光纤光栅感测器体系的现状以及发展趋向

自1978年，澳大利亚的Hill等第一次在掺锗石英石光纤线中发觉感光状况并选用驻波比法生产出全世界第一根光纤光栅和1989年英国的Melt等完成了光纤线Bragg光栅尺（FBG）的UV激光器侧边载入技术性至今，光纤光栅的生产技术逐步完善，大家对光纤光栅在光感测器领域的探讨越来越更加普遍和深层次。光纤光栅感应器具备一般感应器抗干扰信号、敏感度高、规格小、重量较轻、低成本，适合在高溫、腐蚀等条件中采用的优势外，还具备本征自相关工作能力强与在一根光纤线上运用复用技术完成多一点重复使用、多参数分布式系统区别精确测量的特有优点。故光纤光栅感应器已成为了当今感应器的科研网络热点。由灯源、光纤光栅感应器和数据信号调制解调系统软件为主导组成的光纤光栅系统软件怎样可以在控制成本、提升测量精度、达到即时精确测量等领域的条件下，使各一部分做到最佳配对，达到光纤光栅感测器体系在智能化各行各业产品化的必须也是科研工作人员关键考量的难题。

文中对光纤光栅感测器体系开展了详细介绍，对光纤光栅系统软件的宽带光源开展了表明，关键解析了光纤光栅感应器的感测器基本原理及如何区分精确测量技术性，对数据信号常见的数据信号调制解调方式实现了汇总，最终，明确提出为满足以后的必须系统对各部位的提升对策。

1、光纤光栅感测器系统软件

光纤光栅感测器系统软件主要是由宽带光源、光纤光栅感应器、数据信号调制解调等构成。宽带光源为操作系统给予光动能，光纤光栅感应器运用灯源的光波磁感应外部被检测的信息内容，外部被检测的消息根据数据信号调制解调系统软件即时地体现出去。

1.1 光 源

灯源特性的优劣影响着全部系统软件所送光信号灯不亮的优劣。在光纤光栅感测器中，因为感测器量是对光波长编号，灯源需要有较宽的网络带宽和极强的额定功率与可靠性，以达到分布式系统感测器系统软件中多一点多参数精确测量的必须 。光纤光栅感测器系统软件常见的灯源的有LED，LD和夹杂不一样浓度值、不一样品种的稀土金属正离子的灯源。LED光源有较宽的网络带宽，可做到几十个纳米技术，有较高的稳定性，但灯源的功率较低，且难以与单模藕合。LD灯源具备单色性好、相关行业强、输出功率高的特性。但LD光谱仪的可靠性差（4×10-4／℃）。因而，这2种灯源本身的缺陷阻碍了他们在光感测器中的运用。夹杂不一样类型、不一样含量的稀土金属正离子的灯源科学研究最普遍的是掺铒灯源。如今C波段掺铒灯源早已研制并应用，伴随着光纤通信中对通讯容积和效率的标准及分布式系统光纤传感聚集设点对灯源网络带宽规定，L波段的科学研究变得越来越关键。有学者明确提出C L波段的研发计划方案以提升灯源的网络带宽和输出功率。掺铒灯源在溫度可靠性层面比半导体材料灯源提升两个量级，与此同时，能保证较高的输出功率、宽的网络带宽和较长的使用期限，因而，能够 扩张光纤光栅感应器的检测范围，提升检验的频率稳定度。

1.2 光纤光栅感应器

光纤光栅感应器还可以完成对溫度、应变力等参量的立即精确测量。因为光纤光栅光波长对溫度与应变力与此同时比较敏感，即溫度与应变力与此同时造成光纤光栅藕合光波长挪动，促使根据测定光纤光栅藕合光波长挪动没法对溫度与应变力多方面区别。因而，处理交叉式比较敏感难题，完成溫度和内应力的区别精确测量是感应器产品化的前提条件。根据一定的新技术来测量地应力和气温改变来完成对环境温度和地应力区别精确测量。这种技术性的基本概念全是运用二根或是2段具备差异溫度和应变力回应敏感度的光纤光栅组成双光栅尺溫度与应变力感应器，根据明确两个光纤光栅的气温与应变力回应敏感度指数，运用两个二元一次方程解出溫度与应变力。区别精确测量技术性大致可分成两大类，即，多光纤光栅精确测量和单光纤光栅精确测量。

多光纤光栅精确测量具体包含混和FBG/长周期光栅尺（long period graTIng）法、双周期时间光纤光栅法、光纤光栅／F-P腔集成化重复使用法、双FBG重合载入法。各种各样方式都有优点和缺点。FBG／LPG法调制解调简易，但难以确保精确测量的是同一点，精密度为9×10-6，1.5℃。双周期时间光纤光栅法可确保精确测量部位，提升 了测量精度，但光栅尺抗压强度低，数据信号调制解调艰难。光纤光栅／F-P腔集成化重复使用法感应器溫度稳定性能好、体型小、测量精度高，精密度可以达到20×10-6，1℃，但F-P的腔长调整艰难，数据信号调制解调繁杂。双FBG重合载入法精密度较高，可是，光栅尺载入艰难，数据信号调制解调也较为复杂。

单光纤光栅精确测量具体包含用不一样高聚物原材料封裝单光纤光栅法、运用差异的FBG组成和预制构件应变法维新等。用高聚物原材料封裝单光纤光栅法是使用一些有机化合物对环境温度和内应力的回应不一样提升光纤光栅对溫度或地应力敏感度，摆脱交叉式比较敏感效用。这类办法的制造简易，但挑选高聚物原材料艰难。运用差异的FBG组合原理是把光栅尺作于不一样折光率和溫度敏感度或不一样溫度回应敏感度和夹杂原材料浓度值的2种光纤线的相接处，运用差异的发射率和溫度敏感度不一样完成区别精确测量。这类方式调制解调简易，且调制解调为光波长编号防止了应力，但具备耗损大、溶接处易破裂、检测范围偏小等难题。预制构件应变法维新是最先给光纤光栅增加一定的预应变力，在预应变力的情形下将光纤光栅的一部分牢固地黏贴在固支梁上。地应力释放出来后，未黏贴一部分的光纤光栅变形修复，其核心反射面光波长不会改变；而黏贴在固支梁上的一部分变形无法修复，进而致使了这一部分光纤光栅的核心反射面光波长更改，因而，这一光纤光栅有两个反射面峰，一个反射面峰（黏贴在固支梁上的一部分）对应变力和溫度都比较敏感；另一个反射面峰（未黏贴一部分）只对环境温度比较敏感，根据精确测量这两个反射面峰的光波长飘移能够与此同时测量温度和应变力。

1.3 数据信号调制解调

在光纤光栅感测器系统软件中，数据信号调制解调一部分为光信号分析，进行光信号灯不亮光波长信息内容到电参数的变换；另一部分为电信号分析，进行对电参数的计算解决，获取外部信息内容，并以大家熟知的形式展现出去。在其中，光信号分析，即感应器的核心反射面光波长的追踪剖析是调制解调的重要。光纤光栅感应器核心反射面光波长最立即的测试仪器是光谱分析仪。这类办法的特点是构造简易、方便使用。缺陷是精密度底、价钱高、容积大，并且，不可以立即輸出相对应于光波长改变的电子信号。因而，不可以达到产品化自动控制系统的必须 。因此，大家科学研究并提到了多种多样调制解调方式，以完成讯号的迅速、精准获取。可分成过滤法、干预法、可调式捷变灯源法和散射法等。

过滤法包含体过滤法、配对光栅尺过滤法、可自动调谐F-P过滤法。体过滤法的部件是波分复用器。原理是以光纤耦合器出射的光分为等硬度的两束，一束经与光波长相关的滤波器滤波；另一束做为参照光线，两束出射光历经光电探测器变为电子信号，历经解决清除激光功率转变 的危害，最终，获得与光纤光栅核心光波长相关的輸出值。该办法还可以完成动态性和静态数据参数的精确测量。分辨率为375x10-6，动态性应变力精确测量响应时间不超过100Hz配对光栅尺过滤法是运用别的的FBG或带通滤波光元器件，在推动部件的效果下追踪FBG的光波长转变 ，随后，根据精确测量推动部件的驱使数据信号来得到被测地应力或溫度。该方式构造简易、线性好，分辨率可以达到0.4×10-6。该办法还可以完成静态数据精确测量。但这些办法的缺点是两个光栅尺要严苛配对，且感测器光栅尺的检测范围并不大。可自动调谐F-P过滤器法是感测器列阵FBG的反射面数据信号进到可调式光纤线F-P过滤器（FFP），调整FFP的散射光波长至FBG的反射面最高值光波长时，过滤后的散射光照强度做到最高值，由FFP推动工作电压—散射光波长关联可获得FBG的反射面最高值光波长。扫描仪再加上振荡数据信号组成光波长锁住闭环控制，其地应力分辨率可以达到0.3×10-6。该调制解调法可完成动态性和静止的精确测量。因为FFP过滤器腔的自动调谐范畴很宽，能够完成多感应器的调制解调。但高精密FFP成本费较高。

过滤调制解调法构造简易，但难以进一步提高其感测器精密度。干预法却具备更高精密，能够进一步提高感测器分辨率。可调式捷变灯源调制解调法可得到很高的频率稳定度和分辨率，实验室得最少光波长分辨率约为2.3pm，相匹配溫度分辨率约为0.2℃，但因为现在的光纤激光发生器的稳定度及可自动调谐范畴不太理想化，在一定水平上限定了光纤光栅感应器的数目和运用范畴。

2、光纤光栅感测器体系的发展趋向

为了更好地满足将来光纤光栅感测器系统软件数字化、大范畴、准分布式系统精确测量。很多学者已经光纤光栅感测器体系的各领域开展持续的科学研究，使体系获得提升。光纤光栅感测器体系的提升主要是从三层面考虑到，即，灯源、光纤光栅感应器及数据信号调制解调。针对感测器体系的提升，主要是依据温度传感器的数量、感应器的精确度和调制解调系统软件的分辨率，依据具体的测定必须 ，配备不一样的灯源、感应器和调制解调系统软件，促使低成本、数据误差小、测量精度高。对于将来光纤光栅感测器系统软件数字化的规定，应应用可靠性好、宽带网络、高功率的灯源。掺铒、掺钕、掺镱低温等离子的光线是将来发展趋势的关键。光纤光栅感应器既能完成单参数的精确测量，又能保持多参数的精确测量。当单参数精确测量时，应提升控制器的精确度和检测精密度。在具体运用中，要留意感应器的精确度和测量范围中间的最合适的。敏感度高了，测量范围当然变小。这是由于光纤光栅的应变力有一个规定值，超出这一规定值光栅尺便会被毁坏。为完成准分布式系统精确测量，感应器重复使用数量较多，在布局感应器时，有时候一个点要布局敏感度不一样的众多感应器，以完成溫度和工作压力的大范畴精确测量。因为感测器量主要是细微光波长偏位为媒介，因此 ，一个好用的数据信号调制解调计划方案务必具备很高的光波长分辨率。次之，要处理动态性与静态数据数据信号的检验难题，尤其是二者的融合性检验已变成光栅尺感测器好用调制解调技术性中的难题。光纤光栅感测器系统应用较大 的优点取决于有效地开展感应器的重复使用完成分布式系统感测器，如，英国的Micron OpTIcs企业，新发布的FBGSLI选用可调式激光器扫描仪方式，运用时候技术性，能够一起对四路光纤线高达256个Bragg光栅尺开展查看。因而，将来的光纤光栅感测器体系将能达到点射高精密的即时精确测量，又能融入数字化的准分布式系统的多一点、多参数的检测规定，在未来的感测器行业充分发挥很大的功效。

3、结语

伴随着对光纤光栅感测器体系的深入分析，其探究的关键：一是对感应器能与此同时传感应变力和气温改变的科学研究；二是对数据信号调制解调系统软件的科学研究；三是对光纤光栅感应器的封裝技术性、温度补偿技术性、灯源可靠性、感测器系统软件智能化等具体应用研究。尤其是伴随着全光互联网的发展趋势，光纤光栅感测器系统软件能够运用完善的波分复用、时分复用和空分复用技术性，以完成准分布式系统光纤传感，重复使用数量多、测量精度高、敏感度高的光纤光栅系统网可能在制造方面中有更普遍的运用

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