光纤光栅传感系统的现状及发展趋势翻译

1、光纤光栅传感系统的现状及发展趋势自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主

2、构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。1 光纤光栅传感系统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。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。11

3、 光 源光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源

4、已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要求及分布式光纤传感密集布点对光源带宽要求，L波段的研究越来越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的带宽和功率。掺铒光源在温度稳定性方面比半导体光源提高2个数量级，同时，能提供较高的功率、宽的带宽和较长的使用寿命，因此，可以扩大光纤光栅传感器的测量范围，提高检测的信噪比。12 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耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合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

5、器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些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，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即，多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBGLPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10-6，1.5。双周期

6、光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10-6，1，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应

7、灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和

8、应变。13 信号解调在光纤光栅传感系统中，信号解调一部分为光信号处理，完成光信号波长信息到电参量的转换；另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理，提取外界信息，并以人们熟悉的方式显示出来。其中，光信号处理，即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。光纤光栅传感器中心反射波长最直接的检测仪器是光谱仪。这种方法的优点是结构简单、使用方便。缺点是精度底、价格高、体积大，而且，不能直接输出对应于波长变化的电信号。因此，不能满足实用化自动控制的需要。为此，人们研究并提出了多种解调方法，以实现信号的快速、精确提取。可分为滤波法、干涉法、可调窄带光源法和色散法等。滤波法包括体滤波法、匹配光栅滤波法、

9、可调谐F-P滤波法。体滤波法的元件是波分复用器。工作原理是从耦合器出射的光分成等强度的两束，一束经与波长有关的滤波器滤波；另一束作为参考光束，两束出射光经过光电探测器变成电信号，经过处理消除光功率变化的影响，最后，得到与光纤光栅中心波长有关的输出值。该方法可以实现动态和静态参量的测量。分辨力为375x10-6，动态应变测量响应速度不超过100Hz匹配光栅滤波法是利用其他的FBG或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪FBG的波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。该方法结构简单、线性度好，分辨力可达0.4×10-6。该方法可以实现静态测量。但这种方法的不足之处

10、是2个光栅要严格匹配，且传感光栅的测量范围不大。可调谐F-P滤波器法是传感阵列FBG的反射信号进入可调光纤F-P滤波器（FFP），调节FFP的透射波长至FBG的反射峰值波长时，滤波后的透射光强达到最大值，由FFP驱动电压透射波长关系可得FBG的反射峰值波长。扫描加上扰动信号构成波长锁定闭环，其应力分辨力可达0.3×10-6。该解调法可实现动态和静态的测量。由于FFP滤波器腔的调谐范围很宽，可以实现多传感器的解调。但高精度FFP成本较高。滤波解调法结构简单，但很难进一步提高其传感精度。干涉法却具有更高精度，可以大大提高传感分辨力。可调窄带光源解调法可获得很高的信噪比和分辨力，实验所得最

11、小波长分辨力约为2.3pm，对应温度分辨力约为0.2，但由于目前的光纤激光器的稳定性及可调谐范围不太理想，在一定程度上限制了光纤光栅传感器的个数和使用范围。2 光纤光栅传感系统的发展趋势为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求，应使

12、用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中，要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结

13、合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用实现分布式传（1）光纤的架设：根据光纤的结构，纤芯是由脆性石英玻璃纤维制作的，外面加装填充材料，钢丝加强筋，铝装护套和塑料护套等构成。它是怕折不怕拉（当然不能超过它的极限抗拉力），因此它在空中架设过程中，不能象架设同轴电缆那样随意，它要求较高。正确的做法是：必须要求专业施工队伍架设，并配有放线架，组织一定的人力，分布均匀的中间接力，按照光纤配盘顺序架设，开口、挂勾要密度适中分布均匀，每根杆子处要有凹型滴水沟，每盘光缆在接头处应留有几十米的余量（主要用于接续盒地面熔接操作或杆子控断有余地）。如果不

14、按上述规范来操作，不用放线架，采用土法上马，靠人肩背扛，有的施工路段不好，要上高山、下水田、过塘堰等障碍，那更要组织指挥好，千万不能让光缆打折拉扭，否则容易造成断芯或高损耗点，将来返工是非常麻烦的。特别是层统式单根钢丝的光缆容易出现这样的问题。（2）光纤的熔接：光纤的熔接是件非常细心和认真的工作，要作好记录，包括芯数、颜色、顺序、熔接损耗等及配盘图纸。熔接也有讲究，不是两根料芯一碰就行了。首先是选用熔接机型号，传1550nm光纤熔接时选用熔接机档次要高一点，熔接损耗小一点，一般控制在0.04dB以下，超过此值要重新熔接。其次是热塑管，质好的热塑管钢丝不易掉出来，手感富有弹性，质次的热塑管钢丝细

15、、硬，加热后象根钢丝棍。有的纤芯熔好后，经过加热冷却后仍在这里断芯，当时还不知道，只有当工程熔接完工后测试时才发现有断芯现象，且断点就在热塑管内。我们分析认为可能是这种质次的热塑管膨胀系数与光纤张力不同步造成的；也可能是热塑管未冷却时用镊子夹出来受力或振动之故。再就是光缆中心的钢丝固定方法也不容忽视，正确的做法是，钢丝穿过固定螺栓时，钢丝的下面必须是填充束管，不能是纤芯束管。钢丝如果压在纤芯束管受力变形会造成损耗过大，尤其要注意1550nm光纤。还有在熔接时光纤剥统应留长点（约70公分左右为宜），便于今后返工有余地，熔接操作时也方便。再则光纤在接续盒内盘线弯曲半径弧度不能太小。弧度太小易造成折

16、射损耗过大，造成色散现象。（3）光纤的测试：光纤在架设、熔接完工后就是测试工作，现在大量的使用测试仪器，用的是OTDR时域计。主要是用来测试光纤的长度、衰减值、判断断点和高损耗点的故障位置。为了测试准确，时城计的脉定量程要选择适当，按照厂方给出的折射率n值的指标设定。在判断故障点时，预先不知道距离长度时，先放在自动位置，大概找出粗略位置，然后放在手动位置，将脉宽量程放在小的位置（与距离量程对应），盲区减小直至与坐标线重合。脉宽越小越精确，当然脉定太小后曲线显示出现噪波，要恰到好处。再就是加接探纤盘，目的是为了防止近处有盲区不易发觉。关于判断断点时，如果断点不在接续盒处，将就近处接续盒打开，接上

17、时域针、裸纤盘、测试准确的位置。我们就是利用上述方法，判断两处人为的用针插断和刀割断芯损坏的位置。判断高损耗点及处理时，如发现中途有高损耗点，又不在接续盒时，同样利用上述方法，根据测试距离找到故障点，是拉扭打折的话，要用手顺其反方向校正即可。如若还不能解决，那只有加接续盒，别无它法。另外，在光纤架设过程中，多余的光纤应盘放在杯子上，不要剪掉，按照配盘的数据长度便于测试时准确的找到故障点。浅谈光纤熔接机的使用与保养 光纤熔接机是光纤光缆工程与维护中必不可少的设备，可以完成单模、多模、色散位移、非零色散位移光纤的接续。光纤熔接机结构精密、价格昂贵，在日常使用与保养过程中有很多需要注意的地方。 光纤

18、熔接机应放置于专用的携带箱中运输，运输途中避免振动、磕碰、翻转。建议保留外包装箱，以备长途运输。 光纤熔接机是高精密设备，它对使用环境有要求（以日本藤仓公司的FSM-50S单芯光纤熔接机为例，其使用环境为：海拔05000米，温度-1050度，湿度095%无冷凝）。在日常使用过程中，应避免阳光直射、雨雪、低温、风沙等恶劣环境中作业，或配备遮阳伞、帐篷等工具保护设备。 光纤熔接机供的电方式一般有三种，交流电、内置电池和直流供电。在使用小型发电机为设备供电时，应配备稳压电源，以免冲击电流损坏设备的高压包。熔接机配备的内置电池一般是镍氢电池，有一定的记忆性，如果使用不当会使电池容量降低，在充电前应将电

19、池中的残余电量用光，建议用熔接机提供的放电功能；如果电池长时间不使用，应将电池充满电，并且每个月彻底充放电一次。 在野外施工中，应注意做好清洁工作。保证光纤夹具、反光镜和V型槽的清洁，如有灰尘或异物，可用无水酒精棉清洁。养成随手关闭防风盖的习惯，避免灰尘和光纤碎屑落入机器中。一般的光纤熔接机都提供自动开始功能，既关闭防风盖后机器自动开始熔接，建议关闭此功能。 光纤精密切割刀是熔接机的重要组成部分，光纤切割质量是熔接的重要保证。在使用中要保持光纤压脚、V型槽和切割刀片的清洁。发现切割质量明显下降时，可转动切割刀刀片到下一个刀口，刀片一圈都用过后，应及时更换刀片。 光纤熔接机都会提供对应于不同光纤

20、的多种熔接模式，应该对应光纤种类选择合适的熔接模式，非专业人员请勿修改模式中的各项参数，以免影响熔接质量。 当熔接机出现故障时，用熔接机的自检功能可排除一部分问题或找到问题的原因，如问题仍未解决，应及时联系供应商，请勿自行拆机。 建议每年做一次熔接机的全面保养，对设备的光路、机械传动、电极、电池、切割刀等各部分做一个全面的检测、维护。上海浩申通信技术有限公司 李偲上海市荆州路334号荣广商务中心101室（200082）一.布线系统与光纤光缆 在结构化布线系统中，光纤不但支持FDDI主干、1000Base-FX主干、100Base-FX到桌面、ATM主干ATM到桌面，

21、还可以支持CATV/CCTV及光纤到桌面（FTTD），因而它和铜缆共同成为结构化布线中的主角。 根据光纤结构的不同，可分为普通光纤光缆和光纤带光缆。作为光纤接入网络中的主干环路，采用普通光缆敷设不仅会占用宝贵的管道资源，而且在原有线路上重新敷设光缆还会造成光缆采购与线路敷设费用上的浪费。考虑到重复敷设光缆的一次性成本与将来出租光纤带宽的能力，并避免平行拉入多根光缆以优化已过度拥挤的管道系统，要合理地将含有数百芯光纤的光缆外径控制在一定范围内以利于光缆的管道敷设，最理想的方法是使用光纤带的设计。 同普通层绞式光缆相比，光纤带光缆具有很多更适于接入网络的优点。光纤带光缆更适用于大型网络的垂直主干子

22、系统和建筑群子系统。当然，如果水平布线也大量采用光缆，那么，光纤带光缆也应当作为首选。 国际上流行的布线标准EIA/TIA -568A 和ISO/IECIS11801推荐使用62.5/125m多模光缆、50/125m多模光缆和8.3/125m多模光缆。光纤和光缆被大量地应用于现代化建筑的综合布线系统中。光纤分为单模光纤和多模光纤两种，单模光纤和多模光纤可以从纤芯的尺寸大小来简单来判别，它适用于光纤到桌面、连接到传输设备以及制作光纤跳线，可应用于管理子系统、设备间子系统和工作区子系统。光缆应用于主干时，每个楼层配线间至少要用6芯光缆，高级应用最好能使用12芯光缆。这是从应用、备份和扩容三个方面去

23、考虑的。至于光纤的组网方式也很灵活。可以实现： 点对点：在两台计算机之间建立起高速通道。传输速率为几个Mbps至几百个Mbps，距离可达2公里（多模）至5公里（单模）。 星型网络：通过光纤网络设备，建立起星型的网络拓扑结构。 环形网络：由光纤把信号再生器连接，形成环路。 1 端面的制备光纤端面的制备包括剥覆、清洁和切割这几个环节。合格的光纤端面是熔接的必要条件，端面质量直接影响到熔接质量。1.1 光纤涂面层的剥除掌握平、稳、快三字剥纤法。"平"，即持纤要平。左手拇指和食指捏紧光纤，使之成水平状，所露长度以5cm为它，余纤在无名指、小拇指之间自然打弯，以增加力度，防止打滑。&

24、quot;稳"，即剥纤钳要握得稳。"快"，即剥纤要快，剥纤钳应与光纤垂直，上方向内倾斜一定角度，然后用钳口轻轻卡住光纤，右手随之用力，顺光纤轴向平推出去，整个过程要自然流畅，一气呵成。1.2 裸纤的清洁裸纤的清洁应按下面的两步操作。1）观察光纤剥除部分的涂覆层是否全部剥除，若有残留应重剥。如有极少量不易剥除的涂覆层，可用棉球沾适量酒精，边浸渍，边逐步擦除。2）将棉花撕成层面平整的扇形小块，沾少许酒精（以两指相捏无溢出为宜），折成"V"形，夹住已剥覆的光纤，顺光纤轴向擦拭，力争一次成功，一块棉花使用23次后要及时更换，每次要使用棉花的不同部位和层

25、面，这样既可提高棉花利用率，又防止了探纤的两次污染。1.3 裸纤的切割切割是光纤端面制备中最为关键的部分，精密、优良的切刀是基础，严格、科学的操作规范是保证。 1）切刀的选择切刀有手动（如日本CT07切刀）和电动（如爱立信FSU925切刀）两种。前者操作简单，性能可靠，随操作者水平的提高，切割效率和质量可大幅度提高，且要求裸纤较短，但该切刀对环境温差要求较高。后者切割质量较高，适宜在野外寒冷条件下作业，但操作较复杂，工作速度恒定，要求裸纤较长。熟练的操作者在常温下进行快速光缆接续或抢险，采用手动切刀为宜；反之，初学者或在野外较寒冷条件下作业时，直用电动切刀。2）操作规范操作人员应经过专门训练掌

26、握动作要领和操作规范。首先要清洁切刀和调整切刀位置，切刀的摆放要平稳，切割时，动作要自然、平稳，勿重、勿急，避免断纤、斜角、毛刺、裂痕等不良端面的产生。另外，学?quot;弹钢琴"，合理分配和使用自己的右手手指，使之与切刀的具体部件相对应、协调，提高切割速度和质量。3）谨防端面污染热缩套管应在剥覆前穿入，严禁在端面制备后穿入。裸纤的清洁、切割和熔接的时间应紧密衔接，不可间隔过长，特别是已制备的端面切勿放在空气中。移动时要轻拿轻放，防止与其它物件擦碰。在接续中，应根据环境，对切刀"V"形槽、压板、刀刃进行清洁，谨防端面污染。2光纤熔接光纤熔接是接续工作的中心环节，因

27、此高性能熔接机和熔接过程中科学操作十分必要。2.1 熔接机的选择应根据光缆工程要求配备蓄电池容量和精密度合适的熔接设备。依笔者经验，日本FSM30S电弧熔接机性能优良、运行稳定、熔接质量高，且配有防尘防风罩、大容量蓄电池，适宜于各种大中型光缆工程。而西门子X76熔接机体积较小、操作简单、备有简易切刀，蓄电池和主机会二为一，携带方便，精度比前者稍差，电池容量较小，适宜于中小型光缆工程。2.2熔接程序熔接前根据光纤的材料和类型，设置好最佳预熔主熔电流和时间及光纤送入量等关键参数。熔接过程中还应及时清洁熔接?quot;V"形槽、电极、物镜、熔接室等，随时观察熔接中有无气泡、过细、过粗、虚熔

28、、分离等不良现象，注意OTDR跟踪监测结果，及时分析产生上述不良现象的原因，采取相应的改进措施。如多次出现虚熔现象，应检查熔接的两根光纤的材料、型号是否匹配，切刀和熔接机是否被灰尘污染，并检查电极氧化状况，若均无问题，则应适当提高熔接电流。3.盘纤盘纤是一门技术，也是一门艺术。科学的盘纤方法，可使光纤布局合理、附加损耗小、经得住时间和恶劣环境的考验，可避免挤压造成的断纤现象。3.1盘纤规则1）沿松套管或光缆分枝方向为单位进行盘纤，前者适用于所有的接续工程；后者仅适用于主干光缆末端，且为一进多出。分支多为小对数光缆。该规则是每熔接和热缩完一个或几个松套管内的光纤、或一个分技方向光缆内的光纤后，盘纤一次。优点：避免了光纤松套管间或不同分枝光缆间光纤的混乱，使之布局合理，易盘、易拆，更便于日后维护。2）以预留盘中热缩管安放单元为单位盘纤，此规则是根据接续盒内预留盘中某一