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标题: 光纤光栅传感器的大规模组网技术 [打印本页]

作者: raylens 时间: 2009-10-26 16:59
标题: 光纤光栅传感器的大规模组网技术
光纤光栅传感器的大规模组网技术（上）
www.weilanshi.com
利用光纤光栅技术发展起来的光纤光栅传感网络具有很多独特的技术和应用优势，比如：
1）全光测量及远距离测量（可超过45公里）；不受电磁干扰；
2）准分布式测量：单根光纤可以串接几十个光纤光栅传感器，只需占用解调设备（传感网络分析仪）的一个通道；
3）可以与光纤通信网络融合，适合在广阔的地域组网；
4）测量精度高：测温精度±0、5℃，测温分辨率0、1℃；测量应变分辨率1με；
5）实时性好：在大规模网络中，所有监测点的单次测量时间最快小于10ms；
6）传感器检出量是波长信息，属于“数字”量，因此不受接头损失、光缆弯曲损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感；
由于这些独特的优点，自从1989年MOREY首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视。研究工作重要集中在：
1）光纤光栅的封装；
2）光纤光栅传感器的可靠性和寿命研究；
3）交叉敏感的消除；
4）高功率密度的宽谱光源；
5）微小波长移动的并行、快速、低成本检测等方面。
经过近十五年的发展，光纤光栅传感网络的基本技术已经成熟，正在从实验室走向大规模工业应用。目前研究的重点正在转向组网和工程应用的关键技术问题。
中国科学院半导体研究所是国内较早开展光纤光栅技术研究的单位。在国家“863”计划的支持下，围绕着高速率、长距离光通信系统中的光纤光栅色散补偿器进行了攻关，解决和掌握了光纤光栅中心波长的精确控制技术、光纤光栅裂纹抑制、旁瓣抑制和时延抖动的控制技术。研制的光纤光栅色散补偿器经过了严格的光通信无源器件可靠性测试，应用于华为技术有限公司的光传输产品中。
从2007开始，北京蔚蓝仕科技有限公司www.weilanshi.com 对光纤光栅传感器的大规模组网技术进行了全面细致研究与拓展。在若干重大产品中实现了光纤光栅传感网络的商用化。
本文简要报告光纤光栅传感网络的若干组网关键技术和重大应用工程。
二、光纤光栅传感网络工作原理
1、光纤光栅的敏感机制
用于传感的光纤光栅一般是制作在光纤芯内的布拉格反射器。它利用光纤材料的紫外光敏性，在纤芯内部形成空间相位光栅。这样具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光栅后，特定波长的光沿原路反射回来，其余波长的光信号则直接透射出去。光纤光栅的结构和光谱应。
此即光纤光栅的中心波长方程，其中?为纤芯的有效折射率，?为光栅周期。可以看出改变光栅的有效折射率或周期就能改变光栅反射的中心波长，利用这一特性可以将光纤光栅用于许多物理量的传感测量。例如温度和应力是光纤光栅能够直接敏感的两个物理量。温度引起光栅中心波长的漂移主要有两个方面的原因：起主要作用的光纤材料的热光效应，起次要作用热膨胀效应。应力的作用使光纤光栅受到机械拉伸而导致光栅周期的变化，另一方面由于石英材料的弹光效应也会引起的光纤光栅有效折射率的变化。这样光栅的中心波长漂移就反映了所处温度场或应变场的变化情况，从而达到测量的目的。由于光纤光栅中心波长随温度或应变的变化关系是线性的，所以可以非常方便地应用在传感领域。
2、光纤光栅传感网络
光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。典型的光纤光栅传感网络结构如图所示，其基本功能部分可概括为：光发射和接收终端，传输线路，传感器阵列和信号处理系统四个部分。
从宽谱光源或者连续扫描激光器出射的光经由光耦合器或光开关后分别到达相应通道的光纤光栅传感器阵列。由于光纤光栅是以波长编码的方式实现传感测量，因此在传感网络中可以采用光开关切换各个通道，互相并无串扰。各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，从而有效的利用了频带资源。各传感器反射回来的波长信号经过耦合器和可调谐扫描滤波器后被光电探测器接收。当传感器阵列中某个传感器所处的环境（如温度场、应变场等）发生改变时，该传感器的中心波长就会发生漂移（一般为线性变化）；这种波长的微小漂移被探测、采样并将采样数据送到信号处理模块进行计算分析，从而得到传感器的相关参量和相应的温度或应力的测量结果。
用于信号解调的光源、滤波器、探测器和信号处理与控制模块以及其它的相关光路元件通常集成在一个设备里，称做光纤光栅传感网络分析仪。
三、光纤光栅传感器的大规模组网技术
光纤光栅传感技术的早期研究集中在传感器本身的封装、寿命、可靠性和各种解调技术的实现方面。当用光纤光栅传感器构成网络用于实际工程时，将会面对许多新的技术问题。与单独的传感器应用不同，当光纤光栅传感器组成网络时，必须进行网络规划和设计，以便解决好路径备份、温度补偿、频带利用和功率均衡等问题。网络规划和设计也对传感器自身提出了标准化的要求。
1、传感器的互换性
光纤光栅传感器最重要的外部参数是初始波长以及波长随外界物理量变化的系数。在不同的精确度情况下，光纤光栅传感器的反射谱中心波长与被测物理量的对应关系有多种数学表达方法。比如，在中心波长与外部物理量之间建立关系；在中心波长变化量与外部物理量之间建立关系；按线性情况来处理；按多项式形式来处理；初始波长还可以选在不同的温度点上。由于没有统一的标准来约定，各研制单位和企业的产品采用各自选定的表征方法。目前也缺乏对整个波段内的传感器的工作波长进行规范的工作。所以传感器的初始中心波长也是根据工艺而随机确定的。这样，作为实际产品，在规范的大规模组网工程中往往不具有可替换性。
2、应变测量中的温度补偿问题
由于光纤光栅的弹光系数只有热光系数的1/10之一左右，温度变化1°C引起的中心波长偏移与10με所引起的中心波长偏移相当。因此在应变测量中必须要剔除环境温度变化对光纤光栅传感器中心波长的影响，亦即要考虑应变测量中的温度补偿问题，这在大型结构的长期应变监测中尤为重要。但在这种实际应用场合，只考虑传感器作为独立个体时的温度系数没有意义。因为在实际工程中，传感器与被测对象复合后，它的温度系数发生了很大的改变。而新的温度系数与被测对象的材料性质、安装方法有很大关系，往往是不能预知的。
3、频带利用
由于光源谱宽的限制、光纤光栅中心波长范围的限制，以及光路上其他各种部件的工作波长的限制，光纤光栅传感网络可用的频谱带宽是有限的。目前一般采用1310nm或1550nm波段。随着DWDM光通信技术和产业的发展，1550nm波段的器件供应商越来越多，成本越来越低，C波段已经成为光纤光栅传感网络组网的首选工作波段。
考虑C波段从1525nm到1565nm的40nm的波长范围内，采用波分复用的方式在一条链路上串接光纤光栅传感器。当波长相临的两个传感器的反射谱的中心波长接近到0、4nm时，解调系统就难以分辨。因此，在不考虑每个传感器的量程（中心波长的移动范围）的极端情况下，一条链路上可以串接的传感器的最大数目是100个左右。实际上，在大多数情况下每个传感器都应有1nm的波长移动范围，所以，实际组网时，一条链路的传感器数目在30个左右。
如果把C、L和S波段全部利用，则每条链路可串接的传感器数目可以大大增加。

4、功率均衡
假定从解调设备里发出的光信号在整个工作波长范围内功率密度是比较一致的。不同频率的光信号在光路的不同位置被反射回来，它们经过的光器件、连接器或融接点的数量也不同，因此造成回传的不同信号的功率水平不同。在比较恶劣的情况下，某些传感器的旁瓣噪声甚至会超过其他传感器的有用信号，造成网络可以识别的传感器的数量下降。因此在工程组网时，必须进行正确的功率均衡设计。
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作者: raylens 时间: 2009-10-26 17:02
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