关于Bragg光纤光栅传感应用中的关键技术探讨

李 凤

（兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

现阶段，Bragg光纤光栅传感已经有了较为深入的研究。目前，Bragg光纤光栅传感器已经拥有了体积较小、质量较轻、有效抵抗电磁干扰以及耐腐蚀的特点，可以有效针对温度和压力等物理量进行高精度测量。为了有效提升Bragg光纤光栅传感技术的发展与应用，必须深入剖析其原理，具体了解光纤Bragg光栅传感网络的复用与解调，进而设计光纤Bragg传感系统。

1 光纤Bragg光栅传感原理

1.1 光纤Bragg光栅传感理论

光纤主要由三个部分构成，分别为纤芯、涂敷层以及包层，这三部分能够有效帮助光纤在外界的干扰下发挥自身功能，并有效保护光纤。光纤本质上是一种透明的光导纤维，不同的光纤直径具有不同的用途。光纤光栅可以分为以下三种类型，第一，Ⅰ型光栅。这种光栅经UV光连续曝光后形成，其主要的运用特点体现在投射谱和反射谱之间的互补方面，能够保证在包层中有效吸收损失。第二，ⅡA型光栅。这种光栅经较长的连续曝光形成。曝光初期形成的是Ⅰ型光栅，经历了更长的曝光时间后才能逐渐形成ⅡA型光栅，因此能够抵抗更多的干扰因素，例如高温、高压环境下，利用ⅡA型光栅能获得较好的使用效果。第三，Ⅱ型光栅。这种光栅形成的条件是非均匀的能量激光脉冲曝光时，由纤芯石英放大曝光产生[1]。

1.2 光纤Bragg光栅传感器交叉敏感问题

现阶段的实际应用过程中，光纤光栅的Bragg中心波长往往受到很多因素的影响，常见的影响因素有压力、温度等。如果这两个要素在测试环境中同时发生变化，就会产生交叉影响，因此实际试验过程中必须重视这一点。目前，已经了解到的结论如下所述。首先，在光纤光栅的交叉敏感问题中，交叉敏感现象和检测范围之间存在着紧密联系。一般情况下，检测的范围越小，产生的影响越小，当检测范围小到一定程度甚至可以忽略温度时，几乎不会产生影响。其次，在检测过程中，压力会引发一定误差，相较于温度引起的误差而言，这种误差往往更小，甚至可以忽略不计。

2 光纤Bragg光栅传感网络的复用与解调

2.1 光纤传感复用技术

光纤传感复用技术主要分为四种类型。

第一，波分复用。这种复用传感的具体流程如图1所示。由图1可知，典型的波分复用FBG传感中，FBG相互独立串联在光纤中，并且能够检测不同部分的具体信息；使用过程中能够有效结合宽带光源反射携带光信息的信号，并解调这些被反射回来的信号，以此实现分布式测量。

第二，时分复用。这种复用技术相较于其他技术更加简单，但对传感器复用数量具有较高的要求。实际应用过程中，必须保证将TDM技术的光源信号利用脉冲的形式发射，并且保证每一个传感器都拥有对应的脉冲。

第三，空分复用。实际应用过程中，空分复用的特点体现在可以对很多部位进行对点测量，保证不同的FBG传感器能够独立使用，可以在不同的传感器中协同工作，交换信息和信号。

第四，混合复用。这项技术主要用于检测数量较多的监测点，针对大数据可以保证组合出不同的复用技术，实现多项要求。混合型光线传感网络的种类有很多，主要结合实际情况的工作量进行特殊调试[2]。

图1 波分复用示意图

2.2 光纤Bragg光栅传感信号解调技术

随着光纤技术的不断发展，光纤Bragg光栅传感信号解调技术的探究越来越深入。现阶段，为了符合各种实际监测情况的需求，相关解调技术发展了光谱仪解调法、可调谐光纤F-P滤波器等方法。这些应用技术都有自身的特点，并且能够发挥独特的作用。以光谱仪解调法为例，实际应用过程中，光谱仪分析法能够提供一个参考光栅，利用它可以反射出Bragg中心波长，提供相应应参考。光纤Bragg反射中心的波长会受温度和压力的影响，利用光谱仪能有效决定系统的分辨率，但这种方法不适合在实验室外使用。其他的解调方法如匹配FBG可调滤波法，能够有效针对宽带光源输出信号进行调制，控制并分析传感光栅的信息。

3 光纤Bragg传感系统的设计

3.1 光纤Bragg传感系统总体设计

光纤Bragg传感系统设计中，主要针对光源部分、传输部分、传感部分以及光电转换与信号处理四项内容进行设计。总体设计开始前，必须保证对光纤Bragg光栅传感技术具有较为深刻的认知。光是一种载波信号，能够通过光纤渠道进行传递，而光纤作为光信息传递的介质，其设计的质量直接影响了信息传递的质量。光纤能够保证信号载体的稳定性，确保其中包含的一些特征参量不轻易受到环境的干扰，可将光携带的调制信号被光电转换部分接收，保证光信号解调的测量状态稳定[3]。现阶段的总体设计在F-P腔解调技术的基础上进行，并结合ARM平台有效处理光纤光栅传感信号，大大提升了信号解调的效率，保证了信息传递的质量。

3.2 光纤Bragg传感系统光路设计

光纤Bragg传感系统光路设计从光源、光纤等角度入手。首先，光源角度必须保证光源的质量。光源质量直接影响了信息的稳定性，且光源需要拥有足够的输出功率才能保证后续使用的整体持续性。Bragg光栅中心波长的控制选择过程中，应限定在1 520～1 570 mm，才能保证频率特性和传输功率之间稳定匹配。其次，光纤选择过程中，采用单模光纤能够有效保证光纤传输的质量。当入射光射入光纤时，必须保证射入角度满足光纤传输的条件。F-P腔的设定与选择过程中，作为整体解调系统的中心部分，必须保证能够利用改变压电陶瓷输入电压的形式，有效控制F-P腔的波长。最后，针对传感光栅的选用，需保证传感光栅之间的中心波长具有一定间隔，从而顺利进行之后的测试和解调工作。

4 结 论

综上所述，当前光纤Bragg传感研究过程中，必须保证立足于对其原理的有效探索，并结合当前较为成熟的传感器技术，合理利用光纤Bragg传感。该项技术可以结合最新的布网方式，提高测量数值的准确性和信息传递效率，保证其持续发挥作用，促进石油化工、采矿等多个行业的发展。