温度自补偿可调量程光纤光栅加速度传感器设计外文翻译资料

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作者：Alan D.Kersey，Michael A. Davis，Heather J. Patrick，Michel LeBlanc，K. P. Koo，IEEE成员，C.G.Askins，M.A.Patnam，和E.Jisf Friebele

摘要

我们回顾了光纤光栅传感器领域的近期发展，包括使用布拉格光栅的准分布应变传感，基于啁啾光栅的系统，内部传感概念，长周期光栅传感器，光纤光栅激光系统， 和基于光栅反射器的干涉传感器系统。

1.介绍

关于光纤光栅的这个课题，,光纤传感的优点是众所周知的，已被广泛的应用于研究。然而，光纤传感器的真正商业成功相对较少，而且在许多情况下，技术仍然存在于基于实验室的原型阶段。优于其他传感器的原因越来越明显：许多光纤传感器被开发用于替代传统的机电传感器系统，这些传感器系统已经建立起来，具有可靠的记录和制造成本。因此，尽管光纤传感器提供了诸如电动被动操作，EMI抗扰度，高灵敏度和复用能力等重要优点，但是该技术的市场渗透进展缓慢。然而，在光纤传感器提供新功能的应用中，例如分布式传感，光纤传感器在竞争中似乎具有明显的优势。光纤布拉格光栅（FBG）和其他基于光栅的器件是提供此功能的传感器类型的示例。光栅是简单的固有传感元件，可以被光刻成二氧化硅纤维，并具有通常归因于光纤传感器的所有优点。此外，器件具有固有的自参考能力，并且可以沿着单个光纤以串行方式容易地多路复用。基于光栅的传感器对于各种应用来说似乎是有用的。特别是用于创建“智能结构”的材料中的分布式嵌入式感测领域是主要关注的。在这里，传感器阵列的纤维可以嵌入到材料中，以便测量诸如载荷，应变，温度和振动等参数，从而可以实时评估和跟踪结构的健康状况。光栅也可以被证明是有用的，作为其它光纤传感器配置范围内的光学传感元件;基于光栅的化学传感器，压力传感器和加速度计就是例子。

本文将回顾光栅传感器领域的发展，包括基于Bragg光栅的基本准分布传感器，啁啾光栅感测，光纤布拉格光栅激光传感器，长周期光栅传感器和基于光栅的干涉配置。 所讨论的技术将主要关注应变的测量，但系统也被用于温度测量。

2.BRAGG光点传感器

在基于FBG的传感器系统中通常使用的基本操作原理是根据被测量（例如应变，温度）的变化来监测返回的“布拉格”信号的波长偏移。布拉格波长或光栅的谐振条件由表达式（1）给出，

=2n (1)

光栅间距在哪里，是芯的有效指标。利用这种装置，将光谱宽带光源注入光纤，布拉格波长的窄带光谱分量被光栅反射。在透射光中，缺少该光谱分量，如图1所示。反射信号的带宽取决于几个参数，特别是光栅长度，但通常是在大多数传感器应用中为0.05-0.3nm。

如图所示，光栅的扰动导致可以在反射或透射光谱中检测的器件的布拉格波长的偏移。大多数光纤布拉格光栅传感器的工作集中在使用这些器件来提供应变或温度的准分布点检测。由于传感器的物理伸长（以及光栅间距的相应分数变化）以及光弹效应引起的纤维指数的变化，产生应变响应，而由于纤维材料的固有热膨胀而产生热响应，折射率的温度依赖性。布拉格波长随应变和温度的变化可用表达式表示

图.1 基于布拉格光栅的传感器系统，具有透射或反射检测选项

系数是应力光学张量的Pockel（压电）系数，是施加的应变的地方，是泊松比，是纤维材料（例如二氧化硅）的热膨胀系数（CTE），是温度变化。 因素有一个数值为0.22。 测得恒温下的应变响应为

（3）

这种响应性给出了在1.3m处的每1000nm的应变为1nm的光栅位移的“经验法则”测量。 在二氧化硅纤维中，热响应主要由dn/dT影响，占观察班次的95％。 恒定应变下的归一化热响应度为

（4）

需要1mu;m（0.001nm）的波长分辨率来解决0.1℃的温度变化或1个应变的应变变化。尽管使用实验室仪器（如频谱分析仪和可调谐激光器）可以获得这种波长分辨率，但是使用小型封装的电子光学单元来解决此次订购变更的能力是一个挑战，而且这已成为可观量的重点光栅传感器领域的研究工作。布拉格光栅输出的性质为这些传感器提供了内置的自参照能力。由于感测的信息直接编码为波长，这是一个绝对参数，输出不直接取决于总光线水平，连接光纤和耦合器中的损耗，或源功率。这被广泛认为是这些传感器最重要的优点之一。然而，输出的波长编码性质也通过允许将每个传感器分配给可用源频谱的不同“切片”来促进波分复用。这使得能够通过将每个光谱切片与特定空间位置相关联来对应变，温度或潜在的其它测量进行准分布式感测。该概念如图2所示：以这种方式可以解决的光栅数量的上限是源分布宽度和工作波长的函数每个光栅元件所需的带宽。对于目前的光栅，如果光栅经历的峰值应变不超过0.1％（1000微应变），则可以沿着单个光纤路径复用20个或更多个器件。

尽管已经有各种各样的技术用于监测布拉格波长位移​​，但是只有某些技术似乎有可能被减少到用于“现实世界”应用中的实用的，具有成本效益的仪器系统。在这里，我们回顾了开发这种静态和动态应变应用仪表系统的进展。

用于询问FBG传感器的最常用的方法是基于设备的被动宽带照明：具有覆盖FBG传感器的光谱的光被输入到系统中;由FBG反射的窄带分量被引导到波长检测系统，或者分析所发射的光谱“凹口”。

图. 2使用FBG元件的准分布式传感器系统

1. 准静态应变监测

有实验已经证明了几种技术对于进行这种波长分析是相当可靠的。基于使用宽带滤波器的比例法是第一种被证明的方法。该方法允许通过将通过过滤器的FBG反射光的透射率与通过直接参考路径的透射率进行比较来评估传感器元件的FBG波长的偏移。边缘或带通滤波器为这种类型的检测系统提供了合适的与波长相关的损耗。使用这种方法可以获得相对有限的灵敏度，这是由于使用体光学滤波器/准直部件和相关的对准稳定性存在相关问题。一种改进方法是使用具有波长相关传递函数的光纤装置，例如光纤波分复用（WDM）耦合器。已经使用这种方法证明了对应于0.5C的分辨率5微应变。其他类型的滤波器，如双锥形光纤滤波器已被用于此目的。

用于询问FBG传感器的最成功的技术之一是基于使用可调谐通带滤波器来跟踪FBG信号。最常用的技术是基于Fabry-Perot（FP）滤波器的使用，然而，声光滤波器和基于FBG的滤波器是适合于此的过滤器类型的示例。基于扫描FP滤波器的系统如图1所示。这里，从布拉格光栅传感器阵列反射的光通过通过一个窄带波长分量的FP滤光器，这取决于装置中的反射镜之间的间隔。通过压电叠层对该反射镜间距的电气控制允许调谐通带波长。当滤波器被调谐时，通带扫描来自光栅的返回信号，并且当检测到返回信号时，可以根据施加到滤波器的电压来确定和记录波长。

图.3 扫描滤光片FBG光栅检测技术

在操作中，从光栅传感器反射的光通过耦合器返回到扫描法布里 - 珀罗滤光器和检测器。使用的FP类型的典型特征是50nm的自由光谱范围（FSR）和0.3nm的带宽。这允许使用多达16个间隔3nm的单独的传感器光栅。对于50nm的FSR，通过16位数模转换器产生用于FP滤波器的扫描电压产生大约0.8mu;m的最小可分辨（最低有效位）波长移位，或等效应变分辨率为0.8应变。目前可用的FP滤波器可以以300 Hz的速率进行扫描，但扫描速率应为1 kHz。

图4展示出了当两者的微应变到2000时，用扫描滤波器解调的FBG和电阻箔应变计监测的应变的比较。通过FP方法已经实现了1个应变顺序的分辨率，并且多达16个光栅已被复用在单个光纤上。光学开关的使用允许这样的仪器系统解决几个“阵列”的光栅，最近开发了一个用于跟踪60个光栅传感器的系统。系统在图5中示意性地示出在PC控制下驱动的单模光纤开关被用于允许测量应变5个独立的12个FBG传感器。通过3 dB耦合器和开关，使用单个1.3 m ELED源（150 W功率）照亮串。该过程发生在阵列中的每个60个元件中，间隔2.5秒（50个平均值/传感器），这超过了静态应变监测的适当采样率，比如在土木工程中的应用。显然，通过使用具有更多端口的开关，可以监视更多数量的传感器。图.6显示了系统的实验室性能。

图.4 电阻应变计（RSG）和FGB传感器之间的比较

在这里，全部在30分钟内监测了60个传感器。应变调制两个传感器来演示系统的性能。一个在4分钟的时间内具有100应变方波调制功能，另一个具有周期2分钟的正弦波调制。该系统的短期分辨率为1，30分钟内漂移为3，归因于实验室温度波动轻微。

扫描光学滤波器方法具有在给定时间仅利用光谱的窄“切片”的缺点。当跨越光谱范围的FBG阵列以频率被反复询问时，每个采样周期的每个FBG反射的能量的量等于其反射率乘以光源的光谱亮度乘以光栅的光谱宽度除以重复频率。当使用扫描滤波器时，可用于检测的能量的量是滤波器带宽的倍数，除以扫描波长范围的宽度。结果，如果滤波器的带宽等于扫描宽度的1％，并且每个FBG非常强（95％反映），则每个FBG的每次扫描的可检测能量大约为0.01。因此，通常需要较强的反射器和/或亮光源来实现波长偏移的良好分辨。然而，使用具有2-4％反射率的FBG和在10mW范围内的平均光功率的铒光纤源进行的测量已经使用扫描滤波器方法证明了1个微应变分辨率。

然而，通过使用诸如电荷耦合器件（CCD）的线性阵列检测器对整个光谱的并行检测，可以避免扫描滤光器的光学吞吐量功率损失。在这种系统中，通过固定的色散元件（例如，棱镜或光栅）实现波长分离，其将波长转换成沿着成像到检测器元件阵列上的线，如图7所示。因为CCD光谱仪在整个扫描周期收集每个FBG返回的所有光，所以1％FBG提供与扫描检测的95％FBG一样多的并行检测信号。然后，平行检测可以使用更暗的光源或更低的反射光栅来实现。

图.5 60通道FBG传感器电光系统示意图

CCD光谱仪被开发用于测量在线制造的波长阶梯式FBG传感器阵列，作为光纤拉制工艺的一部分图。图8示出了以这种方式制造的典型的光栅阵列。传感器非常快速地生产（1 / s），并保持原始的纤维强度（5.5GPa），因为不能处理裸玻璃。当单脉冲写入曝光导致光栅长度低于1 cm的5％（@ 800 nm）的反射率时，CCD光谱仪可以很容易地检测到这些光栅的反射，并提供具有中等光源强度的高速应变信息。

图. 6实验室性能的60通道FBG传感器系统

通过在256像素CCD上分散24nm带宽，可以解析多达22个间隔1nm的FBG，

0.4nm无重叠范围（对应于600应变范围）。 光谱仪的成像波长色散使得中心到中心的像素间距对应于0.10 nm。 1应变的应变分辨率需要优于0.0007nm或小于1/100像素的波长分辨率。 每个FBG的图像分布在几个相邻的像素上，因此由每个像素的检测信号缩放的那些照明像素的中心波长的加权平均值给出了计算出的反射信号波长的中心

(5)

已经证明了在几百微瓦宽带光照射的20个1-3％的反射器中，在3.5kHz以上的重复频率下，应变敏感度低于1应变（无平均）。与其他检测技术一样，通过多端口光纤交换机可以扩展许多次的容量。适用于应变测量的CCD光谱仪远远低于扫描检测方法，仅在900nm以下的波长下实用，并且需要大量光学器件。然而，并行检测对强度和温度波动不敏感，并且通道读数之间没有时间延迟。随着其灵敏度的提高，并行检测的优点在一些应用中可能是重要的。

用于分析返回信号的另一种形式的直接光谱工具

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