光纤光栅传感器应用技术研究
发布时间：2008-06-25 10:00:19 热度：3330
张锦龙1，2 王葵如1 余重秀1 张大鹏1
（1.北京邮电大学电子工程学院，北京，100876）
（2.河南大学物理与电子学院，开封，475001）
摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论， 阐述了相应的系统设计方案，并对各种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。
关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
1 引言
随着经济的发展，我国基础设施建设的规模不断加大，新建的高楼、道路、桥梁、大坝几乎遍地开花。对于这些建筑物健康状况的传感、测控成为一项重要课题。加拿大通信中心的Hill K O等人在1978年首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅( FBG)。使得光纤光栅传感器和传感技术成为科学研究和技术开发的热点。光纤光栅具有几个突出主要优点: 1)光的频率数量级为THz，其频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰; 2)信号采用波长编码，不受光源强度的起伏、光纤微弯损耗引起的随机起伏和耦合损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感；3)光纤光栅的材料是二氧化硅，具有较强的耐腐蚀能力；4)自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;芯径细且柔韧，易于布设; 5)易于实现大面积分布式测量。因此，光纤光栅传感器具有推动光纤光栅传感器进入前沿发展的潜力。
我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。因此，近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有以下几个方面：
1、对传感器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；
2、对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；
3、对光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。
4，开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如航空航天、航海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业及化学和环境等。
目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多, 但能够实际应用的解调产品并不多, 且价格较高。光纤光栅的信号解调，即波长微小移位的检测问题，是光纤光栅传感器能否实用化的关键。
2 光纤光栅传感原理
温度、应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变和压力信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。由耦合模理论可知，均匀的、非闪耀光纤Bragg光栅可将其传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长为（Bragg波长）：
式中
为导模的有效折射率，
为光栅周期。光纤光栅的Bragg波长是随和而变化的，因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为
.
2.1温度灵敏度
温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
式中
为光纤的热膨胀系数。Bragg波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系。
2.2 应变（力）灵敏度
应变（力）影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。
假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力引起光栅的栅距改变，即：
由应变引起的Bragg波长变化可表示为
.
2.3 压力灵敏度
压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改变，即：
有效折射率的变化为：
其压力灵敏度为：
由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。
3 解调原理
3.1 匹配光栅解调原理
利用一个与传感光栅呈匹配关系的参考光栅，实现参考光栅对传感光栅信号的解调法如图一所示。输出信号的位相是与被测量成比例的载波。为了测出传感光栅的信号，测量时调谐参考光栅，通过测量最大反射功率或最小透射功率便可测出传感光栅的波长移动量，进而推知待测量。该传感方法结构简单、造价低廉，测试结果不受光源谱线包络可能存在的精细结构叠加的影响。其静态轴向应变分辨率约为
图一 匹配光栅法解调原理图
3.2 非平衡M-Z干涉解调法
相干解调法具有最高精度，用这种方法解调可以大大提高传感分辨率。1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解调法，如图二所示：
图二 非平衡M-Z干涉仪解调FBG波长原理图
宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送入非平衡M-Z干涉仪，通过干涉仪把Bragg波长
漂移量
转化为相位变化
式中n为光纤的折射率，d为干涉仪的两臂长度差。由上式可见，只要用相位计探测出相位的变化，便可得知波长的移动量，另外，为了抵消直流零点漂移，可以利用一锯齿型电压（由图中的信号源产生）控制压电陶瓷，以调节干涉仪的一个臂，使干涉仪输出为一调制光，以信号源为参考用相位计检测输出信号的相位，因相位计可检测±1800，故波长可检测范围宽。
实验表明，此方案具有低于纳级相对应变的传感分辨率，当所检测的应变振源频率为10HZ时，分辨率为2n
/ 
,振源频率为500Hz时，分辨率为0.6n
。
此方案具有宽带宽、分辨率高等优点，但其随机相移的影响决定了该方案只能适应于动态解调系统中。
3.3 基于迈克耳逊干涉仪的解调法
迈克耳逊干涉解调原理如图三所示：
图三 迈克耳逊干涉仪解调原理图
宽带光源发出的光由耦合器进入传感光栅，经其反射后进入由两镜面及光纤构成的迈克耳逊干涉仪，由3dB耦合器一端输出干涉光，再经光电转换、放大、滤波处理后的信号（干涉信号）与信号发生器的信号（参考信号）一起进入相位计检测其相位，调整驱动信号（由图中信号发生器发出的）的幅值及其直流电平的大小，使干涉信号变化的频率与参考信号的频率一致，此时相位计所显示的值与传感光栅的波长移动量呈现一定的关系。波长变化引起的相位改变可表示为
该装置具有检测动态和准静态应变的能力，对工作环境要求不高，应变分辨率为5.5
，灵敏度为1.8o/
。
3.4 XPM解调法
XPM是指由不同波长、传输方向或偏振态的光波共同传输时，一种光场引起另一种光场的非线性相移。非线性光学介质中，XPM可表现为其折射率对光强的依赖关系。
由两个光纤耦合器及一定长度的光纤串联构成一个全光纤M—Z干涉仪。如图四所示:
图四 反馈控制的M-Z干涉仪
M-Z干涉仪的输出端口的光强为：
其中,
分别为两臂的光振幅衰减系数，
为两臂的相位差。
由两部分决定：XPM引入的非线性相移和两臂的光程差引入的相移。
I. XPM产生的非线性相移：
II.两臂光程差产生的相移：
得：
由上式可得如下结论：
I.信号光在两个输出端口的光强分布取决于信号光的波长
和对信号光产生交叉相位调制的辅助光的强度
。
II.信号光在两个输出端口的光强分布随呈余弦变化，且在
时光强随波长变化灵敏度最高，
时灵敏度为零。
式中和是未知量且存在一一对应关系，因此当反馈网络调整至两输出臂光强相等时，CPU通过辅助光强度可计算出FBG的中心波长，并显示给液晶显示屏或发送到PC机。
4 总结
自光纤光栅(FBG) 出现以来，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并逐渐应用到民用工程领域。解调技术是光纤光栅传感系统的关键，直接决定了传感系统的性能，人们发展了许多用于波长编码的解调技术，可降低成本，方便快捷。本文就已有的光纤光栅传感器解调技术进行了总结，其中干涉法解调方案，以其分辨率高、易于实现多路解调、结构相对简单等优点,故此方案被广泛应用于光纤光栅波长移位的检测中。
张锦龙（1977.5—），男，在读博士，讲师，河南开封人，现就读于北京邮电大学电子工程学院，主要从事光纤传感、光纤通信方面的研究，感兴趣的方向有：光纤光栅传感、光放大、光交换。
E-mail:ZJL@henu.edu.cn
（1.北京邮电大学电子工程学院，北京，100876）
（2.河南大学物理与电子学院，开封，475001）
摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论， 阐述了相应的系统设计方案，并对各种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。
关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
1 引言
随着经济的发展，我国基础设施建设的规模不断加大，新建的高楼、道路、桥梁、大坝几乎遍地开花。对于这些建筑物健康状况的传感、测控成为一项重要课题。加拿大通信中心的Hill K O等人在1978年首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅( FBG)。使得光纤光栅传感器和传感技术成为科学研究和技术开发的热点。光纤光栅具有几个突出主要优点: 1)光的频率数量级为THz，其频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰; 2)信号采用波长编码，不受光源强度的起伏、光纤微弯损耗引起的随机起伏和耦合损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感；3)光纤光栅的材料是二氧化硅，具有较强的耐腐蚀能力；4)自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;芯径细且柔韧，易于布设; 5)易于实现大面积分布式测量。因此，光纤光栅传感器具有推动光纤光栅传感器进入前沿发展的潜力。
我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。因此，近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有以下几个方面：
1、对传感器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；
2、对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；
3、对光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。
4，开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如航空航天、航海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业及化学和环境等。
目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多, 但能够实际应用的解调产品并不多, 且价格较高。光纤光栅的信号解调，即波长微小移位的检测问题，是光纤光栅传感器能否实用化的关键。
2 光纤光栅传感原理
温度、应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变和压力信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。由耦合模理论可知，均匀的、非闪耀光纤Bragg光栅可将其传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长为（Bragg波长）：
式中
为导模的有效折射率，为光栅周期。光纤光栅的Bragg波长是随和而变化的，因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为.
2.1温度灵敏度
温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
式中
为光纤的热膨胀系数。Bragg波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系。
2.2 应变（力）灵敏度
应变（力）影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。
假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力引起光栅的栅距改变，即：
由应变引起的Bragg波长变化可表示为.
2.3 压力灵敏度
压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改变，即：
有效折射率的变化为：
其压力灵敏度为：
由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。
3 解调原理
3.1 匹配光栅解调原理
利用一个与传感光栅呈匹配关系的参考光栅，实现参考光栅对传感光栅信号的解调法如图一所示。输出信号的位相是与被测量成比例的载波。为了测出传感光栅的信号，测量时调谐参考光栅，通过测量最大反射功率或最小透射功率便可测出传感光栅的波长移动量，进而推知待测量。该传感方法结构简单、造价低廉，测试结果不受光源谱线包络可能存在的精细结构叠加的影响。其静态轴向应变分辨率约为
图一 匹配光栅法解调原理图
3.2 非平衡M-Z干涉解调法
相干解调法具有最高精度，用这种方法解调可以大大提高传感分辨率。1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解调法，如图二所示：
图二 非平衡M-Z干涉仪解调FBG波长原理图
宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送入非平衡M-Z干涉仪，通过干涉仪把Bragg波长
漂移量转化为相位变化式中n为光纤的折射率，d为干涉仪的两臂长度差。由上式可见，只要用相位计探测出相位的变化，便可得知波长的移动量，另外，为了抵消直流零点漂移，可以利用一锯齿型电压（由图中的信号源产生）控制压电陶瓷，以调节干涉仪的一个臂，使干涉仪输出为一调制光，以信号源为参考用相位计检测输出信号的相位，因相位计可检测±1800，故波长可检测范围宽。
实验表明，此方案具有低于纳级相对应变的传感分辨率，当所检测的应变振源频率为10HZ时，分辨率为2n
/ ,振源频率为500Hz时，分辨率为0.6n。
此方案具有宽带宽、分辨率高等优点，但其随机相移的影响决定了该方案只能适应于动态解调系统中。
3.3 基于迈克耳逊干涉仪的解调法
迈克耳逊干涉解调原理如图三所示：
图三 迈克耳逊干涉仪解调原理图
宽带光源发出的光由耦合器进入传感光栅，经其反射后进入由两镜面及光纤构成的迈克耳逊干涉仪，由3dB耦合器一端输出干涉光，再经光电转换、放大、滤波处理后的信号（干涉信号）与信号发生器的信号（参考信号）一起进入相位计检测其相位，调整驱动信号（由图中信号发生器发出的）的幅值及其直流电平的大小，使干涉信号变化的频率与参考信号的频率一致，此时相位计所显示的值与传感光栅的波长移动量呈现一定的关系。波长变化引起的相位改变可表示为
该装置具有检测动态和准静态应变的能力，对工作环境要求不高，应变分辨率为5.5
，灵敏度为1.8o/。
3.4 XPM解调法
XPM是指由不同波长、传输方向或偏振态的光波共同传输时，一种光场引起另一种光场的非线性相移。非线性光学介质中，XPM可表现为其折射率对光强的依赖关系。
由两个光纤耦合器及一定长度的光纤串联构成一个全光纤M—Z干涉仪。如图四所示:
图四 反馈控制的M-Z干涉仪
M-Z干涉仪的输出端口的光强为：
其中,
分别为两臂的光振幅衰减系数，为两臂的相位差。
由两部分决定：XPM引入的非线性相移和两臂的光程差引入的相移。
I. XPM产生的非线性相移：
II.两臂光程差产生的相移：
得：
由上式可得如下结论：
I.信号光在两个输出端口的光强分布取决于信号光的波长
和对信号光产生交叉相位调制的辅助光的强度。
II.信号光在两个输出端口的光强分布随
呈余弦变化，且在时光强随波长变化灵敏度最高，时灵敏度为零。
式中
和是未知量且存在一一对应关系，因此当反馈网络调整至两输出臂光强相等时，CPU通过辅助光强度可计算出FBG的中心波长，并显示给液晶显示屏或发送到PC机。
4 总结
自光纤光栅(FBG) 出现以来，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并逐渐应用到民用工程领域。解调技术是光纤光栅传感系统的关键，直接决定了传感系统的性能，人们发展了许多用于波长编码的解调技术，可降低成本，方便快捷。本文就已有的光纤光栅传感器解调技术进行了总结，其中干涉法解调方案，以其分辨率高、易于实现多路解调、结构相对简单等优点,故此方案被广泛应用于光纤光栅波长移位的检测中。
张锦龙（1977.5—），男，在读博士，讲师，河南开封人，现就读于北京邮电大学电子工程学院，主要从事光纤传感、光纤通信方面的研究，感兴趣的方向有：光纤光栅传感、光放大、光交换。
E-mail:ZJL@henu.edu.cn
