光纖光柵傳感系統(tǒng)維護及原理研究

張曉春

（貴州電網(wǎng)安順供電局，貴州 安順 561000）

1 光纖光柵傳感系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

光纖光柵傳感系統(tǒng)使用光纖作為測量元件和信號傳輸介質(zhì)，為提高光纖對溫度、應(yīng)力的敏感程度及準(zhǔn)確定位能力，采用國際最先進(jìn)的光纖局部加工技術(shù)，在普通單模光纖上制作一系列的溫度敏感區(qū)——光纖光柵，這些敏感區(qū)可以精確、靈敏地探測到周圍溫度的細(xì)微變化，而光纖的其他部分只是用于信號傳輸，對機械應(yīng)力和環(huán)境干擾不敏感，從而保證整個光纖光柵傳感系統(tǒng)的高靈敏性和可靠性。

光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由光纖光柵溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器、壓力傳感器（滲壓計、土壓計）、光纖傳感分析儀以及信號傳輸光纜等幾部分組成。

其基本原理是利用光纖光柵傳感器內(nèi)部敏感元件——光纖光柵反射的光學(xué)頻譜對溫度和應(yīng)力變形的敏感特性，通過光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部各功能模塊完成對光纖光柵傳感器的輸入光源激勵/輸出光學(xué)頻譜分析和物理量換算，以數(shù)字方式給出各監(jiān)測點的物理量測量值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理機制和通信程式把信息匯集到橋梁、隧道、水利、石化、電力管理系統(tǒng)。

1.1 光纖光柵的制作原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性：即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖（直徑為0.125mm～0.25mm）的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。其制作方法如下圖所示：

制作完成后的光纖光柵相當(dāng)于在普通光纖中形成了一段長度為10mm左右的敏感區(qū)，可以準(zhǔn)確感測溫度、應(yīng)力的變化。

1.2 光纖光柵的測量原理

光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。

反射回的窄帶光的中心波長值隨著作用于光纖光柵的溫度、應(yīng)變而線性變化，從而使光纖光柵成為性能優(yōu)異的溫度、應(yīng)變測量敏感元件。

透射過去的剩余寬帶光可以繼續(xù)傳輸給其他具有不同中心波長的光纖光柵陣列，其中相應(yīng)中心波長的窄帶光系列將被逐一反射，全部沿原傳輸光纖返回。由此可實現(xiàn)多個光纖光柵傳感器的串接復(fù)用。

光纖光柵的上述特性使之成為溫度、應(yīng)變、壓力、位移、流量等物理量測量的優(yōu)異手段，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外土木工程結(jié)構(gòu)及電力設(shè)備、化工容器、航空航天設(shè)施的安全監(jiān)測。

1.3 光纖光柵的信號解調(diào)原理

由光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)耦合器分光后，一路進(jìn)入光纖傳感陣列，一路進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)波長參考模塊，經(jīng)光纖傳感陣列和標(biāo)準(zhǔn)波長參考模塊反射回的窄帶光經(jīng)耦合器進(jìn)入體光柵和線陣CCD組成的波長檢測模塊，由體光柵分光后入射到線陣CCD上，從而得到了光功率譜，采用高精度算法經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，由通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)給終端PC，通過終端PC上的客戶端程序，用戶可以直觀的讀取和存儲光纖傳感陣列中任一傳感器的波長值或測量值。

2 光纖光柵傳感系統(tǒng)常用器件及耗材介紹

2.1 常用光纖連接頭的分類及命名

光纖連接器是光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸連接的器件，它是把光纖的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使由于其介入光鏈路而對系統(tǒng)造成的影響減到最小，這是光纖連接器的主要作用。光纖連接器是實現(xiàn)光纖活動連接的重要組成部分。它與光纖適配器一起實現(xiàn)了光纖的活動連接。

光纖跳線或尾纖是光通信及光傳感中應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)元件之一。它們是實現(xiàn)不同光電設(shè)備及系統(tǒng)活動連接的無源器件，是光纖、光纜配線重要組成部分。它與光纖配線架交接箱，終端盒配合使用，實現(xiàn)不同方向的光纜的熔接、跳線和配線的靈活分配。從而實現(xiàn)整個光纖通信網(wǎng)絡(luò)或光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和高效靈活的管理維護。

FC型光纖連接器 FC型連接器采用金屬螺紋連接結(jié)構(gòu)，插針體采用外徑2.5mm的精密陶瓷插針，根據(jù)其插針端面形狀的不同，它分為球面接觸的FC/PC和斜球面接觸的FC/APC兩種結(jié)構(gòu)。FC型連接器是目前世界上使用量最大的品種，也是我國采用的主要品種。FC連接器大量用于光纜干線系統(tǒng)及光纖傳感系統(tǒng)，其中FC/APC連接器用在要求高回波損耗的場合，如光纖光柵傳感器與光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接；FC/PC連接器用在回波損耗要求不高的場合，如光纖光柵傳感器之間的串接等。

SC型光纖連接器 SC型連接器是采用插拔式結(jié)構(gòu)，外殼采用矩形結(jié)構(gòu)，原材料采用工程塑料制造，容易做成多芯連接器，插針體為外徑2.5mm的精密陶瓷插針。它的主要特點是不需要螺紋連接，直接插拔，操作空間小，便于密集安裝。按其插針端面形狀也分為球面接觸的SC/PC和斜球面接觸的SC/APC兩種結(jié)構(gòu)。SC型連接器廣泛用于光通信網(wǎng)絡(luò)的光纖用戶網(wǎng)中。

ST型光纖連接器ST型連接器是采用帶鍵的卡口式鎖緊結(jié)構(gòu)，插針體為外徑2.5mm的精密陶瓷插針，插針的端面形狀通常為PC面。它的特點主要是使用非常方便，大量用于光纖用戶網(wǎng)中。

LC型光纖連接器 LC型光纖連接器是采用插拔式鎖緊結(jié)構(gòu)，外殼為矩形，用工程塑料制成，帶有按壓鍵。由于它的陶瓷插針的外徑僅為1.25mm，其外形尺寸也相應(yīng)減少，大大提高了連接器在光纖配線架中的密度。通常情況下，LC連接器是以雙芯連接器的形式使用，但需要時也可分開為兩個單芯連接器。

MU型光纖連接器 MU型光纖連接器是采用如SC型連接器那樣的插入鎖緊結(jié)構(gòu)，外殼與SC型連接器相似，但由于采用了外徑為1.25mm的陶瓷插芯，其尺寸要小得多,截面尺寸僅為9×6(mm)2，而SC型連接器的截面尺寸為13×10(mm)2，因此與SC型連接器相比，它可大大提高安裝密度，特別適用于新型的同步終端設(shè)備和用戶線路終端。

2.2 光纖分路器（耦合器）

光纖分路器是將一波長的光信號按需要分成若干路信號，為了光功率分配均勻，常采用多個一分為二的兩分支型分路器做成多分支型分路器。這種分路器的分路比常為：1×2、1×4、1×8、1×16，最多的分路比為 1×32。

2.3 光纜接續(xù)盒

也稱之為光纜接頭盒，主要用于光纜的直通或分支接續(xù)，并起到保護光纖接頭作用。是光纜通信線路中不可缺少的重要組件，它對光纜光纖連接的保護和光纜線路的通信傳輸質(zhì)量，起著至關(guān)重要的作用。

3 光纖光柵傳感的使用及維護

3.1 光纖光柵傳感器的使用及維護

3.1.1 光纖光柵溫度傳感器的使用及維護

（1）要保證傳感器嚴(yán)格安裝在監(jiān)測點的相應(yīng)位置

用于表面測溫時，要保證傳感器感溫面與結(jié)構(gòu)表面緊密接觸，以獲得真實的測量值用于溫度補償時，要保證與應(yīng)變傳感器嚴(yán)格處于同一溫度場中。

（2）在配置軟件時，最好采用插值法配置溫度參數(shù)，在對測溫精度要求低的場合可采用擬合法。

（3）在已建成結(jié)構(gòu)測量內(nèi)部混凝土溫度場時，應(yīng)采用單出頭的溫度傳感器以降低安裝難度

3.1.2 用于鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變測試的光纖光柵應(yīng)變傳感器使用及維護

（1）焊接式應(yīng)變傳感器長期耐久性好。

（2）貼片式（膠粘）應(yīng)變傳感器長期使用會產(chǎn)生波長漂移和傳遞系數(shù)下降主要原因為膠自身的蠕變及部分剝離導(dǎo)致粘接點剛度下降。

（3）應(yīng)變傳感器獲得良好測量精度及長期耐久性的關(guān)鍵在于：

傳感器自身及安裝后的整體防水密封性能；出廠前適度的溫度和應(yīng)力老化；傳感器安裝底面的平整程度；傳感器相對于測量方向的安裝準(zhǔn)確度；傳感器橫向靈敏度及抗彎曲干擾程度；傳感器溫度漂移的補償方式。

（4）需要根據(jù)被測結(jié)構(gòu)特性選擇合適的應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)及量程。

3.2 光纖光柵傳感系統(tǒng)的常見故障及維護

3.2.1 光纖光柵傳感器輸出測量值異常跳變

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于光纖光柵傳感器到分析儀之間的光纖線路損耗過大，導(dǎo)致光纖光柵傳感器反射光譜的光功率過低，或部分光纖光柵傳感器之間的反射光譜的峰值功率相差過大，致使光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀不能夠準(zhǔn)確識別所接受到的光纖光柵傳感器的反射峰，處于臨界工作狀態(tài)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。

3.2.2 系統(tǒng)測試過程中發(fā)現(xiàn)光纖光柵傳感器的數(shù)量減少或測量值異常偏大

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因仍然是由于光纖光柵傳感器到分析儀之間的光纖線路損耗過大甚至斷損，導(dǎo)致光纖光柵傳感器反射光譜的光功率過低或無法返回到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。致使分析儀不能夠探測到部分或全部光纖光柵傳感器的反射峰，產(chǎn)生部分或全部傳感器的測量值異常偏大。

4 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用注意事項

4.1 光纖傳感分析儀屬于精密的測試儀器，在開機前請確認(rèn)如下事項：

環(huán)境溫度：0℃-40℃；環(huán)境濕度：≤10%-90%；電壓范圍：AC 220V±10%，50Hz

4.2 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的光纖接頭類型為FC/APC，因此，將光纖光柵傳感器接入到分析儀的前面板接口時，請確認(rèn)與分析儀面板相連接的光纖的接頭類型為FC/APC型且已用酒精棉擦拭潔凈。

4.3 請不要將無關(guān)的軟件安裝到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀上，以免影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 將USB移動存儲器插入光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀之前，請保證該移動存儲設(shè)備未被計算機病毒感染。

4.5 在運行傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀程序之前，請確認(rèn)已退出防火墻或殺毒程序，并關(guān)閉其他應(yīng)用程序。

4.6 不推薦用戶在光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀上安裝殺毒軟件，因此，將光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到其他計算機上時，請確認(rèn)該計算機未受病毒的感染。

4.7 在光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀使用完成后，應(yīng)采用正常的關(guān)機流程：

關(guān)閉程序軟件，通過WONDOWS程序關(guān)閉光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀的電源，關(guān)閉與分析儀電源線連接的插座電源。

[1]田大偉.光纖光柵傳感系統(tǒng)及對溫度傳感的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)，2003-05-01.

[2]劉波.光纖光柵傳感系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].南開大學(xué)，2004-04-01.