關(guān)于Bragg光纖光柵傳感應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)探討

李 鳳

（蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

現(xiàn)階段，Bragg光纖光柵傳感已經(jīng)有了較為深入的研究。目前，Bragg光纖光柵傳感器已經(jīng)擁有了體積較小、質(zhì)量較輕、有效抵抗電磁干擾以及耐腐蝕的特點(diǎn)，可以有效針對(duì)溫度和壓力等物理量進(jìn)行高精度測(cè)量。為了有效提升Bragg光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，必須深入剖析其原理，具體了解光纖Bragg光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用與解調(diào)，進(jìn)而設(shè)計(jì)光纖Bragg傳感系統(tǒng)。

1 光纖Bragg光柵傳感原理

1.1 光纖Bragg光柵傳感理論

光纖主要由三個(gè)部分構(gòu)成，分別為纖芯、涂敷層以及包層，這三部分能夠有效幫助光纖在外界的干擾下發(fā)揮自身功能，并有效保護(hù)光纖。光纖本質(zhì)上是一種透明的光導(dǎo)纖維，不同的光纖直徑具有不同的用途。光纖光柵可以分為以下三種類型，第一，Ⅰ型光柵。這種光柵經(jīng)UV光連續(xù)曝光后形成，其主要的運(yùn)用特點(diǎn)體現(xiàn)在投射譜和反射譜之間的互補(bǔ)方面，能夠保證在包層中有效吸收損失。第二，ⅡA型光柵。這種光柵經(jīng)較長(zhǎng)的連續(xù)曝光形成。曝光初期形成的是Ⅰ型光柵，經(jīng)歷了更長(zhǎng)的曝光時(shí)間后才能逐漸形成ⅡA型光柵，因此能夠抵抗更多的干擾因素，例如高溫、高壓環(huán)境下，利用ⅡA型光柵能獲得較好的使用效果。第三，Ⅱ型光柵。這種光柵形成的條件是非均勻的能量激光脈沖曝光時(shí)，由纖芯石英放大曝光產(chǎn)生[1]。

1.2 光纖Bragg光柵傳感器交叉敏感問題

現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)用過程中，光纖光柵的Bragg中心波長(zhǎng)往往受到很多因素的影響，常見的影響因素有壓力、溫度等。如果這兩個(gè)要素在測(cè)試環(huán)境中同時(shí)發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生交叉影響，因此實(shí)際試驗(yàn)過程中必須重視這一點(diǎn)。目前，已經(jīng)了解到的結(jié)論如下所述。首先，在光纖光柵的交叉敏感問題中，交叉敏感現(xiàn)象和檢測(cè)范圍之間存在著緊密聯(lián)系。一般情況下，檢測(cè)的范圍越小，產(chǎn)生的影響越小，當(dāng)檢測(cè)范圍小到一定程度甚至可以忽略溫度時(shí)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。其次，在檢測(cè)過程中，壓力會(huì)引發(fā)一定誤差，相較于溫度引起的誤差而言，這種誤差往往更小，甚至可以忽略不計(jì)。

2 光纖Bragg光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用與解調(diào)

2.1 光纖傳感復(fù)用技術(shù)

光纖傳感復(fù)用技術(shù)主要分為四種類型。

第一，波分復(fù)用。這種復(fù)用傳感的具體流程如圖1所示。由圖1可知，典型的波分復(fù)用FBG傳感中，F(xiàn)BG相互獨(dú)立串聯(lián)在光纖中，并且能夠檢測(cè)不同部分的具體信息；使用過程中能夠有效結(jié)合寬帶光源反射攜帶光信息的信號(hào)，并解調(diào)這些被反射回來的信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。

第二，時(shí)分復(fù)用。這種復(fù)用技術(shù)相較于其他技術(shù)更加簡(jiǎn)單，但對(duì)傳感器復(fù)用數(shù)量具有較高的要求。實(shí)際應(yīng)用過程中，必須保證將TDM技術(shù)的光源信號(hào)利用脈沖的形式發(fā)射，并且保證每一個(gè)傳感器都擁有對(duì)應(yīng)的脈沖。

第三，空分復(fù)用。實(shí)際應(yīng)用過程中，空分復(fù)用的特點(diǎn)體現(xiàn)在可以對(duì)很多部位進(jìn)行對(duì)點(diǎn)測(cè)量，保證不同的FBG傳感器能夠獨(dú)立使用，可以在不同的傳感器中協(xié)同工作，交換信息和信號(hào)。

第四，混合復(fù)用。這項(xiàng)技術(shù)主要用于檢測(cè)數(shù)量較多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)大數(shù)據(jù)可以保證組合出不同的復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)要求。混合型光線傳感網(wǎng)絡(luò)的種類有很多，主要結(jié)合實(shí)際情況的工作量進(jìn)行特殊調(diào)試[2]。

圖1 波分復(fù)用示意圖

2.2 光纖Bragg光柵傳感信號(hào)解調(diào)技術(shù)

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖Bragg光柵傳感信號(hào)解調(diào)技術(shù)的探究越來越深入。現(xiàn)階段，為了符合各種實(shí)際監(jiān)測(cè)情況的需求，相關(guān)解調(diào)技術(shù)發(fā)展了光譜儀解調(diào)法、可調(diào)諧光纖F-P濾波器等方法。這些應(yīng)用技術(shù)都有自身的特點(diǎn)，并且能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用。以光譜儀解調(diào)法為例，實(shí)際應(yīng)用過程中，光譜儀分析法能夠提供一個(gè)參考光柵，利用它可以反射出Bragg中心波長(zhǎng)，提供相應(yīng)應(yīng)參考。光纖Bragg反射中心的波長(zhǎng)會(huì)受溫度和壓力的影響，利用光譜儀能有效決定系統(tǒng)的分辨率，但這種方法不適合在實(shí)驗(yàn)室外使用。其他的解調(diào)方法如匹配FBG可調(diào)濾波法，能夠有效針對(duì)寬帶光源輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，控制并分析傳感光柵的信息。

3 光纖Bragg傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 光纖Bragg傳感系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光纖Bragg傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)光源部分、傳輸部分、傳感部分以及光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理四項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)開始前，必須保證對(duì)光纖Bragg光柵傳感技術(shù)具有較為深刻的認(rèn)知。光是一種載波信號(hào)，能夠通過光纖渠道進(jìn)行傳遞，而光纖作為光信息傳遞的介質(zhì)，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響了信息傳遞的質(zhì)量。光纖能夠保證信號(hào)載體的穩(wěn)定性，確保其中包含的一些特征參量不輕易受到環(huán)境的干擾，可將光攜帶的調(diào)制信號(hào)被光電轉(zhuǎn)換部分接收，保證光信號(hào)解調(diào)的測(cè)量狀態(tài)穩(wěn)定[3]。現(xiàn)階段的總體設(shè)計(jì)在F-P腔解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并結(jié)合ARM平臺(tái)有效處理光纖光柵傳感信號(hào)，大大提升了信號(hào)解調(diào)的效率，保證了信息傳遞的質(zhì)量。

3.2 光纖Bragg傳感系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)

光纖Bragg傳感系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)從光源、光纖等角度入手。首先，光源角度必須保證光源的質(zhì)量。光源質(zhì)量直接影響了信息的穩(wěn)定性，且光源需要擁有足夠的輸出功率才能保證后續(xù)使用的整體持續(xù)性。Bragg光柵中心波長(zhǎng)的控制選擇過程中，應(yīng)限定在1 520～1 570 mm，才能保證頻率特性和傳輸功率之間穩(wěn)定匹配。其次，光纖選擇過程中，采用單模光纖能夠有效保證光纖傳輸?shù)馁|(zhì)量。當(dāng)入射光射入光纖時(shí)，必須保證射入角度滿足光纖傳輸?shù)臈l件。F-P腔的設(shè)定與選擇過程中，作為整體解調(diào)系統(tǒng)的中心部分，必須保證能夠利用改變壓電陶瓷輸入電壓的形式，有效控制F-P腔的波長(zhǎng)。最后，針對(duì)傳感光柵的選用，需保證傳感光柵之間的中心波長(zhǎng)具有一定間隔，從而順利進(jìn)行之后的測(cè)試和解調(diào)工作。

4 結(jié) 論

綜上所述，當(dāng)前光纖Bragg傳感研究過程中，必須保證立足于對(duì)其原理的有效探索，并結(jié)合當(dāng)前較為成熟的傳感器技術(shù)，合理利用光纖Bragg傳感。該項(xiàng)技術(shù)可以結(jié)合最新的布網(wǎng)方式，提高測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性和信息傳遞效率，保證其持續(xù)發(fā)揮作用，促進(jìn)石油化工、采礦等多個(gè)行業(yè)的發(fā)展。