光纤光栅传感系统维护及原理研究

摘 要：光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质，为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力。文章对光纤光栅传感系统的基础知识、系统维护、制作原理及使用注意事项进行了简要的论述。

关键词：光纤光栅传感；系统维护；原理

中图分类号：U285.16 文献标识码：A

1 光纤光栅传感系统基础知识

光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质，为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力，采用国际最先进的光纤局部加工技术，在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区——光纤光栅，这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化，而光纤的其他部分只是用于信号传输，对机械应力和环境干扰不敏感，从而保证整个光纤光栅传感系统的高灵敏性和可靠性。

光纤光栅传感系统主要由光纤光栅温度传感器、应变传感器、位移传感器、压力传感器（渗压计、土压计）、光纤传感分析仪以及信号传输光缆等几部分组成。

其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度和应力变形的敏感特性，通过光纤光栅传感网络分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算，以数字方式给出各监测点的物理量测量值，并根据预先设定的数据采集、存储、处理机制和通信程式把信息汇集到桥梁、隧道、水利、石化、电力管理系统。

1.1 光纤光栅的制作原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤（直径为0.125mm～0.25mm）的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其制作方法如下图所示：

制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10mm左右的敏感区，可以准确感测温度、应力的变化。

1.2 光纤光栅的测量原理

光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。

反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度、应变而线性变化，从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。

透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回。由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。

光纤光栅的上述特性使之成为温度、应变、压力、位移、流量等物理量测量的优异手段，已广泛应用于国内外土木工程结构及电力设备、化工容器、航空航天设施的安全监测。

1.3 光纤光栅的信号解调原理

由光源发出的宽带光经耦合器分光后，一路进入光纤传感阵列，一路进入标准波长参考模块，经光纤传感阵列和标准波长参考模块反射回的窄带光经耦合器进入体光栅和线阵CCD组成的波长检测模块，由体光栅分光后入射到线阵CCD上，从而得到了光功率谱，采用高精度算法经过数据处理后，由通讯模块将数据发给终端PC，通过终端PC上的客户端程序，用户可以直观的读取和存储光纤传感阵列中任一传感器的波长值或测量值

2 光纤光栅传感系统常用器件及耗材介绍

2.1 常用光纤连接头的分类及命名

光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的主要作用。光纤连接器是实现光纤活动连接的重要组成部分。它与光纤适配器一起实现了光纤的活动连接。

光纤跳线或尾纤是光通信及光传感中应用最为广泛的基础元件之一。它们是实现不同光电设备及系统活动连接的无源器件，是光纤、光缆配线重要组成部分。它与光纤配线架交接箱，终端盒配合使用，实现不同方向的光缆的熔接、跳线和配线的灵活分配。从而实现整个光纤通信网络或光纤传感网络的数据传输和高效灵活的管理维护。

FC型光纤连接器 FC型连接器采用金属螺纹连接结构，插针体采用外径2.5mm的精密陶瓷插针，根据其插针端面形状的不同，它分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC两种结构。FC型连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用的主要品种。FC连接器大量用于光缆干线系统及光纤传感系统，其中FC/APC连接器用在要求高回波损耗的场合，如光纤光栅传感器与光纤光栅传感网络分析仪的连接；FC/PC连接器用在回波损耗要求不高的场合，如光纤光栅传感器之间的串接等。

SC型光纤连接器 SC型连接器是采用插拔式结构，外壳采用矩形结构，原材料采用工程塑料制造，容易做成多芯连接器，插针体为外径2.5mm的精密陶瓷插针。它的主要特点是不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，便于密集安装。按其插针端面形状也分为球面接触的SC/PC和斜球面接触的SC/APC两种结构。SC型连接器广泛用于光通信网络的光纤用户网中。

ST型光纤连接器 ST型连接器是采用带键的卡口式锁紧结构，插针体为外径2.5mm的精密陶瓷插针，插针的端面形状通常为PC面。它的特点主要是使用非常方便，大量用于光纤用户网中。

LC型光纤连接器 LC型光纤连接器是采用插拔式锁紧结构，外壳为矩形，用工程塑料制成，带有按压键。由于它的陶瓷插针的外径仅为1.25mm，其外形尺寸也相应减少，大大提高了连接器在光纤配线架中的密度。通常情况下，LC连接器是以双芯连接器的形式使用，但需要时也可分开为两个单芯连接器。

MU型光纤连接器 MU型光纤连接器是采用如SC型连接器那样的插入锁紧结构，外壳与SC型连接器相似，但由于采用了外径为1.25mm的陶瓷插芯，其尺寸要小得多,截面尺寸仅为9×6(mm)2，而SC型连接器的截面尺寸为13×10(mm)2，因此与SC型连接器相比，它可大大提高安装密度，特别适用于新型的同步终端设备和用户线路终端。

2.2 光纤分路器（耦合器）

光纤分路器是将一波长的光信号按需要分成若干路信号，为了光功率分配均匀，常采用多个一分为二的两分支型分路器做成多分支型分路器。这种分路器的分路比常为：1×2、1×4、1×8、1×16，最多的分路比为1×32。

2.3 光缆接续盒

也称之为光缆接头盒，主要用于光缆的直通或分支接续，并起到保护光纤接头作用。是光缆通信线路中不可缺少的重要组件，它对光缆光纤连接的保护和光缆线路的通信传输质量，起着至关重要的作用。

3 光纤光栅传感的使用及维护

3.1 光纤光栅传感器的使用及维护

3.1.1 光纤光栅温度传感器的使用及维护

（1）要保证传感器严格安装在监测点的相应位置

用于表面测温时，要保证传感器感温面与结构表面紧密接触，以获得真实的测量值 用于温度补偿时，要保证与应变传感器严格处于同一温度场中。

（2）在配置软件时，最好采用插值法配置温度参数，在对测温精度要求低的场合可采用拟合法。

（3）在已建成结构测量内部混凝土温度场时，应采用单出头的温度传感器以降低安装难度

3.1.2 用于钢结构表面应变测试的光纤光栅应变传感器使用及维护

（1）焊接式应变传感器长期耐久性好。

（2）贴片式（胶粘）应变传感器长期使用会产生波长漂移和传递系数下降主要原因为胶自身的蠕变及部分剥离导致粘接点刚度下降。

（3）应变传感器获得良好测量精度及长期耐久性的关键在于：

传感器自身及安装后的整体防水密封性能；出厂前适度的温度和应力老化；传感器安装底面的平整程度；传感器相对于测量方向的安装准确度；传感器横向灵敏度及抗弯曲干扰程度；传感器温度漂移的补偿方式。

（4）需要根据被测结构特性选择合适的应变传感器封装结构及量程。

3.2 光纤光栅传感系统的常见故障及维护

3.2.1 光纤光栅传感器输出测量值异常跳变

出现这种现象的原因是由于光纤光栅传感器到分析仪之间的光纤线路损耗过大，导致光纤光栅传感器反射光谱的光功率过低，或部分光纤光栅传感器之间的反射光谱的峰值功率相差过大，致使光纤光栅传感网络分析仪不能够准确识别所接受到的光纤光栅传感器的反射峰，处于临界工作状态，产生不稳定的测量数据。

3.2.2 系统测试过程中发现光纤光栅传感器的数量减少或测量值异常偏大

出现这种现象的原因仍然是由于光纤光栅传感器到分析仪之间的光纤线路损耗过大甚至断损，导致光纤光栅传感器反射光谱的光功率过低或无法返回到光纤光栅传感网络分析仪。致使分析仪不能够探测到部分或全部光纤光栅传感器的反射峰，产生部分或全部传感器的测量值异常偏大。

4 光纤光栅传感网络分析仪的使用注意事项

4.1 光纤传感分析仪属于精密的测试仪器，在开机前请确认如下事项：

环境温度：0℃-40℃；环境湿度：≤10%-90%；电压范围：AC 220V±10%，50Hz

4.2 光纤光栅传感网络分析仪内部的光纤接头类型为FC/APC，因此，将光纤光栅传感器接入到分析仪的前面板接口时，请确认与分析仪面板相连接的光纤的接头类型为FC/APC型且已用酒精棉擦拭洁净。

4.3 请不要将无关的软件安装到光纤光栅传感网络分析仪上，以免影响系统的稳定性。

4.4 将USB移动存储器插入光纤光栅传感网络分析仪之前，请保证该移动存储设备未被计算机病毒感染。

4.5 在运行传感网络分析仪程序之前，请确认已退出防火墙或杀毒程序，并关闭其他应用程序。

4.6 不推荐用户在光纤光栅传感网络分析仪上安装杀毒软件，因此，将光纤光栅传感网络分析仪连接到其他计算机上时，请确认该计算机未受病毒的感染。

4.7 在光纤光栅传感网络分析仪使用完成后，应采用正常的关机流程：

关闭程序软件，通过WONDOWS程序关闭光纤光栅传感网络分析仪的电源，关闭与分析仪电源线连接的插座电源。

参考文献

[1]田大伟.光纤光栅传感系统及对温度传感的研究[J].北京工业大学，2003-05-01.

[2]刘波.光纤光栅传感系统的研究与实现[J].南开大学，2004-04-01.