基于AWG的耐高溫長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)解調(diào)技術(shù)研究*

華 靜，劉月明*，何正炎，陳忠友，樓 俊，劉 濤

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院，杭州310018;2.浙江工業(yè)大學(xué)化工設(shè)備有限公司，杭州311113)

光纖光柵傳感技術(shù)代表了光纖傳感技術(shù)的主流方向，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)很多[1－2]，如抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，安全性好;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，體積小;容易實(shí)現(xiàn)分布式傳感;采用波長(zhǎng)編碼，抗干擾能力強(qiáng);光柵的寫入工藝趨于成熟，便于規(guī)?；a(chǎn)。在光纖光柵傳感中，人們通常采用光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)和長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG(Long-Period Fiber Grating)，盡管FBG具有非常優(yōu)異的應(yīng)變檢測(cè)性能，且技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但是普通的FBG通常采用纖芯紫外光敏的方法進(jìn)行光柵寫入，并在寫入前進(jìn)行載氫處理，這種光纖光柵在250℃以上時(shí)會(huì)出現(xiàn)光柵結(jié)構(gòu)的“擦除”現(xiàn)象，無(wú)法應(yīng)用于250℃以上的高溫傳感環(huán)境[3]，因此常規(guī)的FBG并不能滿足高溫檢測(cè)環(huán)境(高達(dá)300℃以上)的需要。為了實(shí)現(xiàn)高溫場(chǎng)合的監(jiān)測(cè)需要，本文對(duì)一種耐高溫的LPFG器件的制備方法、高溫特性以及信號(hào)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了研究，該LPFG可以工作在300℃以上的高溫場(chǎng)合。

LPFG信號(hào)解調(diào)技術(shù)是器件應(yīng)用的關(guān)鍵，目前已有的一些LPFG信號(hào)解調(diào)方法，如:光譜儀法，但其成本高、體積大，不利于傳感技術(shù)的推廣和實(shí)用化;基于F-P掃描干涉儀法[4]，其最終透射譜是實(shí)際譜線與F-P濾波器透射譜的卷積，結(jié)果導(dǎo)致了帶寬增加，分辨率的減小，且F-P濾波器本身有帶寬限制且價(jià)格較高，濾波損耗較大;單色光邊緣濾波法[5－6]，由于受器件傳輸特性的影響測(cè)量分辨率較低，只適用于一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比很高的測(cè)量方案等等。分析以上解調(diào)方法的特點(diǎn)和不足，本文采用了陣列波導(dǎo)光柵(AWG)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)LPFG的信號(hào)解調(diào)技術(shù)[7]。AWG是一種光纖通訊中常用的器件，利用其特性實(shí)現(xiàn)對(duì)LPFG的信號(hào)解調(diào)，技術(shù)新穎，解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)單，分辨率高，數(shù)據(jù)采集處理方便，且具有性能穩(wěn)定、濾波特性好、集成能力強(qiáng)以及低串?dāng)_等優(yōu)點(diǎn)。

本文首先對(duì)耐高溫長(zhǎng)周期光纖光柵的制備方法進(jìn)行了分析，并對(duì)制備的耐高溫LPFG的高溫特性進(jìn)行了測(cè)試，然后基于AWG器件特性，重點(diǎn)研究了耐高溫LPFG的應(yīng)變檢測(cè)信號(hào)解調(diào)技術(shù)，最后對(duì)應(yīng)變檢測(cè)中的溫度與應(yīng)變交叉敏感問題進(jìn)行了研究，建立了應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，取得了較好的溫度補(bǔ)償效果。

1 LPFG應(yīng)變檢測(cè)的原理和結(jié)構(gòu)

1.1 LPFG檢測(cè)原理

LPFG的光柵周期比較長(zhǎng)，根據(jù)耦合理論，表現(xiàn)為向前的傳播纖芯模和同向傳播的包層模的耦合。此機(jī)理決定了其對(duì)特定波長(zhǎng)具有損耗能力，在透射譜特征上表現(xiàn)為一系列的損耗峰，通常利用其最大特征損耗峰作為傳感器的敏感譜線，如圖1所示。LPFG將溫度、應(yīng)變等信息轉(zhuǎn)化為其特征波長(zhǎng)的微小移動(dòng)，通過獲知波長(zhǎng)的微小偏移量Δλ，便可得到被傳感信息的變化量，最終達(dá)到檢測(cè)的目的[8]。

圖1 LPFG透射波長(zhǎng)的微小偏移量Δλ

1.2 耐高溫LPFG光柵制作及特性

實(shí)驗(yàn)中使用的耐高溫LPFG采用高頻CO2激光器的寫入方法制備，將一小段普通單模光纖的涂覆層剝?nèi)?，光纖的一端固定，另一端懸掛10 g的重物，水平直線狀態(tài)置于寫入設(shè)備CO2激光器聚焦透鏡的焦點(diǎn)處，逐點(diǎn)對(duì)光柵進(jìn)行寫入[9－10]，并實(shí)時(shí)利用寬帶光源和光譜儀監(jiān)測(cè)LPFG透射譜的變化。CO2激光的焦斑直徑可由聚焦透鏡調(diào)節(jié)，CO2激光器由計(jì)算機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2激光脈沖頻率和能量的調(diào)節(jié)，從而在光纖中寫入不同傳輸特性的LPFG。

為了驗(yàn)證耐高溫LPFG的高溫特性，對(duì)其進(jìn)行了高溫退火特性測(cè)試，將其置于300℃環(huán)境下進(jìn)行了450 min的熱衰變實(shí)驗(yàn)，特性曲線如圖2所示，可見該光柵在恒溫箱溫度300℃ ～317℃的范圍內(nèi)特征波長(zhǎng)略有漂移，時(shí)隔7 h后其透射率仍有8 dB，證實(shí)該光纖光柵在300℃高溫環(huán)境下可以正常工作。

圖2 耐高溫LPFG的熱衰變及透射率特性

2 基于AWG的LPFG信號(hào)解調(diào)技術(shù)

2.1 基于AWG的信號(hào)解調(diào)技術(shù)方法

AWG一種波分復(fù)用器件，通常用于光通信中的信號(hào)復(fù)用和解復(fù)用環(huán)節(jié)[11]，將其用來(lái)實(shí)現(xiàn)LPFG的信號(hào)解調(diào)，其解調(diào)的基本原理為:將 AWG用作LPFG透射譜線的散點(diǎn)采樣，按照采用定理，如果信號(hào)取樣頻率是信號(hào)最大頻率的兩倍，那么一個(gè)取樣信號(hào)可以被不失真的重組出來(lái)。由于AWG每個(gè)通道的帶寬較窄，如圖3所示，因此就可以使用AWG的多個(gè)輸出通道來(lái)取樣未知的LPFG的波谷光譜樣點(diǎn)值，最后，利用各通道固有波長(zhǎng)與各通道測(cè)得的取樣點(diǎn)光強(qiáng)度擬合重構(gòu)LPFG的透射譜線，求得透射譜線的中心波長(zhǎng)位置，然后由變化前后的中心波長(zhǎng)位置差可以確定待測(cè)參量大小。

圖3 AWG通道取樣與曲線擬合

2.2 譜線重構(gòu)方法

LPFG波谷光譜曲線輪廓類同于高斯函數(shù)曲線，因此本文采用了高斯擬合方法重組LPFG波谷光譜響應(yīng)曲線[12]，引入高斯公式表述如下[7]:

式中:ln、λ1n和Δλ1n分別表示峰值透過率，中心波長(zhǎng)和全波半帶寬，而N表示高斯擬合函數(shù)的階數(shù)。在高斯函數(shù)階數(shù)N分別為1、2、3時(shí)，運(yùn)用上式高斯函數(shù)來(lái)重塑曲線，通過計(jì)算均方根誤差可以評(píng)估曲線擬合的準(zhǔn)確度，來(lái)決定最優(yōu)的高斯函數(shù)擬合階數(shù)。

具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先LPFG的透射波谷光譜經(jīng)過AWG，獲取AWG各個(gè)輸出通道輸出的被測(cè)光強(qiáng)度，然后再用高斯函數(shù)擬合的方法重塑響應(yīng)曲線的損耗波谷，求導(dǎo)此擬合曲線可得到此時(shí)LPFG的中心波長(zhǎng)。通過監(jiān)測(cè)光譜曲線的移動(dòng)量可以間接反映出傳感參量即應(yīng)變的變化量，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。

3 溫度和應(yīng)變交叉敏感的融合算法模型

本文采用了數(shù)據(jù)融合算法建立了交叉敏感計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)時(shí)的溫度敏感補(bǔ)償。將該光柵傳感器的輸入輸出特性表示為一元多項(xiàng)式形式，建立溫度、應(yīng)變以及對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)移動(dòng)量的函數(shù)關(guān)系，建立以下的雙參量數(shù)據(jù)融合的一元多項(xiàng)式模型[13]:

式中:ε，Δλ是LPFG傳感器的輸入應(yīng)變量與相應(yīng)的輸出波長(zhǎng)差，εP為高階無(wú)窮小量，為多項(xiàng)式的系數(shù)，它們都隨溫度T而變化。對(duì)于不同的工作溫度Ti，LPFG傳感器有不同的輸入輸出(ε－Δλ)特性，對(duì)應(yīng)也有其不同的特性模型(Δλ－ε)，式(2)中的融合系數(shù)A0(T)－A5(T)由實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入求得。

利用式(2)融合模型實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)幕舅悸肥?試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系數(shù)A0(T)～A5(T)溫度系數(shù)，將求得的融合模型存入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)的軟件功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)中的溫度補(bǔ)償。實(shí)際進(jìn)行傳感器的應(yīng)變檢測(cè)時(shí)，單獨(dú)設(shè)置一個(gè)LPFG作為溫度參考光柵，用于確定傳感器環(huán)境的即時(shí)溫度，將該參考溫度值輸入式(2)的融合算法模型，即可得到補(bǔ)償溫度影響之后的應(yīng)變輸出值，達(dá)到消除溫度交叉敏感的目的。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)置及結(jié)果

應(yīng)變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，寬帶光源的光經(jīng)過摻鉺放大器增強(qiáng)光能量，再經(jīng)過LPFG進(jìn)行應(yīng)變波長(zhǎng)調(diào)制，輸出光通過AWG的多通道采樣后，用多路光開關(guān)及光功率計(jì)組合來(lái)探測(cè)AWG各個(gè)輸出通道的光功率大小，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，即將AWG各通道探測(cè)出的光強(qiáng)度值進(jìn)行曲線擬合，求導(dǎo)此曲線可得到此時(shí)的中心波長(zhǎng)大小。

圖4 本實(shí)驗(yàn)的基于AWG的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)通過改變恒溫箱的溫度值來(lái)控制LPFG周圍溫度變化及改變等強(qiáng)度懸臂梁上自由端所掛負(fù)載來(lái)控制LPFG的應(yīng)變變化，如圖5所示，試驗(yàn)中選用的等強(qiáng)度懸臂梁的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，厚度為h，固支端的寬度為b。等強(qiáng)度懸臂梁截面為等腰三角形，橫截面為矩形。根據(jù)材料力學(xué)的懸臂梁彎曲理論，可以推導(dǎo)出懸臂梁彎曲時(shí)其表面的應(yīng)變?chǔ)艦閇14]

式中δ為懸臂梁頂端的彎曲撓度。可以看出此時(shí)的懸臂梁應(yīng)變是處處相等的，因此光纖光柵不會(huì)出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象。將傳感光纖光柵LPFG貼裝在等強(qiáng)度懸臂梁的上表面，此時(shí)懸臂梁表面應(yīng)變所導(dǎo)致的光纖光柵特征波長(zhǎng)的移動(dòng)量為[14]

式中:λ0為光纖光柵的特征波長(zhǎng)，Sε和ST分別為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度。

式(4)中的第一項(xiàng)反映了懸臂梁表面應(yīng)變的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)為溫度交叉敏感項(xiàng)。

圖5 LPFG應(yīng)變片與懸臂梁的固定方法

在應(yīng)變和溫度作用下LPFG的譜線發(fā)生相應(yīng)的漂移，將一次全通道的固有波長(zhǎng)值與相應(yīng)通道光功率值用數(shù)據(jù)擬合軟件Origin進(jìn)行高斯曲線擬合，并求導(dǎo)得中心波長(zhǎng)值。

為消除零漂，在測(cè)量數(shù)據(jù)中首先將零位輸出值減掉，再做后續(xù)的溫度補(bǔ)償算法處理。將溫度和應(yīng)變變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄于表1中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)融合算法的溫度補(bǔ)償程序。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中所使用的AWG通道數(shù)為32，相鄰?fù)ǖ篱g隔為 0.8 nm，總的通道寬度為 1 537.40 nm～1 562.23 nm;室溫環(huán)境下，LPFG的中心波長(zhǎng)為1 549.400 0 nm，光柵最大損耗是21.67 dB，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種均質(zhì)、等厚、等腰三角形等強(qiáng)度懸臂梁，其材料選用金屬鐵，楊氏模量值約為7×1010Pa。

光纖光柵溫度應(yīng)變解耦的性能可用靈敏度溫度系數(shù)αS來(lái)衡量，其表示式如下:

式中，S(T1)、S(T2)、y(T1)、y(T2)分別表示在相同輸入量作用下系統(tǒng)在溫度T1、T2之靈敏度及系統(tǒng)相應(yīng)的輸出值，而溫度差ΔT=T2－T1。將表1的測(cè)試數(shù)據(jù)代入融合程序進(jìn)行建模，然后運(yùn)用式(5)對(duì)溫度補(bǔ)償前后的靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，溫度靈敏度系數(shù)從10－3量級(jí)降至10－4量級(jí)，降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

耐高溫長(zhǎng)周期光纖光柵可用于對(duì)高溫壓力管道表面應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)高溫壓力管道的爆管預(yù)警功能，LPFG應(yīng)變片可被粘貼在高溫管道表面感受管道外壁應(yīng)變，并沿管道外壁周長(zhǎng)直徑方向布置四個(gè)相互垂直測(cè)點(diǎn)。由于管道表面應(yīng)變量較小，為提高光纖光柵應(yīng)變敏感性，必須設(shè)計(jì)專門的光纖光柵敏感機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)增敏，并將應(yīng)變放大后再傳遞到敏感光纖光柵LPFG上，有關(guān)高溫管道的監(jiān)測(cè)研究結(jié)果將另文報(bào)道。

5 結(jié)論

本文對(duì)基于AWG的LPFG信號(hào)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，使用數(shù)據(jù)融合算法對(duì)應(yīng)變溫度交叉敏感問題進(jìn)行了補(bǔ)償處理。AWG解調(diào)方案技術(shù)新穎、原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便以及成本較低，在LPFG傳感信號(hào)解調(diào)中取得了較好效果。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意，AWG器件是一種高插損光器件，因此必須保證光路中的足夠光功率，否則將導(dǎo)致各通道輸出光功率過小，給后續(xù)的微弱光信號(hào)探測(cè)帶來(lái)困難，本文實(shí)驗(yàn)中采用了摻鉺放大器對(duì)寬帶光源信號(hào)進(jìn)行了預(yù)放大，以滿足光路光功率的需要。

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