基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的光纖光柵應(yīng)力傳感器.

1、第35卷第6期No .62005 年 6 月激光與紅外Vol . 35,LASER & I N FRARE DJune,2005文章編號(hào)：100125078(2005 0620420204基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的光纖光柵應(yīng)力傳感器魏 林,郭玉彬，周 健,張健生，肖 磊,王天樞(,吉林摘要:,并(G MM , (B ragg波長(zhǎng)偏移，用控制電流來(lái)調(diào)控F BG的應(yīng)變和B ragg 5A之間時(shí)，反射峰的中心波長(zhǎng)的偏移量隨所加電流呈線(xiàn)1. 10n m (1551.94n m 1553. 04n葉 該系統(tǒng)具有對(duì)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分辨率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵；應(yīng)力傳感；超磁致伸縮材料G MM中

2、圖分類(lèi)號(hào):T N247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AA Fi ber Bragg Grati n g Stra i n Sen sor Based on M i cro 2con trollerW E IL in, G UO Yu 2bi n, ZHOU J ian, ZHANG J ian 2she ng, X I A O Lei,WANGTian 2shu(Depart m ent of Op tical Communi cati on, College of Communi cati on Eng . , J ili nUni versity, Cha ngchun 130012, Chi naAbst

3、ract:A no vel method t o contr ol thin 2fil m filter and detect the B ragg wavele ngth offsets of fiber B ragg grat ing(F BG with m icr ocontr oiler has bee n dem on strated . The real 2ti m e measure ments of the stra ins have bee n exp erie needwithin a F BG strain sensing syste m. A high perf or

4、mance gia nt mag net ostrictive material (G MM is utilized t o p r oducesig nifica nt B ragg wavele ngth shifts in F BGs,W hen curre nt cha nges fr om 1A t o 5A, the offsets of the cen ter wavele ngthreaches 1. 1n m (1551.94n m -1553. 04n m , and it in creases lin early with the curre nt . Pr ogramm

5、able curre nt are usedt o contr ollably strain and shift of the B ragg wavele ngth of the F BGs . This syste m has many adva ntages, such as highres oluti on and high p recisi on .Key words:fiber B ragg grat ing; stra in sensing; Gian tMag net ostrictive M aterials光纖光柵是近幾年光纖通信技術(shù)中繼摻鉺光纖 放大器之后的又一重大技術(shù)突破

6、，現(xiàn)已經(jīng)被大量應(yīng) 用到光通信和光纖傳感領(lǐng)域。光纖光柵是單模光纖 纖芯的折射率沿光纖軸向變化的一種光學(xué)元件，當(dāng)它用于傳感領(lǐng)域時(shí)，用它作為敏感元件的傳感器，可對(duì)應(yīng)力、溫度、壓力、加速度等多個(gè)外界量進(jìn)行精確 的檢測(cè)。光纖光柵傳感器具有一般光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)，如抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、傳輸距離遠(yuǎn)、耐腐蝕等，它突出的優(yōu)點(diǎn)是：被測(cè)信號(hào)是采用波 長(zhǎng)編碼的1-3 0本文提出采用單片機(jī)控制光介質(zhì)薄膜干涉濾波 器探測(cè)F BG波長(zhǎng)移動(dòng)量的方法，并試驗(yàn)了對(duì)外界應(yīng)力的實(shí)時(shí)檢測(cè)的光纖光柵應(yīng)力傳感系統(tǒng)。2 實(shí)驗(yàn)原理FBG是一種光纖折射率受到周期調(diào)制的光纖 型器件，該調(diào)制使光纖內(nèi)傳輸?shù)?光信號(hào)的不同模式進(jìn)行耦合。它的作

7、用相當(dāng)于一個(gè)高反射窄帶光反射鏡,根據(jù)光 纖耦合模理 論（C MT 4,當(dāng)寬帶光在F BG中傳輸時(shí),產(chǎn)生模式耦合,對(duì)于短周期F BG,滿(mǎn)足B ragg條件的入射光波被F BG耦合到反射模中,B ragg反射條件由FBG方程表示:=2neff其中,入為F BG的B ragg中心波長(zhǎng)；t為光柵周期；作者簡(jiǎn)介:魏林（1978-,男,吉林大學(xué)通信工程學(xué)院通信與 信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)2002級(jí)碩士研究生，主要從事光纖光柵傳感器的研 究。收稿日期：20042102n eff為光纖纖芯的有效折射率。環(huán)境影響，如溫度或應(yīng)力變化，都能引起A和n eff發(fā)生A和 n eff變化,導(dǎo)致符合B ragg條件的的 波長(zhǎng)發(fā)生位移,

8、從而改變峰值反 射波。F BG的中心波長(zhǎng)靈敏度由光纖彈性、彈光和熱光及加載的應(yīng)力特性決定。 對(duì)(1式作微分，則其中心波長(zhǎng)的變化量可由下式?jīng)Q定： 入B = A eff 9L +n eSL + A eff 9T +n eff9l T 2其中 丄 為光柵區(qū)的長(zhǎng)度；入 B =2 n effA+2n eff A該式表明,F軸向應(yīng)力作用或溫 度的變化影響時(shí),n eff 都會(huì) 發(fā)生變化。應(yīng)力作用下的光彈效應(yīng)導(dǎo)致其有效折射率變化，形變使光柵常數(shù)變 化。應(yīng)力引起B(yǎng) ragg波長(zhǎng)的改變,由應(yīng)力產(chǎn) 生的F BG軸向應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)：(T=E f £(4式中,為應(yīng)力；是F BG兩端軸向拉力；E r為光纖的 彈性模

9、量；為F BG 的軸向應(yīng)變；是在應(yīng)力作用下 的單位長(zhǎng)度的伸縮量50且有：L /L(5由于應(yīng)變的作用,導(dǎo)致F BG的有效折射率和光柵柵 距的變化，從而改 變B ragg波長(zhǎng)。 0. 78 £f（6對(duì)于F BG的應(yīng)力調(diào)諧，拉伸和光彈性效應(yīng)的共同作 用產(chǎn)生的調(diào)諧范圍由式（6得：入 B 0. 78£ f > B =0. 78R B（7可見(jiàn)，由應(yīng)力產(chǎn)生的B ragg波長(zhǎng)變化與應(yīng)力成線(xiàn)性關(guān)系。其調(diào)諧范圍的大 小正比于 L,而反比于光柵的長(zhǎng)度?？v向拉伸F BG,使其B ragg反射波 長(zhǎng)向長(zhǎng) 波方向變化?？梢?jiàn)調(diào)諧范圍的大小正比于 L,而反比于F BG的長(zhǎng)度。如果采 用軸向壓縮,則可

10、以使B ragg波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。由摻鉺光纖 放大器（E DF A的自發(fā)輻射（ASE光譜被發(fā)生形變的F BG反射,B ragg中心波長(zhǎng)產(chǎn)生位移 入B米用安立MS9710B光譜分析儀（OS A測(cè)量反射光的光譜，即可檢測(cè)出其波長(zhǎng)位移 入B為了增加F BG的B ragg波長(zhǎng)的偏移量,米用如圖1所示的新型超磁致伸縮材料（G MM裝置 。將F BG兩端用環(huán)氧樹(shù)脂膠同軸粘貼于一根單端固 定的G MM棒的表面上。圖中的線(xiàn)圈用來(lái)提供一定 的偏置磁場(chǎng)，使Ill 11,=.矛j吐I w 刖，t. tois-i 血Joiifflii LkyiMRj；出心L'hiCi? liQjjji； Ah right

11、s bmahJ nnVW耕 icjitl 門(mén)if 電C.UG MM棒在適合的線(xiàn)性范圍內(nèi)工作。從而使驅(qū)動(dòng)器工作在伸縮量最大及線(xiàn)性好的區(qū)域。另外，由于GMM的抗壓強(qiáng)度大于其抗拉強(qiáng)度，因此采用預(yù)壓碟形彈簧使其在一定的壓力下工作。通過(guò)調(diào)整GMM棒上的預(yù)緊力，從而使磁滯最小。通過(guò) 改變驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈中電流的大小，來(lái)改變棒中磁場(chǎng)的大小,進(jìn)而控制其伸縮。在該裝 置中，磁場(chǎng)構(gòu)成閉合回 路，從而降低了漏磁 影響，。I fT-利祈f 111|口jrunuki himrwiA hhliitung H<hik All.dkhKt0%G MM磁調(diào)諧F BG結(jié)構(gòu)采用磁場(chǎng)強(qiáng)度作為控制量的 G MM輸出位移測(cè)量曲線(xiàn)如圖2所示

12、。其驅(qū)動(dòng)電流為04A ,當(dāng)磁場(chǎng)在1007000e時(shí)線(xiàn)性度較好,因此可實(shí)現(xiàn)G MM材料在1007000e的線(xiàn)性區(qū)內(nèi)工作,對(duì)F BG作線(xiàn)性 調(diào)App lied magn etic fields/kOe圖2 G MM位移量與外加磁場(chǎng)關(guān)系當(dāng)G MM棒被控制磁場(chǎng)磁化后將伸長(zhǎng)，其變化長(zhǎng)度為：(8式中,S為G MM端面的面積；E為G MM的彈性模量；卩為真空磁導(dǎo)率；B為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。F BG的伸張長(zhǎng)度 L和G MM棒在磁場(chǎng)作用下的伸張長(zhǎng)度 I是一樣的。因此有：(9若G MM棒比F BG長(zhǎng),1Cbitut Acadcmii； Jownal CIcdhitp:Zikin£t則其應(yīng)變靈敏度可以提高I

13、/L倍。其中,I為G MM棒的長(zhǎng)度,為G MM材料平行 磁場(chǎng)方向的軸向應(yīng)變。則:£= l/l (10在反射中心波長(zhǎng)的測(cè)量中,用單片機(jī)代替了昂24第6期激光與紅外貴的OS A。其基本思想是利用單片機(jī)控制光濾波 器定時(shí)掃描，同時(shí)通過(guò)檢 測(cè)光功率的大小來(lái)確定最 大的反射中心波長(zhǎng)。如圖3所示，由光纖光柵反射 的光 入射到經(jīng)過(guò)由單片機(jī)AT89C51(MCU控制的濾波器后,接著由光檢測(cè)器P I N極 管(GT322D I nGa A s P I N P D輸出一系列光電流,通過(guò)放大器和A /D轉(zhuǎn)換得到一系列相應(yīng)的電壓，送入單片機(jī)分析和處理得到最大的反射中心波長(zhǎng)。測(cè)試結(jié)1 殍4 20時(shí) China

14、 吒c鈿ntc hnuBd Die傀mik PtibluhizL： House. AID ndiis reserve'果由多位數(shù)碼管組成的毫伏表實(shí)時(shí)顯示。圖3 光纖光柵反射波長(zhǎng)的測(cè)量原理圖單片機(jī)控制光纖光柵傳感系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示工 曲"KCUA/D圖4 光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)程序流程圖3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析本系統(tǒng)的測(cè)量原理如圖5。由傳感光纖光柵反射寬帶光源后形成窄帶光譜，由3dB耦合器耦合到 可調(diào)諧光濾波器上，經(jīng)調(diào)諧 濾波后由光電探測(cè)器接 收，光電探測(cè)器將傳感信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)多級(jí) 電路放 大后經(jīng)數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)顯示測(cè)量結(jié)果。探測(cè)器上的光強(qiáng)是傳感光柵反射譜與 光濾波器透射

15、譜的卷積，光濾波器線(xiàn)性調(diào)諧過(guò)程中光電流強(qiáng)度的 變化曲線(xiàn)即為輸 出光譜曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的極大值位置即 為傳感光柵的峰值波長(zhǎng)位置。當(dāng)傳感光柵受力 形變時(shí)，光柵峰值波長(zhǎng)發(fā)生改變，光電流輸出曲線(xiàn)的極大 值位置也將產(chǎn)生位移，而 光濾波器的波長(zhǎng)調(diào)諧特性已事先由光譜儀定標(biāo)，因此在實(shí)際應(yīng)用中就可以避免使用價(jià)格昂貴的波長(zhǎng)檢測(cè)儀器，直接利用測(cè)得的 光電流變化曲線(xiàn)確定傳感光柵的波長(zhǎng) 位移。這種波長(zhǎng)檢測(cè)方法可以取得很高的信噪比和測(cè)量靈敏度實(shí)驗(yàn)所用的光纖光柵是采用相位掩模法，系用載氫增敏的方法在普通單模光纖 中寫(xiě)入的。F BG的反射率,由E DF A的ASE譜通過(guò)光環(huán)行器與F BG級(jí)聯(lián)的方法測(cè)得?？鄢猸h(huán)行器的損耗1.2dB

16、 ,測(cè)得光纖光柵的反射率為69. 2%,光柵峰值波長(zhǎng)1551.98n m，其3dB帶寬為.22nm。折射率匹配液,。圖5 F BG應(yīng)力傳感器的測(cè)量原理圖泵浦源采用Multi P lex I nc .的MTX914B2F2980n m高功率激光器,峰值波長(zhǎng)為979. 5nm ,閾值電流39mA ,量子效率n =0. 596（W /A泵浦源最大 驅(qū)動(dòng)電流296. 0mA ,泵浦功率最大值為152. 9mW。激光增 益介質(zhì)為長(zhǎng)約2. 33m的進(jìn)口鉺光纖,在979n m處的峰值吸收約為14. 8dB /m。980nm的激 光通過(guò)980/1550nm波分復(fù)用器（WDM摻進(jìn)鉺光 纖（EDF ,從摻鉺光纖出

17、來(lái)的光經(jīng)過(guò)采用 電調(diào)超磁致伸縮棒來(lái)調(diào)節(jié)的光纖光柵（傳感頭反射,再通過(guò)EDF、WDM ,最后由 濾波器、單片機(jī)和PIN光檢測(cè)器 組成的裝置進(jìn)行中心波長(zhǎng)的測(cè)量，同時(shí)由虛線(xiàn) 框2的光譜儀（OS A比較。光電檢測(cè)器采用高靈敏度的I nGa A s光電二極管, 3dB帶寬為1. 5GH Z,響應(yīng)度為0. 9A /W;暗電流為 1.5 10-11A,尾纖輸出封裝；由穩(wěn)壓電路供電；采用低噪聲高倍率放大系統(tǒng)放大微弱的光電流信號(hào)，由毫伏表顯示光電流的大小。實(shí)驗(yàn)中采用介質(zhì)薄膜干涉濾波器進(jìn)行 波長(zhǎng)可編程調(diào) 諧，具有良好的溫度穩(wěn)定性，且調(diào)諧方便，調(diào)諧速度快和調(diào)諧范圍 大。該器件有良好的溫度穩(wěn)定性，對(duì)偏振特性不敏感，且

18、插入損耗較低。該濾波 器的波 長(zhǎng)調(diào)諧范圍為35nm ,插入損耗0. 3d B ,回波損耗 為50d B , 3dB帶寬為0. 5nm。實(shí)驗(yàn)中FBG所受的應(yīng)力通過(guò)電調(diào)超磁致伸縮 棒來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)電流調(diào)諧G MM模擬待測(cè)傳感量的 變化。在無(wú)應(yīng)力（初始狀態(tài)下 由虛線(xiàn)框1的光譜保持在室溫且無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的 F BG儀（OS A側(cè)得輸出反射光譜,如圖6所示。反射峰的中 心波長(zhǎng)為1551. 94n m。摻鉺光纖激光器的工作電流 為100mA。實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到，當(dāng)加在超磁致伸縮棒上的 電流變化時(shí)，光纖光柵的反射峰的中心波長(zhǎng)發(fā) 生變化。當(dāng)所加的電流從0A到1A時(shí)，光纖光柵的反射 峰的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化 不明顯(0. 02n

19、m ,這主要是224激光與紅外第35卷由于在夾緊光纖時(shí)留有一定的預(yù)緊力，導(dǎo)致加在光柵上的應(yīng)力不大；當(dāng)電流加 到1A 5A之間時(shí),通過(guò)OS A觀(guān)察到反射峰的中心波長(zhǎng)的偏移量,隨所加電 流而 呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，此裝置所測(cè)傳感光柵中心 波長(zhǎng)的最大偏移量達(dá)1. 10n m (1551.94nm 1553. 04nm ,線(xiàn)性區(qū)內(nèi)反射譜如圖7和圖8。光纖 光柵中心波長(zhǎng)的偏移量與所加應(yīng)力之間的關(guān)系如圖 9所示。其中曲線(xiàn)1為MCU的測(cè)量值，曲線(xiàn)2為利用OSA的測(cè)量值，曲線(xiàn)3為理論計(jì)算值，三者有微量的差異，其測(cè)量精度達(dá)到0. 04nm ,-r<bU邙J2忙JCl十IT U U .I IF L r ： I：

20、 111W ' n h_i tf'lJ| I 一I I I n oliwrajlUkr A:LTIkr Cs lH) Test P«ak.naan uic g * rwan Ul (Hm e：0：B-A:OD;0d-ie-U 15： <71561, 96rM iSSt，99m lbdUrvR-36. Bdftn FLIM(2. 3,. fM( D<no<>lmO'. Total Poh«r.2i 13Sn» '30-96den -30.的變化曲線(xiàn)來(lái)確定的，圖6IfIC 二| 'Il r J JiJ &

21、#39;/WrTtAJ inkr A;LMkr Cl LB) Tct F««krwtn Uli 1( 3de)* n»an U1 3dG Width ,.F BG的反射譜Bi0：B-fl:C-D:1551.9erw155b 90mI5&b8fi4mQ S2r*3S- BdBm FlHl!(a,咖，* * Pk D»n3</ifw>" Totit howar. *.13&rw '30.9W0n *30. BMBhiMkr At Lflkr Cl tW Tot inttn UH g. iriMft U) (RHT

22、 .3dB HMh,B.MD：e-AtC-OiIB&LSBrw 1661. 1661.mnn 0>22n»RHn 堆.卻 Pk DvnaUlm). Tottl Ptxr.2.136T* 忸95 30 MBn P F -r»I-I電流加到1A時(shí)的反射譜圖8 電流加到a訃-ZiW帳 i hrai口血超域忑 PtyhljehlElf Houii" All n尹jwUhnp VriA* xitLurtclTBkfra incr A: Ulkr CtJ*B:DiB-A： C-D；15： n5A時(shí)的反射譜9,其分辨率達(dá)到.(17微應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)中采用透射型傳感檢測(cè) 方案(由光電探測(cè)器測(cè)量光濾波器的透射信號(hào)，該方案可以避免不必要的功率損失，在單點(diǎn)傳感測(cè)量 和波分復(fù)用傳感的光柵數(shù)目較少時(shí)，可以獲得很高的測(cè)量靈敏度7光纖光柵傳感器使用最多的是在工程上對(duì)溫度 和物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)上應(yīng)力的測(cè) 量。由于測(cè)量技術(shù)所限及測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜，目前應(yīng)用最多的是通過(guò)封裝對(duì)溫度和 應(yīng)力的分開(kāi)測(cè)量。采用此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的測(cè)量。當(dāng)然，光纖光柵對(duì)溫度也敏 感，如采用對(duì)溫 度不敏感的光纖光