基于AWG的耐高溫長周期光纖光柵應變監(jiān)測信號解調(diào)技術研究*

華 靜，劉月明*，何正炎，陳忠友，樓 俊，劉 濤

(1.中國計量學院光學與電子科技學院，杭州310018;2.浙江工業(yè)大學化工設備有限公司，杭州311113)

光纖光柵傳感技術代表了光纖傳感技術的主流方向，光纖光柵傳感器的優(yōu)點很多[1－2]，如抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，安全性好;結(jié)構簡單，質(zhì)量輕，體積小;容易實現(xiàn)分布式傳感;采用波長編碼，抗干擾能力強;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)和長周期光纖光柵LPFG(Long-Period Fiber Grating)，盡管FBG具有非常優(yōu)異的應變檢測性能，且技術成熟，應用廣泛，但是普通的FBG通常采用纖芯紫外光敏的方法進行光柵寫入，并在寫入前進行載氫處理，這種光纖光柵在250℃以上時會出現(xiàn)光柵結(jié)構的“擦除”現(xiàn)象，無法應用于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環(huán)境(高達300℃以上)的需要。為了實現(xiàn)高溫場合的監(jiān)測需要，本文對一種耐高溫的LPFG器件的制備方法、高溫特性以及信號解調(diào)技術進行了研究，該LPFG可以工作在300℃以上的高溫場合。

LPFG信號解調(diào)技術是器件應用的關鍵，目前已有的一些LPFG信號解調(diào)方法，如:光譜儀法，但其成本高、體積大，不利于傳感技術的推廣和實用化;基于F-P掃描干涉儀法[4]，其最終透射譜是實際譜線與F-P濾波器透射譜的卷積，結(jié)果導致了帶寬增加，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量分辨率較低，只適用于一些結(jié)構簡單、性能價格比很高的測量方案等等。分析以上解調(diào)方法的特點和不足，本文采用了陣列波導光柵(AWG)方法來實現(xiàn)LPFG的信號解調(diào)技術[7]。AWG是一種光纖通訊中常用的器件，利用其特性實現(xiàn)對LPFG的信號解調(diào)，技術新穎，解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構及原理簡單，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、集成能力強以及低串擾等優(yōu)點。

本文首先對耐高溫長周期光纖光柵的制備方法進行了分析，并對制備的耐高溫LPFG的高溫特性進行了測試，然后基于AWG器件特性，重點研究了耐高溫LPFG的應變檢測信號解調(diào)技術，最后對應變檢測中的溫度與應變交叉敏感問題進行了研究，建立了應變測試數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)溫度補償，取得了較好的溫度補償效果。

1 LPFG應變檢測的原理和結(jié)構

1.1 LPFG檢測原理

LPFG的光柵周期比較長，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。此機理決定了其對特定波長具有損耗能力，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、應變等信息轉(zhuǎn)化為其特征波長的微小移動，通過獲知波長的微小偏移量Δλ，便可得到被傳感信息的變化量，最終達到檢測的目的[8]。

圖1 LPFG透射波長的微小偏移量Δλ

1.2 耐高溫LPFG光柵制作及特性

實驗中使用的耐高溫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)置于寫入設備CO2激光器聚焦透鏡的焦點處，逐點對光柵進行寫入[9－10]，并實時利用寬帶光源和光譜儀監(jiān)測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激光器由計算機控制，可實現(xiàn)對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。

為了驗證耐高溫LPFG的高溫特性，對其進行了高溫退火特性測試，將其置于300℃環(huán)境下進行了450 min的熱衰變實驗，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)特征波長略有漂移，時隔7 h后其透射率仍有8 dB，證實該光纖光柵在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信號解調(diào)技術

2.1 基于AWG的信號解調(diào)技術方法

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

圖3 AWG通道取樣與曲線擬合

2.2 譜線重構方法

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，運用上式高斯函數(shù)來重塑曲線，通過計算均方根誤差可以評估曲線擬合的準確度，來決定最優(yōu)的高斯函數(shù)擬合階數(shù)。

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

3 溫度和應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算模型，實現(xiàn)應變檢測時的溫度敏感補償。將該光柵傳感器的輸入輸出特性表示為一元多項式形式，建立溫度、應變以及對應波長移動量的函數(shù)關系，建立以下的雙參量數(shù)據(jù)融合的一元多項式模型[13]:

式中:ε，Δλ是LPFG傳感器的輸入應變量與相應的輸出波長差，εP為高階無窮小量，為多項式的系數(shù)，它們都隨溫度T而變化。對于不同的工作溫度Ti，LPFG傳感器有不同的輸入輸出(ε－Δλ)特性，對應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)由實驗實測數(shù)據(jù)代入求得。

利用式(2)融合模型實現(xiàn)溫度補償?shù)幕舅悸肥?試驗數(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算機，通過計算機的軟件功能實現(xiàn)應變檢測中的溫度補償。實際進行傳感器的應變檢測時，單獨設置一個LPFG作為溫度參考光柵，用于確定傳感器環(huán)境的即時溫度，將該參考溫度值輸入式(2)的融合算法模型，即可得到補償溫度影響之后的應變輸出值，達到消除溫度交叉敏感的目的。

4 實驗測試設置及結(jié)果

應變實驗系統(tǒng)如圖4所示，寬帶光源的光經(jīng)過摻鉺放大器增強光能量，再經(jīng)過LPFG進行應變波長調(diào)制，輸出光通過AWG的多通道采樣后，用多路光開關及光功率計組合來探測AWG各個輸出通道的光功率大小，再經(jīng)過相應的數(shù)據(jù)處理，即將AWG各通道探測出的光強度值進行曲線擬合，求導此曲線可得到此時的中心波長大小。

圖4 本實驗的基于AWG的信號解調(diào)系統(tǒng)

實驗通過改變恒溫箱的溫度值來控制LPFG周圍溫度變化及改變等強度懸臂梁上自由端所掛負載來控制LPFG的應變變化，如圖5所示，試驗中選用的等強度懸臂梁的長度為L，厚度為h，固支端的寬度為b。等強度懸臂梁截面為等腰三角形，橫截面為矩形。根據(jù)材料力學的懸臂梁彎曲理論，可以推導出懸臂梁彎曲時其表面的應變ε為[14]

式中δ為懸臂梁頂端的彎曲撓度?？梢钥闯龃藭r的懸臂梁應變是處處相等的，因此光纖光柵不會出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象。將傳感光纖光柵LPFG貼裝在等強度懸臂梁的上表面，此時懸臂梁表面應變所導致的光纖光柵特征波長的移動量為[14]

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

式(4)中的第一項反映了懸臂梁表面應變的貢獻，第二項為溫度交叉敏感項。

圖5 LPFG應變片與懸臂梁的固定方法

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

為消除零漂，在測量數(shù)據(jù)中首先將零位輸出值減掉，再做后續(xù)的溫度補償算法處理。將溫度和應變變化的實驗數(shù)據(jù)實時記錄于表1中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)融合算法的溫度補償程序。

表1 實驗測試數(shù)據(jù)

實驗中所使用的AWG通道數(shù)為32，相鄰通道間隔為 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的中心波長為1 549.400 0 nm，光柵最大損耗是21.67 dB，實驗中設計了一種均質(zhì)、等厚、等腰三角形等強度懸臂梁，其材料選用金屬鐵，楊氏模量值約為7×1010Pa。

光纖光柵溫度應變解耦的性能可用靈敏度溫度系數(shù)αS來衡量，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)相應的輸出值，而溫度差ΔT=T2－T1。將表1的測試數(shù)據(jù)代入融合程序進行建模，然后運用式(5)對溫度補償前后的靈敏度溫度系數(shù)進行計算，溫度靈敏度系數(shù)從10－3量級降至10－4量級，降低了約一個數(shù)量級。

耐高溫長周期光纖光柵可用于對高溫壓力管道表面應變進行實時監(jiān)測，以實現(xiàn)高溫壓力管道的爆管預警功能，LPFG應變片可被粘貼在高溫管道表面感受管道外壁應變，并沿管道外壁周長直徑方向布置四個相互垂直測點。由于管道表面應變量較小，為提高光纖光柵應變敏感性，必須設計專門的光纖光柵敏感機構，實現(xiàn)應變監(jiān)測增敏，并將應變放大后再傳遞到敏感光纖光柵LPFG上，有關高溫管道的監(jiān)測研究結(jié)果將另文報道。

5 結(jié)論

本文對基于AWG的LPFG信號解調(diào)技術進行了系統(tǒng)研究，使用數(shù)據(jù)融合算法對應變溫度交叉敏感問題進行了補償處理。AWG解調(diào)方案技術新穎、原理簡單、操作簡便以及成本較低，在LPFG傳感信號解調(diào)中取得了較好效果。實驗中應注意，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，否則將導致各通道輸出光功率過小，給后續(xù)的微弱光信號探測帶來困難，本文實驗中采用了摻鉺放大器對寬帶光源信號進行了預放大，以滿足光路光功率的需要。

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