​光纤光栅传感器的大规模组网技术

光纤光栅传感技术的早期研究集中在传感器本身的封装、寿命、可靠性和各种解调技术的实现方面。当用光纤光栅传感器构成网络用于实际工程时,将会面对许多新的技术问题。与单独的传感器应用不同,当光纤光栅传感器组成网络时,必须进行网络规划和设计,以便解决好路径备份、温度补偿、频带利用和功率均衡等问题。网络规划和设计也对传感器自身提出了标准化的要求。

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 1、传感器的互换性


光纤光栅传感器最重要的外部参数是初始波长以及波长随外界物理量变化的系数。在不同的精确度情况下,光纤光栅传感器的反射谱中心波长与被测物理量的对应关系有多种数学表达方法。比如,在中心波长与外部物理量之间建立关系;在中心波长变化量与外部物理量之间建立关系;按线性情况来处理;按多项式形式来处理;初始波长还可以选在不同的温度点上。由于没有统一的标准来约定,各研制单位和企业的产品采用各自选定的表征方法。目前也缺乏对整个波段内的传感器的工作波长进行规范的工作。所以传感器的初始中心波长也是根据工艺而随机确定的。这样,作为实际产品,在规范的大规模组网工程中往往不具有可替换性。


 2、应变测量中的温度补偿问题


由于光纤光栅的弹光系数只有热光系数的1/10之一左右,温度变化1°C引起的中心波长偏移与10με所引起的中心波长偏移相当。因此在应变测量中必须要剔除环境温度变化对光纤光栅传感器中心波长的影响,亦即要考虑应变测量中的温度补偿问题,这在大型结构的长期应变监测中尤为重要。但在这种实际应用场合,只考虑传感器作为独立个体时的温度系数没有意义。因为在实际工程中,传感器与被测对象复合后,它的温度系数发生了很大的改变。而新的温度系数与被测对象的材料性质、安装方法有很大关系,往往是不能预知的。

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 3、频带利用


由于光源谱宽的限制、光纤光栅中心波长范围的限制,以及光路上其他各种部件的工作波长的限制,光纤光栅传感网络可用的频谱带宽是有限的。目前一般采用1310nm或1550nm波段。随着DWDM光通信技术和产业的发展,1550nm波段的器件供应商越来越多,成本越来越低,C波段已经成为光纤光栅传感网络组网的首选工作波段。


考虑C波段从1525nm到1565nm的40nm的波长范围内,采用波分复用的方式在一条链路上串接光纤光栅传感器。当波长相临的两个传感器的反射谱的中心波长接近到0.4nm时,解调系统就难以分辨。因此,在不考虑每个传感器的量程(中心波长的移动范围)的极端情况下,一条链路上可以串接的传感器的最大数目是100个左右。实际上,在大多数情况下每个传感器都应有1nm的波长移动范围,所以,实际组网时,一条链路的传感器数目在30个左右。


如果把C、L和S波段全部利用,则每条链路可串接的传感器数目可以大大增加。


 4、功率均衡


假定从解调设备里发出的光信号在整个工作波长范围内功率密度是比较一致的。不同频率的光信号在光路的不同位置被反射回来,它们经过的光器件、连接器或融接点的数量也不同,因此造成回传的不同信号的功率水平不同。在比较恶劣的情况下,某些传感器的旁瓣噪声甚至会超过其他传感器的有用信号,造成网络可以识别的传感器的数量下降。因此在工程组网时,必须进行正确的功率均衡设计。

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 5、光纤传感网与无线传感网的融合


我国幅员辽阔,经常有待监测的同种类型的大型设施分布在一个很大的区域的情况。在实际工程中需要由若干个距离在10公里以上的子网组成更大规模的网络,以便实现集中监测。光纤传感网络尽管有利用光纤低损耗传输的特点可以实现长距离组网的优势,但在某些缺乏通信基础设施的地区,没有现成可用的光缆来实现子网的互通。在这种情况下,专门铺设光缆的成本是非常昂贵的。因此在子网之间通过无线链路进行互通有很强的实用性。


中国科学院半导体研究所与上海信息与微系统技术研究所在中国科学院知识创新工程重大项目及上海市重大科技攻关项目的支持下,开展了光纤传感网与无线传感网络互相融合的研究,并正在将相关技术应用于工程现场。


 6、网络、设备与器件标准


对于大量的组网应用,一个明确的网络标准是非常必要的。它通过对网络接口,频谱划分、功率均衡、线路备份、器件和设备质量标准进行规范,可以保证各厂家产品的质量、互换性和工程的可靠性。目前还缺乏这样的网络规范,使得在实际工程中,各厂家产品的互通没有依据。解决这个问题可以加速光纤光栅传感网络的大规模推广应用。


在现阶段,在同一个工程中选择一家厂商进行网络设计并提供所有设备对保证工程质量是非常必要的。

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