基于宽带光源的弯曲传感器远程时分复用GydF4y2Ba

抽象的GydF4y2Ba

这项工作实验演示了一种使用时分复用技术和宽带光源询问弯曲传感器的遥感网络。弯曲传感器距离监控站有50公里。它们基于简单的系列位移传感器，提供高分辨率的位移测量。GydF4y2Ba

1.介绍GydF4y2Ba

基于弯曲机构的光纤强度传感器已被广泛使用，因为它们简单，便宜，可靠，并且可以在网络内的多个位置中同时复用并同时使用。此外，弯曲损耗技术已经成功地应用于测量诸如位移，压力，应变，振动或温度等许多幅度的测量[GydF4y2Ba1GydF4y2Ba]．由于它们的电磁免疫性，这些传感器的利用已经增长，避免了严重事故，并保证了更高的安全水平。GydF4y2Ba

光纤中的弯曲导致导模中传输的功率由于与辐射模耦合而损耗。这种类型的损耗发生在缠绕在芯轴上的纤维或柔性电缆中。根据单模光纤的弯曲半径，可以实现超过几十dB的衰减[GydF4y2Ba2GydF4y2Ba或纤维锥度[GydF4y2Ba3.GydF4y2Ba]．本文的主要目的是报告宏致命的单模光纤结构的多路复用用作廉价的简单传感器，用于位移或高应变测量。GydF4y2Ba

在该工作中使用的传感器包括一个连续的光纤“绑定”成八个形状。最初在[GydF4y2Ba4.GydF4y2Ba]使用多模光纤;Singlemode光纤（SMF）传感器的版本用于[GydF4y2Ba5.GydF4y2Ba]．在该纸张中，使用光学时域反射计（OTDR）复用4个传感器。最近，我们使用了传感器的Singlemode版本来监控混凝土梁弯曲测试[GydF4y2Ba6.GydF4y2Ba也使用OTDR。当混凝土梁施加高应变时，该传感器的性能优于光纤布拉格光栅传感器。GydF4y2Ba

将OTDR的利用作为弯曲传感器的询问系统，与光放大器组合，也可以允许它们的远程利用[GydF4y2Ba7.GydF4y2Ba]．GydF4y2Ba

遥感与通过将信息发送到中央站的传感器的临界位置，遥感与位于距离现场数十或数百公里的中央站的结构连续监测。该远程功能允许立即损坏检测，因此可以采取必要的操作。GydF4y2Ba

但是，当使用OTDR进行远程监控这些传感器时，这会提高两个问题：GydF4y2Ba

测量的低动态范围（2-3 dB）[GydF4y2Ba5.GydF4y2Ba那GydF4y2Ba7.GydF4y2Ba和包层模耦合效应，导致损耗随弯曲半径变化的非线性响应[GydF4y2Ba8.GydF4y2Ba]．这是在使用单个波长激光源时发生的，因为将其纳入OTDR。弯曲纤维的总损失包括弯曲部分中的纯弯曲损耗以及由弯曲和直截面之间的传播模式失配引起的过渡损失。对于长度的单模弯曲纤维GydF4y2Ba，纯弯曲损耗可以计算GydF4y2Ba 在哪里GydF4y2Baα.GydF4y2Ba是所谓的弯曲损耗系数，其由光的光纤结构，弯曲半径和光波长确定。由于辐射的场在包层和涂层之间的界面处的反射，涂层的存在是用于弯曲纤维的所谓耳语廊道模式。为了考虑这种反射对弯曲损失的影响，对于弯曲损失系数的更复杂的公式GydF4y2Baα.GydF4y2Ba已经开发了 [GydF4y2Ba9.GydF4y2Ba]证明电力振荡。GydF4y2Ba

由于这些振荡峰值随波长而改变，因此快速的效果的直接方式是使用宽带光源，而是在传统OTDR中使用。GydF4y2Ba

在这项工作中，我们证明了利用用于远程弯曲损耗传感器的时分复用（TDM）的宽带光源的优点，增加了测量的分辨率，并避免了光源引起的分散问题。GydF4y2Ba

2.方法论GydF4y2Ba

关于弯曲损耗传感器的TDM多路复用的初始开发系统如图所示GydF4y2Ba1GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

感测部分由四个强度传感器组成，该强度传感器布置在并联（星）配置中。传感器基于Sienkiewicz和Shukla首先提出的弯曲领带传感器图（图GydF4y2Ba2GydF4y2Ba）[GydF4y2Ba4.GydF4y2Ba]．当它们的端部连接到混凝土梁时，它们能够测量大的位移并因此高变形，例如[GydF4y2Ba6.GydF4y2Ba]．为了表征这些传感器，它们的输入和输出光纤部分（被描述为图中的“固定点”GydF4y2Ba2GydF4y2Ba）放置在两个高精度电动阶段，使得扎带形状随偏移而变化。因此，存在增加或减少损耗的曲率变化。这些阶段提供了1.7 nm的最小位移。对于这项工作，我们开发了一个LabVIEW程序，它集成了所有仪器，以便测量每个3.4 mm的传感器的位移。此外，粘结传感器的纤维是锂润滑脂的涂抹，用于实现软传感器滑动和良好的重复性。GydF4y2Ba

这种特性设置使我们能够做出高分辨率的特性，并看到在大多数弯曲传感器系统中存在的包层模式效应。GydF4y2Ba

为了通过在星形配置中使用TDM技术来复用传感器，两个2GydF4y2Ba4个耦合器用来分割发射信号和收集强度调制输出。为了区分传感器，在每个传感分支中包含不同的光纤延迟。GydF4y2Ba

该表征系统包括一个宽带光源，其光谱如图所示GydF4y2Ba5.GydF4y2Ba，在调制器，EOM（电光调制器），光谱分析仪（OSA）和示波器之前和之后。GydF4y2Ba

操作模式很简单：10 ns的宽带光脉冲进入前2GydF4y2Ba耦合器将这个脉冲分成4个几乎相同的脉冲，通过不同的光纤延迟线，然后被传感器衰减，这些传感器改变它们的行为，而电动级修改固定点之间的距离。然后，脉冲在第二个2中被重新耦合GydF4y2Ba4耦合器。最后，通过新的焦点1811,125MHz和900-1700nm高灵敏度检测器检测到与不同传感器对应的四种不同脉冲。该探测器显示出高跨阻抗增益（4GydF4y2Ba104 V/A)和低噪声等效功率(NEP)，有3 ns的上升时间。最后，用示波器监测探测器提供的电信号。探测器的高灵敏度特性是由于在远程网络的末端存在低的光功率。利用2的备用输出端口，利用OSA来表征传感器的光谱行为GydF4y2Ba4耦合器。GydF4y2Ba

我们使用Nettest的宽带光源，型号fiberwhite SPL，波长范围为1525.5 ~ 1611.7 nm，最大输出功率为18.8 dBm，功率稳定性为0.005 dB。该宽带光源避免了使用窄波段激光时由于包层模式耦合过程而在曲率损失函数中测量到的振荡[GydF4y2Ba7.GydF4y2Ba]．包层模式激发具有根据弯曲半径的波长位移。因此，由曲率引起的损耗非常依赖于波长。通过使用宽带源，我们实现了这种依赖性的损失平均，避免了包层模式再旋转的不需要的效果。由于宽带源的非均匀频谱，我们引用了测量值（图GydF4y2Ba3.GydF4y2Ba和GydF4y2Ba7.GydF4y2Ba关于用非打击传感器获得的第一光谱。另一方面，利用短弯曲半径循环作为模式扰夹，正如我们在以前的作品中所做的[GydF4y2Ba5.GydF4y2Ba那GydF4y2Ba6.GydF4y2Ba，有助于衰减受激包层模式，并提高测量的准确性。这些纤维环针对每个传感器进行了优化。经过多次实验测试，确定了环路结构，显示了最佳的包层模式抑制行为。在我们的实验设置中，我们只在两个传感器(第二个和第四个传感器)前使用一个回路。GydF4y2Ba

一个LiNbOGydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba电光“UTP Apetm 2GydF4y2Ba2干涉式开关“用作电光幅度调制器，它用于从光源产生短脉冲。EOM传递函数及其偏置点是要控制的两个关键参数。数字GydF4y2Ba3.GydF4y2Ba示出了调制器响应对偏置点的变化的表征。通过调节由OSA注册的宽带谱进行这些测量。计算机控制的直流源在每次测量中增加0.01 V偏置点。该3D图显示了消光比与波长和施加的偏振电压。该偏振点是要控制的关键参数并被稳定。EOM的传递函数修改了源的频谱，而偏置点控制脉冲的幅度。GydF4y2Ba

为了检查这种结构的应用进行遥感，我们在光源和检测器之间引入了两个50公里的光纤卷轴，如图所示GydF4y2Ba4.GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

当光路被放大并且使用调制宽带光源时，分散是要考虑的关键方面。由于这个原因，两个长的色散补偿光纤（DCF）部分用于补偿由标准单模光纤（SMF28）的100 km引起的分散体。从我们的测量结果我们已经获得了DCF正确降低了分散，尽管我们使用了宽带源，允许传感器检测。但是，支付的价格是额外的7.8 dB损失。GydF4y2Ba

3.结果GydF4y2Ba

本节介绍了所提出的系统的实验结果。首先，我们已经使用来自OTDR（EXFO FTB-7423B-B）和来自我们调制的宽带光源的光的激光二极管进行了一种位移传感器的行为。数字GydF4y2Ba5.GydF4y2Ba显示了EOM前后的宽带源光谱。如前所述，光波导的偏置点是一个需要控制的关键参数，在这种情况下，偏置点被放置在光波导响应的最小点水平，以获得调制脉冲的最佳动态范围。GydF4y2Ba

数字GydF4y2Ba6.GydF4y2Ba示出了当施加位移时，我们的一个强度传感器的表征，并且使用两个不同的光源。当OTDR激光器用于透射配置时，红色迹线对应于传感器的测量，如我们在[GydF4y2Ba6.GydF4y2Ba]．非线性行为如[GydF4y2Ba8.GydF4y2Ba]观察到。该行为限制了传感器的分辨率和适用性。当弯曲半径随着施加的位移而减小时，非线性行为对应于新的包层模式的激发，并且这种激励与波长换档[GydF4y2Ba8.GydF4y2Ba]．因此，当使用宽带光源并且将其所有光谱分量同时引入弯曲传感器时，获得平均效果并且改善了传递函数的线性度。GydF4y2Ba

数字GydF4y2Ba7.GydF4y2Ba显示衰减光谱作为弯曲半径的变化的演变。第一迹线（对应于图中所示GydF4y2Ba5.GydF4y2Ba，“在EOM之后”）被视为参考。因此，为了计算衰减，将在每个弯曲状态下拍摄的迹线减去到参考。结果证实了Macrobendings与波长的依赖性。GydF4y2Ba

数字GydF4y2Ba8.GydF4y2Ba使用高灵敏度检测器显示从4个弯曲多路传感器接收的信号。在实验中，我们分别测试了每个传感器，并检查了其他传感器的串音。该传感器所对应的脉冲被施加了约20纳秒的延迟(相当于一个7米长的光纤线圈)。使用此方案可复用的传感器数量受每个传感器接收的光功率的限制。理论上，在非远程设置中，使用我们的拓扑结构和设备可以多路复用多达32个传感器。然而，对于远程应用程序，如果想要保持相同的分辨率，则需要降低接收良好的信噪比。数字GydF4y2Ba9.GydF4y2Ba示出了在移位器上的第一传感器测量信号的演变。在此结果中，我们具有线性响应，并且不会出现覆盖模式耦合效果。在曲线图中执行线性配合以示出传感器的线性响应。GydF4y2Ba

数字GydF4y2Ba10.GydF4y2Ba显示四个传感器的测量位移行为。由于之前解释的不同模式Scrambler循环参数，所接收的信号电平不同。GydF4y2Ba

学习的一个重要参数是传感器之间的串扰。在这项工作中，检查每个传感器的串扰。数字GydF4y2Ba11.GydF4y2Ba显示第二传感器的行为和从其他传感器获得的同步信号变化。这张图展示了该系统的无串扰行为，因为每个传感器所接收的脉冲都有自己的时隙而不会发生重叠。因此，必须控制好脉冲的大小和各支路的延迟，以防止脉冲重叠。GydF4y2Ba

使用远程传感器系统配置，传感器的相同表征，传感器远离监控设备50千米。在这个场合（图GydF4y2Ba12.GydF4y2Ba），传感器移位时，传感器电压的演变，与前一个，但在这种情况下，动态范围大得多。然而，仍然足以执行所需的测量。GydF4y2Ba

最后，已经测试了系统分辨率，准确性和可重复性，用于系统，本地和远程系统。数字GydF4y2Ba13.GydF4y2Ba显示不同时间的测量值。在这个目标下，每分钟可以进行30次测量，而不需要任何传感器位移。这些测量的目的是检查系统噪声和测量误差随时间的变化。光源和所利用的光电探测器会引入相应的强度噪声、量子噪声和热噪声，为了降低这些噪声，采用了对接收信号进行平均的方法。其他可能的测量误差，来自EOM的不稳定性和传感器网络的不稳定性可以使用强度参考方案来降低[GydF4y2Ba10.GydF4y2Ba]．利用这些数据，我们可以估计系统的分辨率和精度。测量频率可高达1hz，这是示波器采集速度和数据处理时间的真正限制。GydF4y2Ba

（一种）GydF4y2Ba

（b）GydF4y2Ba

非偿还传感器系统分辨率为±0.5 mm，测量范围为35 mm的遥控传感器配置分辨率为±1 mm。获得这些测量的平均值为64个示波器迹线，以降低噪音。测量的重复性，定义为传感器的连续读数之间的最大差异[GydF4y2Ba11.GydF4y2Ba]，为±1.14％。GydF4y2Ba

4。结论GydF4y2Ba

介绍了利用宽带光源进行弯曲传感器的时分复用。对包层模耦合效应进行了深入研究，以验证所提出的解决方案并改善传感特性。采用的光源提高了测量的分辨率和线性特性。我们还演示了这些源也可以用于遥感，在距系统头部50公里的地方多路复用4个弯曲损耗传感器进行位移测量，而不需要使用光放大器。GydF4y2Ba

致谢GydF4y2Ba

谢谢是由于蒙特塞拉特Fernández-vallejo在纸质准备和有用的讨论中得到帮助，而作者则感谢西班牙政府项目TEC2010-20224-C02-01。GydF4y2Ba

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