新技术的实施经常会受到许多因素的阻挠，其中最常见的障碍之一是缺乏对于该技术如何运作或如何应用的了解。光纤感测(FOS)就是这样一种技术，但其基础知识并不难理解。对于FOS的深入解析，更有助于开启对于该技术应用前景的各种可能想象。

虽然FOS技术已经存在几十年了，但过去五年来藉由可应用领域的扩展，其进展正持续推动该技术进入新市场。从历史上来看，FOS技术是为利基市场的具体解决方案而开发的。如今，有许多正开发中的几种FOS技术可被用于多种应用，从监测复合材料如何加工制造到实时确定飞机机翼的偏角等。

具体来说，使用光纤(布拉格)光栅(FBG)的FOS系统在过去几年取得了巨大进步。两个显著的创新是：从点感测方案进化到空间连续方案；以及增加了实时多参数感测功能。在此，我们将着眼于光频域反射(OFDR)背后的工作原理——OFDR是基于FBG的技术之一，它使分布式多感测成为可能。

不论是否使用FBG，大多数FOS技术的核心是干涉测量。简单说，干涉测量是利用波迭加以撷取与该波相关信息的一类技术。在基于FBG的系统中，光反射回询答器(interrogator——光源)并与其它反射信号迭加，再将所得到的干扰信号转换成应变或温度数据。为了理解OFDR背后的工作原理，必须更进一步了解光纤和FBG。

光纤线缆和FBG制造

光纤线缆是由最外层的保护涂层和其内的两层玻璃所组成。外层玻璃称为覆层，而非常小的内层玻璃称为芯。光通过玻璃芯传播，FBG也被刻写在芯上。光纤通常是在标准的光纤制造装置——抽丝塔上进行制造，在塔内对玻璃管(预制棒)进行加热并拉伸，从而产生纤薄的多层光纤。

在制造过程中，玻璃的芯被制造成能对UV辐射起反应，所以UV雷射可刻制光栅。有几种技术可实现刻写光栅的过程。一种制造方式是在完成的光纤上刻写FBG。但必须先剥离涂层后才能对内芯进行刻写，待光栅刻写后再重新包覆光纤。该制程降低了机械强度，并可能限制光纤如何用于现场。

更具成本效益的方法是在光纤制造时一面进行刻写。当拉伸光纤时，安装在抽丝塔上的紫外线雷射机进行光栅刻写。然后对刻写光栅的光纤进行涂覆和缠绕。该制程支持单独写入或连续的光栅，所制造的光纤具有更高的机械强度。

光纤光栅——感测组件

光纤光栅形成感测组件。FBG本质上是微型的波长可选反射镜，这意味着它们反射单一、特定波长的光并反射询答器产生的其它光信号。透过白光可说明这一情况。白光包含整个彩色光谱，或换句话说，就是包含许多不同波长。如果白光被发送到刻写了FBG的光纤，人们就会看到其中一种颜色光被反射，并传送其他颜色的光。

为了实现基于FBG的OFDR，必须在整条光纤上连续刻写光栅。这意味着反射会从整条光纤的每一点发送回询答器。在每个位置的反射波长被称为布拉格(Bragg)波长。当光纤(当然，光栅与之同步)被拉伸、压缩或经历热膨胀和收缩时，布拉格波长(或反射波长)也随之改变。询答器随后使用解调技术观察波长的变化，并将其换算为应变和温度测量。图1说明机械应变和布拉格波长之间的关系。

图1：光纤光栅的工作原理以及布拉格波长、应变和温度之间的关系图

用于诠释由FBG反射光信号所产生迭加波的技术，在很大程度上决定了FOS系统的能力。最普遍的两种诠释技术是波分多任务(WDM)，以及如前所述的OFDR。两种技术之间值得注意的最大区别是：OFDR允许全分布式感测，而波分多任务则可在每根光纤中提供几十个分离式传感器。

所使用的解调技术对于FOS系统的性能具有显著影响。解调技术在很大程度上决定系统的刷新速率、感测长度、传感器数量、空间分辨率以及上述参数的相互作用。当然，还有其它变量会影响FOS系统的性能，但为具体应用评估FOS系统时，了解解调技术的能力和限制是不可或缺的。

波分多任务

对波分多任务系统来说，必须以不同布拉格波长刻写每条光栅，这意味着在单一通道上只有几十种FBG可进行多任务。在市场上的大多数波分多任务系统中，每条信道上约有20-30条FBG光栅。虽然波分多任务系统通常具有不止一条通道，但通常一次只可询答一条通道。

每条通道的传感器的数量是有限的，因为反射波长不能被刻写得彼此太过靠近。如果BRG波长过于类似，应变下的光栅可能会移动，从而反射与另一条光栅相同的波长，这样数据就无效了。虽然波分多任务光纤传感器具有较长的导线长度，但只能得到各个点的信息。如果事件发生在传感器之间，用户将会错失重要数据。

波分多任务系统具有高刷新速率，但信道上每个加入的传感器都将显著降低其性能。波分多任务系统的另一个限制因素是，用户必须准确指定在感测光纤上的哪些点刻写上光栅。这意味着必须为每个项目客制化每条光纤，这是个麻烦的过程。确认必须在哪些地方刻写光栅以及客制光纤的交货时间这一过程可能会很漫长。

适合采用波分多任务系统的是那些仅需要几个感测点并以极高速度感测的应用。例如，波分多任务系统可用于冲击瞬间测量碰撞测试假人的应力，或者用于监测爆炸时的爆裂速度。

图2：波分多任务光纤感测系统的基本配置图

光频域反射

其它解调技术，如光频域反射(OFDR)或扫频雷射干涉测量，都可被用来确定在整条光纤上的何处发生了什么事。使用OFDR可询答两件不同的事：在整条光纤的任何特定点上，哪些波长的光被反射了？在整条光纤的哪些距离时会反射特定波长？

OFDR询答以窄线宽开始连续扫描光源。窄线宽意味着光源在任何特定瞬间大约发射出一次波长。连续扫描意味着光源跨越给定的波长范围扫描其输出。在整个波长范围内的一次完整扫描对应于整条光纤上FBG传感器数组的一次完整撷取。

当询答讯号发射时，光沿着光纤传播，在整条光纤上的每一点，都有单一波长在扫描范围内被反射。整条光纤各点的应变或温度由于改变了光栅线的间距，所以能确定在该点被反射的波长。因此，在雷射扫描时所看到的反射处，被反射的波长揭露了应变和温度的详细信息。

一次完整的雷射扫描，反射了来自整条光纤各光栅的波长——所以必须藉由干涉测量将众多讯号分离。所有的反射光在返回系统时，能够与参考讯号进行干扰，其后的讯号则进入光学检测器中。参考光波与每个反射波干扰的结果就是来自传感器的频率调变讯号信息。来自光纤近端(接近询答器)的反射在低频进行调变(或震动)；在光纤远程(远离询答器)的反射则在高频下进行调变。然后再进行频谱分析，以揭露从光纤的哪个点产生反射。

由于FBG感测是以空间连续方式沿整条光纤发生的，OFDR系统可撷取整条光纤的完全分布式应变和温度特征。接着可处理这些信息以显示更多的细节。从这些特征中可汇整出包括偏转、三维形状、液位、压力和磁场等其它测量值。

图3：从激光脉冲到分析讯号的OFDR完整工作原理图

由于OFDR技术的光栅是连续刻写的，因而具有较市场上其它感测技术更高的空间分辨率以及更多的传感器。这种在空间上的连续信息为多个产业的工程师提供了许多便利性。例如，来自OFDR感测系统的分布式数据为工程师提供必要的数据，使其得以更有自信地验证其设计的热、振动或应变模型，以避免在生产开始后出现故障等昂贵损失。例如，Sensuron的OFDR FOS系统已经用于定位和追踪疲乏的风机叶片出现裂纹、制造过程中监测复合材料的折迭和起皱，以及确定飞机关键承重组件中无法预见的塑料变形程度。

OFDR FOS系统的另一个好处是具有多感测能力，或是同时监测不同通道上多个参数的能力。例如，该技术已被用于飞行测试过程中，实时地同时监视飞机机翼的应变、偏向、温度和负荷。

过去几年来，FOS感测已取得多感测能力和分布式资料技术突破，这将有助于工程师解决目前所面临的设计问题，并实现更多创新以超越明日的挑战。现在你明白它是如何运作的，不要再被这项技术吓到了。

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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