光纤光栅传感技术在安全监测领域的应用

光纤光栅传感技术在安全监测领域的应用

关键词：

光纤光栅、安全监测、布喇格波长、传感网络、无电测量

光纤传感无电安全监测技术是本世纪兴起的前沿应用学科，既用光纤感测信号又用光纤传输信号,是目前传感技术最杰出的代表。是自动检测的革命性技术。光纤光栅传感器是一种新型全光纤无源器件，与普通传感器相比，具有不可比拟的优势和特点。它本质防爆、无电传感、化学性能稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量，这种特性在传感器领域中引起了革命。其产业已被国内外公认是最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。光纤传感由于其固有的优势必会在不久的将来取代传统的传感技术。

图1 光栅结构示意图

光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅。光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光刺中心波长为布喇格波长。

二.光纤光栅传感基本原理

光栅Bragg 条件: λB= 2nΛ

式中:λB —Bragg 波长;

n —光栅的有效折射率,即折射率调制幅度大小的平均效应;

Λ—光栅周期,即折射率调制的空间周期。

当光波传输通过FBG时,满足Bragg 条件的光波将被反射回来,这样入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率n 和光栅周期Λ,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移,测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的变化.如下图所示：

图2 光纤光栅传感系统基本原理图

三.实际工程应用中光纤光栅传感系统构成： 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。如图2所示：

1、 光源

光源性能的好坏直接决定着整个系统性能的好坏。在光纤光栅传感中要求光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性, 以满足传感系统中多点多参量测量的需要。目前在光纤光栅传感系统中常用的光源主要有SLED, ASE光源。输出功率大约为1-20mw.

2 、光纤光栅传感器

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感, 即温度与应变同时引起光纤光栅波长移动, 使得通过测量光纤光栅波长移动无法对温度与应变加以区分。因此, 解决交叉敏感问题, 实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。目前在光纤光栅传感系统中常用技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器来确定不同光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数确定温度与应变。

3 、信号解调

在光纤光栅传感系统中, 光纤光栅信号的解调是该系统的关键，主要包括二部分：一部分为光信号处理, 完成光信号波长信息到电信号的转换，其中传感器的中心反射波长的分析是解调的关键; 另一部分为电信号处理, 完成对电信号的运算处理, 提取外界信息,并以人们熟悉的方式显示出来。

由此可知，光纤光栅安全监测系统采用的是数字式测量技术，与传统测量技术相比，具有更高的稳定性和安全性。

光纤光栅系统结构示意图

（1） 光纤光栅网络系统：

该系统的功能是通过光缆将多个探头串接起来，并构成传感器矩阵，形成传感器网络。

（2） 光纤通讯传输网络：

不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息处理及分析系统上。

（3） 信息处理及分析系统：

该系统由光纤光栅传感探测信号处理器以及计算机软件构成，信号处理器系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。