雖然FOS技術已經存在幾十年了,但過去五年來藉由可應用領域的擴展,其進展正持續推動該技術進入新市場。從歷史上來看,FOS技術是為利基市場的具體解決方案而開發的。如今,有許多正開發中的幾種FOS技術可被用於多種應用,從監測複合材料如何加工製造到即時確定飛機機翼的偏角等。

具體來說,使用光纖(布拉格)光柵(FBG)的FOS系統在過去幾年取得了巨大進步。兩個顯著的創新是:從點感測方案進化到空間連續方案;以及增加了即時多參數感測功能。在此,我們將著眼於光頻域反射(OFDR)背後的工作原理——OFDR是基於FBG的技術之一,它使分散式多感測成為可能。

不論是否使用FBG,大多數FOS技術的核心是干涉測量。簡單說,干涉測量是利用波疊加以擷取與該波相關資訊的一類技術。在基於FBG的系統中,光反射回詢答器(interrogator——光源)並與其它反射訊號疊加,再將所得到的干擾訊號轉換成應變或溫度資料。為了理解OFDR背後的工作原理,必須更進一步瞭解光纖和FBG。

光纖線纜和FBG製造

光纖線纜是由最外層的保護塗層和其內的兩層玻璃所組成。外層玻璃稱為覆層,而非常小的內層玻璃稱為芯。光通過玻璃芯傳播,FBG也被刻寫在芯上。光纖通常是在標準的光纖製造裝置——抽絲塔上進行製造,在塔內對玻璃管(預製棒)進行加熱並拉伸,從而產生纖薄的多層光纖。

在製造過程中,玻璃的芯被製造成能對UV輻射起反應,所以UV雷射可刻製光柵。有幾種技術可實現刻寫光柵的過程。一種製造方式是在完成的光纖上刻寫FBG。但必須先剝離塗層後才能對內芯進行刻寫,待光柵刻寫後再重新包覆光纖。該製程降低了機械強度,並可能限制光纖如何用於現場。

更具成本效益的方法是在光纖製造時一面進行刻寫。當拉伸光纖時,安裝在抽絲塔上的紫外線雷射機進行光柵刻寫。然後對刻寫光柵的光纖進行塗覆和纏繞。該製程支援單獨寫入或連續的光柵,所製造的光纖具有更高的機械強度。

光纖光柵——感測元件

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

為了實現基於FBG的OFDR,必須在整條光纖上連續刻寫光柵。這意味著反射會從整條光纖的每一點發送回詢答器。在每個位置的反射波長被稱為布拉格(Bragg)波長。當光纖(當然,光柵與之同步)被拉伸、壓縮或經歷熱膨脹和收縮時,布拉格波長(或反射波長)也隨之改變。詢答器隨後使用解調技術觀察波長的變化,並將其換算為應變和溫度測量。圖1說明機械應變和布拉格波長之間的關係。

20160815 Sensuron TA31P1 圖1:光纖光柵的工作原理以及布拉格波長、應變和溫度之間的關係圖

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

所使用的解調技術對於FOS系統的性能具有顯著影響。解調技術在很大程度上決定系統的刷新速率、感測長度、感測器數量、空間解析度以及上述參數的相互作用。當然,還有其它變數會影響FOS系統的性能,但為具體應用評估FOS系統時,瞭解解調技術的能力和限制是不可或缺的。

波分多工

對波分多工系統來說,必須以不同布拉格波長刻寫每條光柵,這意味著在單一通道上只有幾十種FBG可進行多工。在市場上的大多數波分多工系統中,每條通道上約有20-30條FBG光柵。雖然波分多工系統通常具有不止一條通道,但通常一次只可詢答一條通道。

每條通道的感測器的數量是有限的,因為反射波長不能被刻寫得彼此太過靠近。如果BRG波長過於類似,應變下的光柵可能會移動,從而反射與另一條光柵相同的波長,這樣資料就無效了。雖然波分多工光纖感測器具有較長的導線長度,但只能得到各個點的資訊。如果事件發生在感測器之間,使用者將會錯失重要資料。

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

適合採用波分多工系統的是那些僅需要幾個感測點並以極高速度感測的應用。例如,波分多工系統可用於衝擊瞬間測量碰撞測試假人的應力,或者用於監測爆炸時的爆裂速度。

20160815 Sensuron TA31P2 圖2:波分多工光纖感測系統的基本配置圖

光頻域反射

其它解調技術,如光頻域反射(OFDR)或掃頻雷射干涉測量,都可被用來確定在整條光纖上的何處發生了什麼事。使用OFDR可詢答兩件不同的事:在整條光纖的任何特定點上,哪些波長的光被反射了?在整條光纖的哪些距離時會反射特定波長?

OFDR詢答以窄線寬開始連續掃描光源。窄線寬意味著光源在任何特定瞬間大約發射出一次波長。連續掃描意味著光源跨越給定的波長範圍掃描其輸出。在整個波長範圍內的一次完整掃描對應於整條光纖上FBG感測器陣列的一次完整擷取。

當詢答訊號發射時,光沿著光纖傳播,在整條光纖上的每一點,都有單一波長在掃描範圍內被反射。整條光纖各點的應變或溫度由於改變了光柵線的間距,所以能確定在該點被反射的波長。因此,在雷射掃描時所看到的反射處,被反射的波長揭露了應變和溫度的詳細資訊。

一次完整的雷射掃描,反射了來自整條光纖各光柵的波長——所以必須藉由干涉測量將眾多訊號分離。所有的反射光在返回系統時,能夠與參考訊號進行干擾,其後的訊號則進入光學檢測器中。參考光波與每個反射波干擾的結果就是來自感測器的頻率調變訊號資訊。來自光纖近端(接近詢答器)的反射在低頻進行調變(或震動);在光纖遠端(遠離詢答器)的反射則在高頻下進行調變。然後再進行頻譜分析,以揭露從光纖的哪個點產生反射。

由於FBG感測是以空間連續方式沿整條光纖發生的,OFDR系統可擷取整條光纖的完全分散式應變和溫度特徵。接著可處理這些資訊以顯示更多的細節。從這些特徵中可匯整出包括偏轉、三維形狀、液位、壓力和磁場等其它測量值。

20160815 Sensuron TA31P3 圖3:從雷射脈衝到分析訊號的OFDR完整工作原理圖

由於OFDR技術的光柵是連續刻寫的,因而具有較市場上其它感測技術更高的空間解析度以及更多的感測器。這種在空間上的連續資訊為多個產業的工程師提供了許多便利性。例如,來自OFDR感測系統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證其設計的熱、振動或應變模型,以避免在生產開始後出現故障等昂貴損失。例如,Sensuron的OFDR FOS系統已經用於定位和追蹤疲乏的風機葉片出現裂紋、製造過程中監測複合材料的折疊和起皺,以及確定飛機關鍵承重元件中無法預見的塑料變形程度。

OFDR FOS系統的另一個好處是具有多感測能力,或是同時監測不同通道上多個參數的能力。例如,該技術已被用於飛行測試過程中,即時地同時監視飛機機翼的應變、偏向、溫度和負荷。

過去幾年來,FOS感測已取得多感測能力和分散式資料技術突破,這將有助於工程師解決目前所面臨的設計問題,並實現更多創新以超越明日的挑戰。現在你明白它是如何運作的,不要再被這項技術嚇到了。