光纤光栅感测器的原理在传统的光纤光栅应变感测系统中.PDF

光纖光柵感測器的原理 在傳統的光纖光柵應變感測系統中，寬頻光源（即具備很多光波長分量的光源）輸出寬頻光，經 過一對二光耦合器到達光纖光柵感測器。這裡所謂的光纖光柵是一小段的特殊光纖，光纖核心內 具有周期性變化的折射係數。由於周期性折射係數變化的結構會產生所謂的布拉格繞射效應，入 射光中光波長與光纖光柵的布拉格波長相同的分量會被光纖光柵反射，所以藉由偵測這反射光的 波長，就可得知光纖光柵的布拉格波長。 而布拉格波長會隨著光纖等效折射率與光柵周期改變，在一般情形下，光纖光柵的布拉格波長移 動大小與應變量成一線性關係。因此，藉由一對二光耦合器接上波長監測器來量測布拉格波長的 變化，便可得知感測物體所受到的應變。 在光纖光柵感測系統中，寬頻光源大多使用雷射二極體或摻鉺光纖放大器。然而當光源經過光柵 反射到達波長監測器時，通常已經十分微弱，使得光柵可佈放的範圍、距離、數目大幅受限於寬 頻光源的輸出功率。另外，由於感測系統是藉著偵測光纖光柵的反射波長來決定應變量，只要光 纖光柵不同，反射光波長就不會互相重疊，我們也就不會搞混，從而可以同時偵測多個光纖光柵 應變感測器。這種技術就稱為分波多工技術，可藉它增加系統感測點的數目。 遠距離光纖光柵感測系統 由於拉曼放大器展現出許多優異的性能，讓其他光放大器難以望其項背，所以最近幾年拉曼光纖 放大器在光纖通訊上的應用被熱烈地討論著。 例如英國帝國學院的研究團隊，量測出拉曼光纖放大器可以到達 1.4 瓦的飽和輸出功率，幫浦 與訊號功率轉換效率約為 50％。日本古河電器公司（Furukawa Electric Co. ）的研究團隊，則已 經利用拉曼光纖放大器及數個波長的拉曼幫浦，來產生一百奈米平坦的增益頻寬（0.8 奈米的波 長改變約等於 100 GHz 的光頻率改變）。美國北電網絡公司（Nortel Network ）的研究團隊，更 是利用拉曼光纖放大器來產生 58 個波長的多波長雷射，波長間距是 50 GHz 。 由於拉曼光纖放大器具有許多優異的特性，交通大學的研究團隊也提出一個新的拉曼光纖雷射架 構，應用在遠距離光纖光柵感測系統上，這應是世界上第一個把拉曼放大器應用在光纖感測上的 成果。這光纖雷射是由拉曼光纖放大器、光纖反射鏡與光纖光柵組成，其中的光纖反射鏡是使用 二對二光耦合器與光偏極控制器組成，可以等效為一個寬頻的光纖反射器。拉曼光放大器則是由 康寧公司 25 公里長的 LEAF 光纖與 330 毫瓦的拉曼幫浦組成，而拉曼幫浦的輸出波長是 1,450 奈米。 當拉曼幫浦開啟時，光纖光柵的感測訊號會在光纖反射鏡與光柵間來回反射與放大，並使雷射發 光，由光纖反射鏡的另一端可以得到感測訊號，它的訊號訊雜比在 50 dB 以上。當感測用的光 纖光柵的布拉格波長改變時，光譜的波長讀數也隨之改變，可以證實系統感測距離遠達 25 公里 的可行性。預期未來使用多波長的拉曼幫浦後，可以開發出超過 50 點以上的遠距離光纖感測系 統。 光強度與分波多工的光纖光柵感測系統 由以上的介紹可以發現在分波多工的系統中，光源的頻寬會決定整個感測系統的最大容量，因此 如何突破分波多工系統的限制來進一步提升光纖感測系統的感測數目，一直是熱門的研究題目。 最近幾年，一些可以與分波多工系統架構結合並提升系統感測數目的技術，也陸續被提出，例如 分時多工、分頻多工或分碼多工等，然而這些系統無論在光路與電路的架設上都十分複雜。 底下介紹一種較簡單的架構，可有效地把分波多工感測系統的容量提升三倍，而且由於使用環形 光纖雷射的架構，具有高功率輸出與提升系統訊雜比的優點，也使系統可以使用在遠距離與大範 圍的感測。 這種新的光強度與分波多工光纖布拉格光柵感測系統架構，主要由摻鉺光纖放大器、二對四的光 耦合器與費比伯洛波長可調濾波器所組成。光源是利用光纖放大器的輸出端，經過光隔離器接到 費比伯洛濾波器，再把二對四光耦合器的其中一個輸出端接回光纖放大器，架構出環形光纖雷射 光源，而其他三個輸出端則分別接到光纖光柵串。 由於在系統中使用的費比伯洛濾波器是一種電壓可調式濾波器，因此雷射光源是可調波長雷射， 當雷射波長與光纖光柵波長相同時，光柵反射光經過二對四的光耦合器入射到光偵測器，被轉換 成為電訊號進入電腦分析感測訊號。 系統中二對四光耦合器是由三種不同分光比率的光耦合器所組成，因此光纖雷射的三個輸出端的 光功率都不相同，所以當三個輸出端的光柵波長相同時，依然可以由