基于AWG的耐高溫長周期光纖光柵應變監測信號解調技術研究*

華 靜，劉月明*，何正炎，陳忠友，樓 俊，劉 濤

(1.中國計量學院光學與電子科技學院，杭州310018;2.浙江工業大學化工設備有限公司，杭州311113)

光纖光柵傳感技術代表了光纖傳感技術的主流方向，光纖光柵傳感器的優點很多[1－2]，如抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，安全性好;結構簡單，質量輕，體積小;容易實現分布式傳感;采用波長編碼，抗干擾能力強;光柵的寫入工藝趨于成熟，便于規模化生產。在光纖光柵傳感中，人們通常采用光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)和長周期光纖光柵LPFG(Long-Period Fiber Grating)，盡管FBG具有非常優異的應變檢測性能，且技術成熟，應用廣泛，但是普通的FBG通常采用纖芯紫外光敏的方法進行光柵寫入，并在寫入前進行載氫處理，這種光纖光柵在250℃以上時會出現光柵結構的“擦除”現象，無法應用于250℃以上的高溫傳感環境[3]，因此常規的FBG并不能滿足高溫檢測環境(高達300℃以上)的需要。為了實現高溫場合的監測需要，本文對一種耐高溫的LPFG器件的制備方法、高溫特性以及信號解調技術進行了研究，該LPFG可以工作在300℃以上的高溫場合。

LPFG信號解調技術是器件應用的關鍵，目前已有的一些LPFG信號解調方法，如:光譜儀法，但其成本高、體積大，不利于傳感技術的推廣和實用化;基于F-P掃描干涉儀法[4]，其最終透射譜是實際譜線與F-P濾波器透射譜的卷積，結果導致了帶寬增加，分辨率的減小，且F-P濾波器本身有帶寬限制且價格較高，濾波損耗較大;單色光邊緣濾波法[5－6]，由于受器件傳輸特性的影響測量分辨率較低，只適用于一些結構簡單、性能價格比很高的測量方案等等。分析以上解調方法的特點和不足，本文采用了陣列波導光柵(AWG)方法來實現LPFG的信號解調技術[7]。AWG是一種光纖通訊中常用的器件，利用其特性實現對LPFG的信號解調，技術新穎，解調系統結構及原理簡單，分辨率高，數據采集處理方便，且具有性能穩定、濾波特性好、集成能力強以及低串擾等優點。

本文首先對耐高溫長周期光纖光柵的制備方法進行了分析，并對制備的耐高溫LPFG的高溫特性進行了測試，然后基于AWG器件特性，重點研究了耐高溫LPFG的應變檢測信號解調技術，最后對應變檢測中的溫度與應變交叉敏感問題進行了研究，建立了應變測試數據融合算法實現溫度補償，取得了較好的溫度補償效果。

1 LPFG應變檢測的原理和結構

1.1 LPFG檢測原理

LPFG的光柵周期比較長，根據耦合理論，表現為向前的傳播纖芯模和同向傳播的包層模的耦合。此機理決定了其對特定波長具有損耗能力，在透射譜特征上表現為一系列的損耗峰，通常利用其最大特征損耗峰作為傳感器的敏感譜線，如圖1所示。LPFG將溫度、應變等信息轉化為其特征波長的微小移動，通過獲知波長的微小偏移量Δλ，便可得到被傳感信息的變化量，最終達到檢測的目的[8]。

圖1 LPFG透射波長的微小偏移量Δλ

1.2 耐高溫LPFG光柵制作及特性

實驗中使用的耐高溫LPFG采用高頻CO2激光器的寫入方法制備，將一小段普通單模光纖的涂覆層剝去，光纖的一端固定，另一端懸掛10 g的重物，水平直線狀態置于寫入設備CO2激光器聚焦透鏡的焦點處，逐點對光柵進行寫入[9－10]，并實時利用寬帶光源和光譜儀監測LPFG透射譜的變化。CO2激光的焦斑直徑可由聚焦透鏡調節，CO2激光器由計算機控制，可實現對CO2激光脈沖頻率和能量的調節，從而在光纖中寫入不同傳輸特性的LPFG。

為了驗證耐高溫LPFG的高溫特性，對其進行了高溫退火特性測試，將其置于300℃環境下進行了450 min的熱衰變實驗，特性曲線如圖2所示，可見該光柵在恒溫箱溫度300℃ ～317℃的范圍內特征波長略有漂移，時隔7 h后其透射率仍有8 dB，證實該光纖光柵在300℃高溫環境下可以正常工作。

圖2 耐高溫LPFG的熱衰變及透射率特性

2 基于AWG的LPFG信號解調技術

2.1 基于AWG的信號解調技術方法

AWG一種波分復用器件，通常用于光通信中的信號復用和解復用環節[11]，將其用來實現LPFG的信號解調，其解調的基本原理為:將 AWG用作LPFG透射譜線的散點采樣，按照采用定理，如果信號取樣頻率是信號最大頻率的兩倍，那么一個取樣信號可以被不失真的重組出來。由于AWG每個通道的帶寬較窄，如圖3所示，因此就可以使用AWG的多個輸出通道來取樣未知的LPFG的波谷光譜樣點值，最后，利用各通道固有波長與各通道測得的取樣點光強度擬合重構LPFG的透射譜線，求得透射譜線的中心波長位置，然后由變化前后的中心波長位置差可以確定待測參量大小。

圖3 AWG通道取樣與曲線擬合

2.2 譜線重構方法

LPFG波谷光譜曲線輪廓類同于高斯函數曲線，因此本文采用了高斯擬合方法重組LPFG波谷光譜響應曲線[12]，引入高斯公式表述如下[7]:

式中:ln、λ1n和Δλ1n分別表示峰值透過率，中心波長和全波半帶寬，而N表示高斯擬合函數的階數。在高斯函數階數N分別為1、2、3時，運用上式高斯函數來重塑曲線，通過計算均方根誤差可以評估曲線擬合的準確度，來決定最優的高斯函數擬合階數。

具體實現方法為:首先LPFG的透射波谷光譜經過AWG，獲取AWG各個輸出通道輸出的被測光強度，然后再用高斯函數擬合的方法重塑響應曲線的損耗波谷，求導此擬合曲線可得到此時LPFG的中心波長。通過監測光譜曲線的移動量可以間接反映出傳感參量即應變的變化量，從而實現信號的解調。

3 溫度和應變交叉敏感的融合算法模型

本文采用了數據融合算法建立了交叉敏感計算模型，實現應變檢測時的溫度敏感補償。將該光柵傳感器的輸入輸出特性表示為一元多項式形式，建立溫度、應變以及對應波長移動量的函數關系，建立以下的雙參量數據融合的一元多項式模型[13]:

式中:ε，Δλ是LPFG傳感器的輸入應變量與相應的輸出波長差，εP為高階無窮小量，為多項式的系數，它們都隨溫度T而變化。對于不同的工作溫度Ti，LPFG傳感器有不同的輸入輸出(ε－Δλ)特性，對應也有其不同的特性模型(Δλ－ε)，式(2)中的融合系數A0(T)－A5(T)由實驗實測數據代入求得。

利用式(2)融合模型實現溫度補償的基本思路是:試驗數據確定系數A0(T)～A5(T)溫度系數，將求得的融合模型存入計算機，通過計算機的軟件功能實現應變檢測中的溫度補償。實際進行傳感器的應變檢測時，單獨設置一個LPFG作為溫度參考光柵，用于確定傳感器環境的即時溫度，將該參考溫度值輸入式(2)的融合算法模型，即可得到補償溫度影響之后的應變輸出值，達到消除溫度交叉敏感的目的。

4 實驗測試設置及結果

應變實驗系統如圖4所示，寬帶光源的光經過摻鉺放大器增強光能量，再經過LPFG進行應變波長調制，輸出光通過AWG的多通道采樣后，用多路光開關及光功率計組合來探測AWG各個輸出通道的光功率大小，再經過相應的數據處理，即將AWG各通道探測出的光強度值進行曲線擬合，求導此曲線可得到此時的中心波長大小。

圖4 本實驗的基于AWG的信號解調系統

實驗通過改變恒溫箱的溫度值來控制LPFG周圍溫度變化及改變等強度懸臂梁上自由端所掛負載來控制LPFG的應變變化，如圖5所示，試驗中選用的等強度懸臂梁的長度為L，厚度為h，固支端的寬度為b。等強度懸臂梁截面為等腰三角形，橫截面為矩形。根據材料力學的懸臂梁彎曲理論，可以推導出懸臂梁彎曲時其表面的應變ε為[14]

式中δ為懸臂梁頂端的彎曲撓度。可以看出此時的懸臂梁應變是處處相等的，因此光纖光柵不會出現啁啾現象。將傳感光纖光柵LPFG貼裝在等強度懸臂梁的上表面，此時懸臂梁表面應變所導致的光纖光柵特征波長的移動量為[14]

式中:λ0為光纖光柵的特征波長，Sε和ST分別為光纖光柵的應變靈敏度和溫度靈敏度。

式(4)中的第一項反映了懸臂梁表面應變的貢獻，第二項為溫度交叉敏感項。

圖5 LPFG應變片與懸臂梁的固定方法

在應變和溫度作用下LPFG的譜線發生相應的漂移，將一次全通道的固有波長值與相應通道光功率值用數據擬合軟件Origin進行高斯曲線擬合，并求導得中心波長值。

為消除零漂，在測量數據中首先將零位輸出值減掉，再做后續的溫度補償算法處理。將溫度和應變變化的實驗數據實時記錄于表1中，用于后續數據融合算法的溫度補償程序。

表1 實驗測試數據

實驗中所使用的AWG通道數為32，相鄰通道間隔為 0.8 nm，總的通道寬度為 1 537.40 nm～1 562.23 nm;室溫環境下，LPFG的中心波長為1 549.400 0 nm，光柵最大損耗是21.67 dB，實驗中設計了一種均質、等厚、等腰三角形等強度懸臂梁，其材料選用金屬鐵，楊氏模量值約為7×1010Pa。

光纖光柵溫度應變解耦的性能可用靈敏度溫度系數αS來衡量，其表示式如下:

式中，S(T1)、S(T2)、y(T1)、y(T2)分別表示在相同輸入量作用下系統在溫度T1、T2之靈敏度及系統相應的輸出值，而溫度差ΔT=T2－T1。將表1的測試數據代入融合程序進行建模，然后運用式(5)對溫度補償前后的靈敏度溫度系數進行計算，溫度靈敏度系數從10－3量級降至10－4量級，降低了約一個數量級。

耐高溫長周期光纖光柵可用于對高溫壓力管道表面應變進行實時監測，以實現高溫壓力管道的爆管預警功能，LPFG應變片可被粘貼在高溫管道表面感受管道外壁應變，并沿管道外壁周長直徑方向布置四個相互垂直測點。由于管道表面應變量較小，為提高光纖光柵應變敏感性，必須設計專門的光纖光柵敏感機構，實現應變監測增敏，并將應變放大后再傳遞到敏感光纖光柵LPFG上，有關高溫管道的監測研究結果將另文報道。

5 結論

本文對基于AWG的LPFG信號解調技術進行了系統研究，使用數據融合算法對應變溫度交叉敏感問題進行了補償處理。AWG解調方案技術新穎、原理簡單、操作簡便以及成本較低，在LPFG傳感信號解調中取得了較好效果。實驗中應注意，AWG器件是一種高插損光器件，因此必須保證光路中的足夠光功率，否則將導致各通道輸出光功率過小，給后續的微弱光信號探測帶來困難，本文實驗中采用了摻鉺放大器對寬帶光源信號進行了預放大，以滿足光路光功率的需要。

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