弱反射光纤光栅(简称:弱栅)在单根光纤上可以复用成千上万个光栅,进一步增加了单根光纤的复用光栅数量(传感容量),在传感领域具有较大的应用前景。对于OFDR光频域反射仪解调弱栅阵列,我们通常知其一不知其二,昊衡科技汇总了以下三个问题并结合实例进行分析。

1.普通单模光纤和弱反射光纤光栅阵列,两者之间有何差异?

OFDR光频域反射仪解调普通单模光纤和弱反射光纤光栅阵列,若OFDR光频域反射仪能够兼容、支持以上传感器的使用,从用户角度来看,两者的使用操作完全相同。主要差异有以下三个方面:

1)从时域曲线来分析反射光强。相对于普通单模光纤、弱栅阵列的反射光强比光纤的瑞利散射光强高约27dB,如图1所示。

反射光强对比

图1. 反射光强对比

2)从频域曲线来分析瑞利散射频谱。普通光纤的瑞利散射频谱是杂乱无序的,而弱反射光纤光栅的频谱有明显特征,具有特定的中心波长,如图2所示。

瑞利散射频谱对比
图2. 瑞利散射频谱对比

3)从传感测量参数配制方面来分析。我们知道OFDR光频域反射仪空间分辨率和测量精度两参数相互权衡。在同等空间分辨率下,相对于普通单模光纤,OFDR光频域反射仪解调弱栅阵列,重复精度更高。反而言之,在保证同等重复精度的前提下,OFDR光频域反射仪调解弱栅阵列还可以配制更小的空间分辨率。

实测如下:OFDR光频域反射仪空间分辨率设置为2.56mm,分别解调普通光纤和弱栅阵列,连续测量100次,选取其中一个传感点显示结果,如图3所示。

普通光纤的应变结果
(a) 普通光纤的应变结果

弱栅阵列的应变结果
(b) 弱栅阵列的应变结果
图3. 选取单点连续测量100次的应变结果

基于以上原因,OFDR光频域反射仪解调弱栅阵列,相对于普通单模光纤,可以获得更高的测量稳定性和更强的抗干扰能力。

2.弱栅阵列的栅距1cm,OFDR解调如何实现1mm的空间分辨率?

弱栅阵列是多个弱反射光纤光栅(WFBG)的集成,在单根光纤上可实现超大规模复用。OFDR光频域反射仪具备mm级别的空间分辨能力和分布式的测量优势,当解调弱栅阵列时,它不是把单个WFBG作为一个传感单元来解调,而是可以把一个完整的WFBG栅区等间隔划分为多个串连的独立传感单元。
比如弱栅阵列栅距1cm (单个WFBG栅长9mm,从中心到中心的间距10mm,如图4所示),在1cm弱栅长度上等间隔划分为10个1mm的独立传感单元。

弱栅阵列的栅距1cm
图4. 弱栅阵列的栅距1cm
由于各个单元都具有特征光谱,并且沿光纤长度方向的位置不同(如图5所示),因此可以被OFDR光频域反射仪(型号:OSI-S高精度分布式光纤传感系统,设置空间分辨率为1mm)解调,实现1mm空间分辨率的分布式应变温度测量。

弱栅阵列传感单元的时域和频域曲线
图5. 弱栅阵列传感单元的时域和频域曲线

3.OFDR解调普通单模光纤和弱栅阵列的应变测量差异

在一块复合材料片上分别布设一根聚酰亚胺(PI涂层)光纤和一根弱栅阵列,以不同频率弯曲复合材料片施加载荷。OSI分布式光纤传感系统实时测量两种传感器的应变分布,对比结果如下:

OFDR聚酰亚胺光纤测试图


(a) 聚酰亚胺光纤测试图

OFDR弱栅阵列测试图
(b) 弱栅阵列测试图
图6. OFDR测试聚酰亚胺光纤与弱栅阵列对比图

综上所述,OFDR光频域反射仪解调普通单模光纤和弱反射光纤光栅阵列,若OFDR光频域反射仪能够兼容、支持以上传感器,使用操作相同,而且都可以达到设备支持的最高空间分辨率,比如OSI-S高精度分布式光纤传感系统的1mm最高空间分辨率,OSI-D动态分布式光纤传感系统的0.64mm最高空间分辨率。OFDR解调弱栅阵列的优势在于可以进一步提升测量稳定性,增加抗干扰能力,尤其适合准动态测量、振动或光纤晃动的环境。