新技術(shù)的實(shí)施經(jīng)常會(huì)受到許多因素的阻撓，其中最常見的障礙之一是缺乏對(duì)于該技術(shù)如何運(yùn)作或如何應(yīng)用的瞭解。光纖感測(cè)(FOS)就是這樣一種技術(shù)，但其基礎(chǔ)知識(shí)并不難理解。對(duì)于FOS的深入解析，更有助于開啟對(duì)于該技術(shù)應(yīng)用前景的各種可能想像。

　　雖然FOS技術(shù)已經(jīng)存在幾十年了，但過去五年來藉由可應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，其進(jìn)展正持續(xù)推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)入新市場(chǎng)。從歷史上來看，F(xiàn)OS技術(shù)是為利基市場(chǎng)的具體解決方案而開發(fā)的。如今，有許多正開發(fā)中的幾種FOS技術(shù)可被用于多種應(yīng)用，從監(jiān)測(cè)複合材料如何加工製造到即時(shí)確定飛機(jī)機(jī)翼的偏角等。

　　具體來說，使用光纖(布拉格)光柵(FBG)的FOS系統(tǒng)在過去幾年取得了巨大進(jìn)步。兩個(gè)顯著的創(chuàng)新是：從點(diǎn)感測(cè)方案進(jìn)化到空間連續(xù)方案；以及增加了即時(shí)多參數(shù)感測(cè)功能。在此，我們將著眼于光頻域反射(OFDR)背后的工作原理——OFDR是基于FBG的技術(shù)之一，它使分散式多感測(cè)成為可能。

　　不論是否使用FBG，大多數(shù)FOS技術(shù)的核心是干涉測(cè)量。簡(jiǎn)單說，干涉測(cè)量是利用波疊加以擷取與該波相關(guān)資訊的一類技術(shù)。在基于FBG的系統(tǒng)中，光反射回詢答器(interrogator——光源)并與其它反射訊號(hào)疊加，再將所得到的干擾訊號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變或溫度資料。為了理解OFDR背后的工作原理，必須更進(jìn)一步瞭解光纖和FBG。

　　光纖線纜和FBG製造

　　光纖線纜是由最外層的保護(hù)涂層和其內(nèi)的兩層玻璃所組成。外層玻璃稱為覆層，而非常小的內(nèi)層玻璃稱為芯。光通過玻璃芯傳播，F(xiàn)BG也被刻寫在芯上。光纖通常是在標(biāo)準(zhǔn)的光纖製造裝置——抽絲塔上進(jìn)行製造，在塔內(nèi)對(duì)玻璃管(預(yù)製棒)進(jìn)行加熱并拉伸，從而產(chǎn)生纖薄的多層光纖。

　　在製造過程中，玻璃的芯被製造成能對(duì)UV輻射起反應(yīng)，所以UV雷射可刻製光柵。有幾種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)刻寫光柵的過程。一種製造方式是在完成的光纖上刻寫FBG。但必須先剝離涂層后才能對(duì)內(nèi)芯進(jìn)行刻寫，待光柵刻寫后再重新包覆光纖。該製程降低了機(jī)械強(qiáng)度，并可能限制光纖如何用于現(xiàn)場(chǎng)。

　　更具成本效益的方法是在光纖製造時(shí)一面進(jìn)行刻寫。當(dāng)拉伸光纖時(shí)，安裝在抽絲塔上的紫外線雷射機(jī)進(jìn)行光柵刻寫。然后對(duì)刻寫光柵的光纖進(jìn)行涂覆和纏繞。該製程支援單獨(dú)寫入或連續(xù)的光柵，所製造的光纖具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。

　　光纖光柵——感測(cè)元件

　　光纖光柵形成感測(cè)元件。FBG本質(zhì)上是微型的波長(zhǎng)可選反射鏡，這意味著它們反射單一、特定波長(zhǎng)的光并反射詢答器產(chǎn)生的其它光訊號(hào)。透過白光可說明這一情況。白光包含整個(gè)彩色光譜，或換句話說，就是包含許多不同波長(zhǎng)。如果白光被發(fā)送到刻寫了FBG的光纖，人們就會(huì)看到其中一種顏色光被反射，并傳送其他顏色的光。

　　為了實(shí)現(xiàn)基于FBG的OFDR，必須在整條光纖上連續(xù)刻寫光柵。這意味著反射會(huì)從整條光纖的每一點(diǎn)發(fā)送回詢答器。在每個(gè)位置的反射波長(zhǎng)被稱為布拉格(Bragg)波長(zhǎng)。當(dāng)光纖(當(dāng)然，光柵與之同步)被拉伸、壓縮或經(jīng)歷熱膨脹和收縮時(shí)，布拉格波長(zhǎng)(或反射波長(zhǎng))也隨之改變。詢答器隨后使用解調(diào)技術(shù)觀察波長(zhǎng)的變化，并將其換算為應(yīng)變和溫度測(cè)量。圖1說明機(jī)械應(yīng)變和布拉格波長(zhǎng)之間的關(guān)系。　

　　 圖1：光纖光柵的工作原理以及布拉格波長(zhǎng)、應(yīng)變和溫度之間的關(guān)系圖

　　用于詮釋由FBG反射光訊號(hào)所產(chǎn)生疊加波的技術(shù)，在很大程度上決定了FOS系統(tǒng)的能力。最普遍的兩種詮釋技術(shù)是波分多工(WDM)，以及如前所述的OFDR。兩種技術(shù)之間值得注意的最大區(qū)別是：OFDR允許全分散式感測(cè)，而波分多工則可在每根光纖中提供幾十個(gè)分離式感測(cè)器。

　　所使用的解調(diào)技術(shù)對(duì)于FOS系統(tǒng)的性能具有顯著影響。解調(diào)技術(shù)在很大程度上決定系統(tǒng)的刷新速率、感測(cè)長(zhǎng)度、感測(cè)器數(shù)量、空間解析度以及上述參數(shù)的相互作用。當(dāng)然，還有其它變數(shù)會(huì)影響FOS系統(tǒng)的性能，但為具體應(yīng)用評(píng)估FOS系統(tǒng)時(shí)，瞭解解調(diào)技術(shù)的能力和限制是不可或缺的。

　　波分多工

　　對(duì)波分多工系統(tǒng)來說，必須以不同布拉格波長(zhǎng)刻寫每條光柵，這意味著在單一通道上只有幾十種FBG可進(jìn)行多工。在市場(chǎng)上的大多數(shù)波分多工系統(tǒng)中，每條通道上約有20-30條FBG光柵。雖然波分多工系統(tǒng)通常具有不止一條通道，但通常一次只可詢答一條通道。

　　每條通道的感測(cè)器的數(shù)量是有限的，因?yàn)榉瓷洳ㄩL(zhǎng)不能被刻寫得彼此太過靠近。如果BRG波長(zhǎng)過于類似，應(yīng)變下的光柵可能會(huì)移動(dòng)，從而反射與另一條光柵相同的波長(zhǎng)，這樣資料就無效了。雖然波分多工光纖感測(cè)器具有較長(zhǎng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度，但只能得到各個(gè)點(diǎn)的資訊。如果事件發(fā)生在感測(cè)器之間，使用者將會(huì)錯(cuò)失重要資料。

　　波分多工系統(tǒng)具有高刷新速率，但通道上每個(gè)加入的感測(cè)器都將顯著降低其性能。波分多工系統(tǒng)的另一個(gè)限制因素是，用戶必須準(zhǔn)確指定在感測(cè)光纖上的哪些點(diǎn)刻寫上光柵。這意味著必須為每個(gè)專案客製化每條光纖，這是個(gè)麻煩的過程。確認(rèn)必須在哪些地方刻寫光柵以及客製光纖的交貨時(shí)間這一過程可能會(huì)很漫長(zhǎng)。

　　適合採用波分多工系統(tǒng)的是那些僅需要幾個(gè)感測(cè)點(diǎn)并以極高速度感測(cè)的應(yīng)用。例如，波分多工系統(tǒng)可用于衝擊瞬間測(cè)量碰撞測(cè)試假人的應(yīng)力，或者用于監(jiān)測(cè)爆炸時(shí)的爆裂速度。

　　 圖2：波分多工光纖感測(cè)系統(tǒng)的基本配置圖

　　光頻域反射

　　其它解調(diào)技術(shù)，如光頻域反射(OFDR)或掃頻雷射干涉測(cè)量，都可被用來確定在整條光纖上的何處發(fā)生了什麼事。使用OFDR可詢答兩件不同的事：在整條光纖的任何特定點(diǎn)上，哪些波長(zhǎng)的光被反射了？在整條光纖的哪些距離時(shí)會(huì)反射特定波長(zhǎng)？

　　OFDR詢答以窄線寬開始連續(xù)掃描光源。窄線寬意味著光源在任何特定瞬間大約發(fā)射出一次波長(zhǎng)。連續(xù)掃描意味著光源跨越給定的波長(zhǎng)范圍掃描其輸出。在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的一次完整掃描對(duì)應(yīng)于整條光纖上FBG感測(cè)器陣列的一次完整擷取。

　　當(dāng)詢答訊號(hào)發(fā)射時(shí)，光沿著光纖傳播，在整條光纖上的每一點(diǎn)，都有單一波長(zhǎng)在掃描范圍內(nèi)被反射。整條光纖各點(diǎn)的應(yīng)變或溫度由于改變了光柵線的間距，所以能確定在該點(diǎn)被反射的波長(zhǎng)。因此，在雷射掃描時(shí)所看到的反射處，被反射的波長(zhǎng)揭露了應(yīng)變和溫度的詳細(xì)資訊。

　　一次完整的雷射掃描，反射了來自整條光纖各光柵的波長(zhǎng)——所以必須藉由干涉測(cè)量將眾多訊號(hào)分離。所有的反射光在返回系統(tǒng)時(shí)，能夠與參考訊號(hào)進(jìn)行干擾，其后的訊號(hào)則進(jìn)入光學(xué)檢測(cè)器中。參考光波與每個(gè)反射波干擾的結(jié)果就是來自感測(cè)器的頻率調(diào)變訊號(hào)資訊。來自光纖近端(接近詢答器)的反射在低頻進(jìn)行調(diào)變(或震動(dòng))；在光纖遠(yuǎn)端(遠(yuǎn)離詢答器)的反射則在高頻下進(jìn)行調(diào)變。然后再進(jìn)行頻譜分析，以揭露從光纖的哪個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生反射。

　　由于FBG感測(cè)是以空間連續(xù)方式沿整條光纖發(fā)生的，OFDR系統(tǒng)可擷取整條光纖的完全分散式應(yīng)變和溫度特徵。接著可處理這些資訊以顯示更多的細(xì)節(jié)。從這些特徵中可匯整出包括偏轉(zhuǎn)、三維形狀、液位、壓力和磁場(chǎng)等其它測(cè)量值。

 圖3：從雷射脈衝到分析訊號(hào)的OFDR完整工作原理圖

　　由于OFDR技術(shù)的光柵是連續(xù)刻寫的，因而具有較市場(chǎng)上其它感測(cè)技術(shù)更高的空間解析度以及更多的感測(cè)器。這種在空間上的連續(xù)資訊為多個(gè)產(chǎn)業(yè)的工程師提供了許多便利性。例如，來自O(shè)FDR感測(cè)系統(tǒng)的分散式資料為工程師提供必要的資料，使其得以更有自信地驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的熱、振動(dòng)或應(yīng)變模型，以避免在生產(chǎn)開始后出現(xiàn)故障等昂貴損失。例如，Sensuron的OFDR FOS系統(tǒng)已經(jīng)用于定位和追蹤疲乏的風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)裂紋、製造過程中監(jiān)測(cè)複合材料的折疊和起皺，以及確定飛機(jī)關(guān)鍵承重元件中無法預(yù)見的塑料變形程度。

　　OFDR FOS系統(tǒng)的另一個(gè)好處是具有多感測(cè)能力，或是同時(shí)監(jiān)測(cè)不同通道上多個(gè)參數(shù)的能力。例如，該技術(shù)已被用于飛行測(cè)試過程中，即時(shí)地同時(shí)監(jiān)視飛機(jī)機(jī)翼的應(yīng)變、偏向、溫度和負(fù)荷。

　　過去幾年來，F(xiàn)OS感測(cè)已取得多感測(cè)能力和分散式資料技術(shù)突破，這將有助于工程師解決目前所面臨的設(shè)計(jì)問題，并實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新以超越明日的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在你明白它是如何運(yùn)作的，不要再被這項(xiàng)技術(shù)嚇到了。