基于Bragg光纤光栅传感器的监测系统设计

董天奇,魏 达,雷 宇,何焰蓝,胡小景

(国防科技大学a.光电科学与工程学院;b.理学院,湖南长沙410073)

1 引 言

随着我国的经济发展,大型土木工程结构的兴建日益增多.土木工程结构在服役过程中会受到环境侵蚀、材料老化、疲劳效应与突变效应等因素的共同影响,产生损伤累积,从而导致隐患的产生.为了保障结构的安全性、适用性与耐久性,世界各国特别是发达国家都在积极探索可用于工程结构的、行之有效的健康监测方法与系统.Bragg光纤光栅以其特有的高波长选择与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体积小等性能广泛应用于光源、光放大、光纤色散补偿、光信号处理、光纤传感等领域,并可采用光信号进行测量和传输,可以实现现场的无电测量,极大地提高系统的安全性.在结构健康系统监测领域,光纤光栅传感器显示出了极大优势[1-5].

2 光纤光栅传感器的特点及 Bragg光栅的工作原理

2.1 光纤光栅传感器的特点

首先,光纤光栅传感器结构简单、体积小、重量轻、成本低、外形可变,很容易埋入材料中,对其内部的应变、温度及结构损伤等进行高分辨率和大范围测量;其次,光纤光栅传感器与光纤之间存在天然的兼容性,易与光纤连接,低损耗,光谱特性好,可靠性高;再者,光纤光栅能方便地在1根光纤中串接多个Bragg光栅,构成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现阵列分布式传感.光纤光栅传感器具有非传导性、抗腐蚀性、抗电磁干扰的特点,适合在恶劣环境中工作.

由于测量信息是利用波长编码,所以光纤光栅传感器的测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗干扰能力.

2.2 Bragg光纤光栅的工作原理

Bragg光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏特性,通过某种工艺方法(通常是向 Ge磁芯光纤照射240 nm左右的紫外线)使外界入射的光和纤芯内的掺杂粒子相互作用,导致纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生光栅效应,这种光栅的基本光学特性是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,它满足的光学方程[6]为

其中,λB为Bragg波长,Λ为光栅栅距或光栅周期,neff为光纤纤芯的有效折射率.

当宽带光源射入具有这种光栅的光纤时,光谱中以光栅的Bragg波长为中心的窄带光谱在光栅处被反射,其他大部分光将发生透射而沿原来方向传输.当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,满足的光学方程为

式中,pe为有效弹光常数,α为光纤的热膨胀系数,ξ为光纤光栅的热光系数,ε为光纤光栅所受的应变量,ΔT为温度的变化量.通过测量反射光中心波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况.

如图1[7]所示,(a)表示入射光光谱,中心波长为λ0,(b)表示经过Bragg光纤光栅(FBG)后特定波长的光被反射回来,(c)表示经过光纤光栅后的透射光光谱,(d)表示经过光纤光栅后的反射光光谱.

图1 Bragg光纤光栅工作原理

3 传统Bragg光纤光栅预警系统设计

图2 传统光纤光栅监测系统的基本构成

图2是光纤光应变传感监测系统的基本构成图[4],系统中宽带光源将光输入到环形器端口1,由端口2输出到1×8光开关,光开关的每一路由几个不同中心波长的光栅串接构成传感阵列.通过不同B ragg光纤光栅的反射光波长λ11,…,λ8n,与被测对象上各观测点相对应,分别感受各分布测点的应力应变,使其反射光的波长发生改变,改变的反射光经传输光栅从测量现场传出,输入到环形器端口2,再由端口3输出.通过光纤光栅解调系统探测其波长改变量的大小,并由光电探测器转换成电信号后输出,最后由计算机系统对被测对象的状态进行分析和评估.

该系统存在的缺点:

1)传统的预警系统使用的光纤光反应速度慢,无法实现实时监测.基于B ragg光纤光栅解调仪价格昂贵,因其成本过高而不利于结构健康监测中普及使用.

2)系统中加入了光开关分光束监测,而且光纤光栅解调仪工作时只能进行扫描式监测.

这两个因素都使得设计低成本的新型监测系统尤为必要.

4 新监测系统

4.1 基本设计原理

图3 光路结构示意图

图4 监测原理图

如图3和图4所示,当光纤光栅传感器中心波长为λ0处未受到外界影响时,则传感光纤反射回来的中心波长为λ0的光将被参考光栅全部反射回去,光电探测器处没有信号输出;若当传感光栅在λ0处受到应力变化时,反射回来的光将在中心波长λ0处发生偏移Δ,谱线产生位移,而参考光栅的中心反射谱线依然为λ0,则中心波长为λ0+Δ的反射光经参考光栅后被部分反射,剩余光透过参考光栅,然后经滤光片被区分出来,被相应探测器感知,经信号处理获得光纤光栅传感器λ0处的信息.

4.2 系统设计

系统实物如图5所示.整个系统主要包括两部分,即光路部分和电路部分,分别进行信息传感和处理.

图5 系统实物图

4.2.1 系统光路

1)监测系统的光路

整个系统中光学结构为工作主体.光路结构示意图如图6所示,光源发出宽谱光波,经过光纤传输到参考光栅,反射回射波经环形器到达Bragg光栅传感器,光波能量分布发生变化,透射波进入光功率计检测其能量变化.

图6 新型监测系统简化设计图

2)实现分布测量

如图7所示,通过薄膜滤波器,采用波分复用技术,可在1根光纤上串接多个中心波长不同的光纤光栅传感器,将波长值和测点位置对应起来,就可以实现分布式测量.

图7 薄膜滤波器构成复用/解复用器原理图

4.2.2 信号处理电路

由光纤导出的光信号经处理后转换为电信号,然后连接到报警电路中.

1)光信号处理电路

信号处理中通过运算放大器实现光的放大,将电流信号转化为电压信号,从而对应系统中光功率计所测量的光强信号.如图8所示,Test1处的电压为

其中 Ia为通过 R2的电流.

图8 光信号处理电路

2)报警电路

报警电路如图9所示.报警电路共由4个部分构成:第一部分是 C1和 R1构成的滤波器,滤除电路噪声;第二部分是U1构成的比较器电路,通过设定阈值使得正常的外界条件变化导致探测器信号在一定范围内正常浮动,降低虚警率;第三部分是报警延迟电路;最后是LED报警加蜂鸣器电路.

图9 报警电路

4.2.3 光纤光栅传感器的排布

为保证传感光栅和参考光栅之间产生足够的差异,设计传感光栅与参考光栅采用 T型排布方式固定,如图10所示.T型排布使参考光栅和传感光栅在同一平面不同方向处,两者所处环境相同,使之能够对应力和温度同时监控,当传感光栅受到应变时能快速做出反应,而且差异足够大.

图10 光纤传感器排布图

4.3 实验结果

将设计好的产品放在实验室,在室温为25℃时进行测量.在传感器上施加不同大小的压力p,分别记录未加应力前光功率的示数 P1和施加应力后光功率的示数 P2,及示数从开始变化到稳定所需的时间Δt.数据记录如表1所示.

表1 实验数据

实验数据分析:

2)反应迅速,在本次测试中变化时间Δt不超过50 m s.

3)稳定性好,在撤去外力后基本能还原回到初始状态,最大偏差为0.051μW(140 N时).

4.4 封装问题

光源发出的光波被耦合进入光纤之后,经过环形器、参考光纤光栅到达探测光栅.探测光栅和参考光栅不能裸露或直接与材料接触,需要进行封装形成探测头,以保障传感器的稳定性.在光学结构中,Bragg光栅传感器的封装技术决定了所探测变量的类型,若采用铜片等导热性好的金属进行封装就能使传感器对温度变化敏感;若采用塑料等绝热性较好的材料封装则使探测器对温度变化不敏感,主要用来探测应力变化.可以在不同光纤上对Bragg光栅使用不同的封装材料,使之分别对应力和温度敏感,将不同的传感器分别连接成探测网络,这样系统就能同时对应力和温度进行监控,但对于1根光纤上连接的若干Bragg光栅,采用的封装材料必须一致,方能确定传感信息的性质.

4.5 新系统设计的优点

1)整个系统中不使用光纤光栅解调仪,而是利用薄膜滤波器同样完成了对外界的分布式测量,在价格上具有很大的优势.

2)由中心波长检测转换为光强度测量,避免了光开关分光束和光纤光栅解调仪采用扫描监测,使得本系统监测反应速度快,实现了无缝监测,不存在时间上的空白点.

5 结束语

利用本文设计的监测系统,使原先价格昂贵的光纤光栅监测系统变得更简单、更容易实现,因而可以在更多场合使用该监控系统,这无疑大大降低了安全和预警工作的成本.实际应用中,在光纤光栅制作完成后,纤芯强度较制作前有所降低,因此必须考虑实际应用中的可靠性及寿命问题,必须对裸光纤进行有效的强度保护[8].进一步完善设计后,该监测系统在大面积的地震监测、大型桥梁、大面积民房建筑、安全保密中有相当大的潜力.此外,由于设备的隐蔽性,还可以制成严密隐蔽的防盗设备.

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