾除電路噪聲;第二部分是U1構成的比較器電路,通過設定閾值使得正常的外界條件變化導致探測器信號在一定范圍內正常浮動,降低虛警率;第三部分是報警延遲電路;最后是LED報警加蜂鳴器電路.

圖9 報警電路

4.2.3 光纖光柵傳感器的排布

為保證傳感光柵和參考光柵之間產生足夠的差異,設計傳感光柵與參考光柵采用 T型排布方式固定,如圖10所示.T型排布使參考光柵和傳感光柵在同一平面不同方向處,兩者所處環境相同,使之能夠對應力和溫度同時監控,當傳感光柵受到應變時能快速做出反應,而且差異足夠大.

圖10 光纖傳感器排布圖

4.3 實驗結果

將設計好的產品放在實驗室,在室溫為25℃時進行測量.在傳感器上施加不同大小的壓力p,分別記錄未加應力前光功率的示數 P1和施加應力后光功率的示數 P2,及示數從開始變化到穩定所需的時間Δt.數據記錄如表1所示.

表1 實驗數據

實驗數據分析:

2)反應迅速,在本次測試中變化時間Δt不超過50 m s.

3)穩定性好,在撤去外力后基本能還原回到初始狀態,最大偏差為0.051μW(140 N時).

4.4 封裝問題

光源發出的光波被耦合進入光纖之后,經過環形器、參考光纖光柵到達探測光柵.探測光柵和參考光柵不能裸露或直接與材料接觸,需要進行封裝形成探測頭,以保障傳感器的穩定性.在光學結構中,Bragg光柵傳感器的封裝技術決定了所探測變量的類型,若采用銅片等導熱性好的金屬進行封裝就能使傳感器對溫度變化敏感;若采用塑料等絕熱性較好的材料封裝則使探測器對溫度變化不敏感,主要用來探測應力變化.可以在不同光纖上對Bragg光柵使用不同的封裝材料,使之分別對應力和溫度敏感,將不同的傳感器分別連接成探測網絡,這樣系統就能同時對應力和溫度進行監控,但對于1根光纖上連接的若干Bragg光柵,采用的封裝材料必須一致,方能確定傳感信息的性質.

4.5 新系統設計的優點

1)整個系統中不使用光纖光柵解調儀,而是利用薄膜濾波器同樣完成了對外界的分布式測量,在價格上具有很大的優勢.

2)由中心波長檢測轉換為光強度測量,避免了光開關分光束和光纖光柵解調儀采用掃描監測,使得本系統監測反應速度快,實現了無縫監測,不存在時間上的空白點.

5 結束語

利用本文設計的監測系統,使原先價格昂貴的光纖光柵監測系統變得更簡單、更容易實現,因而可以在更多場合使用該監控系統,這無疑大大降低了安全和預警工作的成本.實際應用中,在光纖光柵制作完成后,纖芯強度較制作前有所降低,因此必須考慮實際應用中的可靠性及壽命問題,必須對裸光纖進行有效的強度保護[8].進一步完善設計后,該監測系統在大面積的地震監測、大型橋梁、大面積民房建筑、安全保密中有相當大的潛力.此外,由于設備的隱蔽性,還可以制成嚴密隱蔽的防盜設備.

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