基于單片機實現(xiàn)的光纖光柵應力傳感器.

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：100125078(2005 0620420204基于單片機實現(xiàn)的光纖光柵應力傳感器魏 林,郭玉彬，周 健,張健生，肖 磊,王天樞(,吉林摘要:,并(G MM , (B ragg波長偏移，用控制電流來調(diào)控F BG的應變和B ragg 5A之間時，反射峰的中心波長的偏移量隨所加電流呈線1. 10n m (1551.94n m 1553. 04n葉 該系統(tǒng)具有對應力測量結(jié)果分辨率高、精度高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵；應力傳感；超磁致伸縮材料G MM中

2、圖分類號:T N247文獻標識碼: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 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元件，當它用于傳感領(lǐng)域時，用它作為敏感元件的傳感器，可對應力、溫度、壓力、加速度等多個外界量進行精確 的檢測。光纖光柵傳感器具有一般光纖傳感器的所有優(yōu)點，如抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、傳輸距離遠、耐腐蝕等，它突出的優(yōu)點是：被測信號是采用波 長編碼的1-3 0本文提出采用單片機控制光介質(zhì)薄膜干涉濾波 器探測F BG波長移動量的方法，并試驗了對外界應力的實時檢測的光纖光柵應力傳感系統(tǒng)。2 實驗原理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)?光信號的不同模式進行耦合。它的作

7、用相當于一個高反射窄帶光反射鏡,根據(jù)光 纖耦合模理 論（C MT 4,當寬帶光在F BG中傳輸時,產(chǎn)生模式耦合,對于短周期F BG,滿足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；t為光柵周期；作者簡介:魏林（1978-,男,吉林大學通信工程學院通信與 信息系統(tǒng)專業(yè)2002級碩士研究生，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，如溫度或應力變化，都能引起A和n eff發(fā)生A和 n eff變化,導致符合B ragg條件的的 波長發(fā)生位移,

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

9、量；為F BG 的軸向應變；是在應力作用下 的單位長度的伸縮量50且有：L /L(5由于應變的作用,導致F BG的有效折射率和光柵柵 距的變化，從而改 變B ragg波長。 0. 78 £f（6對于F BG的應力調(diào)諧，拉伸和光彈性效應的共同作 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，由應力產(chǎn)生的B ragg波長變化與應力成線性關(guān)系。其調(diào)諧范圍的大 小正比于 L,而反比于光柵的長度。縱向拉伸F BG,使其B ragg反射波 長向長 波方向變化?？梢娬{(diào)諧范圍的大小正比于 L,而反比于F BG的長度。如果采 用軸向壓縮,則可

10、以使B ragg波長向短波長方向移動。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中心波長產(chǎn)生位移 入B米用安立MS9710B光譜分析儀（OS A測量反射光的光譜，即可檢測出其波長位移 入B為了增加F BG的B ragg波長的偏移量,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。圖中的線圈用來提供一定 的偏置磁場，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if 電C.UG MM棒在適合的線性范圍內(nèi)工作。從而使驅(qū)動器工作在伸縮量最大及線性好的區(qū)域。另外，由于GMM的抗壓強度大于其抗拉強度，因此采用預壓碟形彈簧使其在一定的壓力下工作。通過調(diào)整GMM棒上的預緊力，從而使磁滯最小。通過 改變驅(qū)動線圈中電流的大小，來改變棒中磁場的大小,進而控制其伸縮。在該裝 置中，磁場構(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)采用磁場強度作為控制量的 G MM輸出位移測量曲線如圖2所示

12、。其驅(qū)動電流為04A ,當磁場在1007000e時線性度較好,因此可實現(xiàn)G MM材料在1007000e的線性區(qū)內(nèi)工作,對F BG作線性 調(diào)App lied magn etic fields/kOe圖2 G MM位移量與外加磁場關(guān)系當G MM棒被控制磁場磁化后將伸長，其變化長度為：(8式中,S為G MM端面的面積；E為G MM的彈性模量；卩為真空磁導率；B為磁場的磁感應強度。F BG的伸張長度 L和G MM棒在磁場作用下的伸張長度 I是一樣的。因此有：(9若G MM棒比F BG長,1Cbitut Acadcmii； Jownal CIcdhitp:Zikin£t則其應變靈敏度可以提高I

13、/L倍。其中,I為G MM棒的長度,為G MM材料平行 磁場方向的軸向應變。則:£= l/l (10在反射中心波長的測量中,用單片機代替了昂24第6期激光與紅外貴的OS A。其基本思想是利用單片機控制光濾波 器定時掃描，同時通過檢 測光功率的大小來確定最 大的反射中心波長。如圖3所示，由光纖光柵反射 的光 入射到經(jīng)過由單片機AT89C51(MCU控制的濾波器后,接著由光檢測器P I N極 管(GT322D I nGa A s P I N P D輸出一系列光電流,通過放大器和A /D轉(zhuǎn)換得到一系列相應的電壓，送入單片機分析和處理得到最大的反射中心波長。測試結(jié)1 殍4 20時 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時顯示。圖3 光纖光柵反射波長的測量原理圖單片機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 光纖光柵波長檢測程序流程圖3 實驗及結(jié)果分析本系統(tǒng)的測量原理如圖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 濾波后由光電探測器接 收，光電探測器將傳感信息轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)多級 電路放 大后經(jīng)數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)顯示測量結(jié)果。探測器上的光強是傳感光柵反射譜與 光濾波器透射

15、譜的卷積，光濾波器線性調(diào)諧過程中光電流強度的 變化曲線即為輸 出光譜曲線，曲線的極大值位置即 為傳感光柵的峰值波長位置。當傳感光柵受力 形變時，光柵峰值波長發(fā)生改變，光電流輸出曲線的極大 值位置也將產(chǎn)生位移，而 光濾波器的波長調(diào)諧特性已事先由光譜儀定標，因此在實際應用中就可以避免使用價格昂貴的波長檢測儀器，直接利用測得的 光電流變化曲線確定傳感光柵的波長 位移。這種波長檢測方法可以取得很高的信噪比和測量靈敏度實驗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 中寫入的。F BG的反射率,由E DF A的ASE譜通過光環(huán)行器與F BG級聯(lián)的方法測得。扣除光環(huán)行器的損耗1.2dB

16、 ,測得光纖光柵的反射率為69. 2%,光柵峰值波長1551.98n m，其3dB帶寬為.22nm。折射率匹配液,。圖5 F BG應力傳感器的測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)動電流296. 0mA ,泵浦功率最大值為152. 9mW。激光增 益介質(zhì)為長約2. 33m的進口鉺光纖,在979n m處的峰值吸收約為14. 8dB /m。980nm的激 光通過980/1550nm波分復用器（WDM摻進鉺光 纖（EDF ,從摻鉺光纖出

17、來的光經(jīng)過采用 電調(diào)超磁致伸縮棒來調(diào)節(jié)的光纖光柵（傳感頭反射,再通過EDF、WDM ,最后由 濾波器、單片機和PIN光檢測器 組成的裝置進行中心波長的測量，同時由虛線 框2的光譜儀（OS A比較。光電檢測器采用高靈敏度的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，由毫伏表顯示光電流的大小。實驗中采用介質(zhì)薄膜干涉濾波器進行 波長可編程調(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，對偏振特性不敏感，且

18、插入損耗較低。該濾波 器的波 長調(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。實驗中FBG所受的應力通過電調(diào)超磁致伸縮 棒來調(diào)節(jié)，通過電流調(diào)諧G MM模擬待測傳感量的 變化。在無應力（初始狀態(tài)下 由虛線框1的光譜保持在室溫且無應力狀態(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 心波長為1551. 94n m。摻鉺光纖激光器的工作電流 為100mA。實驗觀察到，當加在超磁致伸縮棒上的 電流變化時，光纖光柵的反射峰的中心波長發(fā) 生變化。當所加的電流從0A到1A時，光纖光柵的反射 峰的中心波長發(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留有一定的預緊力，導致加在光柵上的應力不大；當電流加 到1A 5A之間時,通過OS A觀察到反射峰的中心波長的偏移量,隨所加電 流而 呈線性增加的趨勢，此裝置所測傳感光柵中心 波長的最大偏移量達1. 10n m (1551.94nm 1553. 04nm ,線性區(qū)內(nèi)反射譜如圖7和圖8。光纖 光柵中心波長的偏移量與所加應力之間的關(guān)系如圖 9所示。其中曲線1為MCU的測量值，曲線2為利用OSA的測量值，曲線3為理論計算值，三者有微量的差異，其測量精度達到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.的變化曲線來確定的，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時的反射譜9,其分辨率達到.(17微應變。實驗中采用透射型傳感檢測 方案(由光電探測器測量光濾波器的透射信號，該方案可以避免不必要的功率損失，在單點傳感測量 和波分復用傳感的光柵數(shù)目較少時，可以獲得很高的測量靈敏度7光纖光柵傳感器使用最多的是在工程上對溫度 和物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)上應力的測 量。由于測量技術(shù)所限及測量環(huán)境的復雜，目前應用最多的是通過封裝對溫度和 應力的分開測量。采用此系統(tǒng)可實現(xiàn)對應力的測量。當然，光纖光柵對溫度也敏 感，如采用對溫 度不敏感的光纖光