衍射光柵式光纖光柵解調(diào)器件溫度特性研究
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作者：江琴，何彥璋，孫義斌
（北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）
摘要：對衍射光柵式光纖光柵解調(diào)器件的溫度特性進(jìn)行了研究。利用有限元軟件ABAQUS對不同材料解調(diào)器件的結(jié)構(gòu)件在高低溫情況下的形變量進(jìn)行了仿真。根據(jù)仿真得出的變形量，通過光路計算，分析了結(jié)構(gòu)件的變形對光電探測器像面上的不同波長光束成像位置的影響。對硬鋁、45#鋼和殷鋼這三種不同材料的解調(diào)器件進(jìn)行溫度試驗，發(fā)現(xiàn)對于不同材料的器件，不同波長對應(yīng)的溫度漂移不同。硬鋁材料解調(diào)器件的溫度變化與波長偏差的線性關(guān)系不明顯。45#鋼和殷鋼材料的解調(diào)器件的溫度變化與波長偏差的關(guān)系近似線性，而且波長值越小波長隨溫度變化的曲線斜率越大。可見，為了提高這類器件的溫度穩(wěn)定性，需要從材料、結(jié)構(gòu)、工藝以及軟件等方面進(jìn)行綜合補(bǔ)償。
關(guān)鍵詞：光纖光柵；衍射光柵；解調(diào)；溫度特性
中圖分類號：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Temperature characteristic research of the FBG
demodulation device based on diffraction grating
JIANG Qin, HE Yanzhang, SUN Yibin
(Beijing Chang cheng Institute of Metrology and Measurement, Beijing 100095, China)
Abstract: The temperature characteristics of the FBG demodulation device based on diffraction grating are researched. The deformations for the structural parts of the different materials demodulation devices are simulated under the high and low temperature conditions by using the finite element analysis software (ABAQUS). According to the simulation results, the effects of structural deformation on the image position for the different wavelength beams are analyzed through the optical path computation. Finally, temperature experiments of three different materials demodulation devices (LY12, 45 # steel and invar) are taken. It is found that the different wavelengths corresponding to different temperature drift. For LY12 demodulation device, the linear relationship between temperature and wavelength deviation is not obvious. The relationships between temperature and wavelength deviation of the 45# steel and invar are approximately linear. Meanwhile, the smaller the value of the wavelength is, the larger the slop of the temperature dependence of the wavelength is. Therefore, in order to improve the temperature stability of such devices, it needs to compensate the materials, structure, technology, software and other respects comprehensively.
Key words: fiber Bragg grating; diffraction grating; demodulation; temperature characteristic
0引 言
由于光纖光柵( FBG)傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、體積小、壽命長等諸多優(yōu)點，因而得到了越來越廣泛的重視，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、航空航天工業(yè)、石油工業(yè)、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)及化學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[1-5]。FBG傳感器為波長調(diào)制型傳感器，因此，波長解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一�；谘苌涔鈻诺牟ㄩL解調(diào)方法是利用光柵的分光特性，將不同波長的光束在空間展開后通過光電探測器( CCD)進(jìn)行檢測，該方法可以達(dá)到1pm的波長分辨率，同時具有較高的環(huán)境適應(yīng)性，在航空航天等前沿領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
由于該方法是通過光學(xué)元件將不同波長的光束展開后在CCD上進(jìn)行探測，當(dāng)環(huán)境溫度變化引起光學(xué)元件相對位置改變時，不同波長光束在CCD上的位置將發(fā)生改變，從而影響解調(diào)結(jié)果，因此有必要對基于衍射光柵的FBG解調(diào)器件的溫度特性進(jìn)行研究，提高系統(tǒng)溫度適應(yīng)性，拓寬工作溫度范圍，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1 衍射光柵式FBG解調(diào)器件基本原理
衍射光柵式FBG解調(diào)器件的基本原理如圖1所示，F(xiàn)BG傳感器的光信號由傳輸光纖輸入到解調(diào)器件的準(zhǔn)直鏡上，光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡后平行入射到衍射光柵1上，衍射光柵1將不同波長的光束在空間展開后，并以不同的角度入射到衍射光柵2上，經(jīng)衍射光柵2進(jìn)一步展開后入射到反射鏡上，反射鏡將光束匯聚于CCD的成像平面上，不同波長值的光束成像在CCD像平面上的不同位置處，由電路讀出數(shù)據(jù)，通過解調(diào)算法計算出入射波長值。
CCD像素與波長的對應(yīng)關(guān)系為[6]
式中λ表示實際波長；p為像素坐標(biāo)；ao，…，a6為通過標(biāo)定得到的系統(tǒng)參數(shù)。各光學(xué)元件的相對位置經(jīng)嚴(yán)格計算[7-8]，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計如圖2所示光路盒。光路盒主體包括殼體和結(jié)構(gòu)塊組成，結(jié)構(gòu)塊用于安裝兩個衍射光柵和CCD，可保證各個部分的形位關(guān)系。將各光學(xué)元件安裝固定，形成衍射光柵式FBG解調(diào)器件。
2溫度變化對解調(diào)器件光路影響的理論分析
根據(jù)設(shè)計，光學(xué)元件通過膠粘或螺釘固定于光路盒上，當(dāng)環(huán)境溫度變化引起光路盒發(fā)生形變時，光學(xué)元件相對位置改變，不同波長光束在CCD上的位置將發(fā)生改變，從而影響解調(diào)結(jié)果。
2.1 有限元軟件ABAQUS仿真分析
為了分析溫度變化對解調(diào)器件光路的影響，首先利用有限元軟件ABAQUS對不同材料光路盒在高低溫情況下的形變進(jìn)行仿真。研究采用了三種不同的材料加工光學(xué)盒，分別是硬鋁( LY12)、45#鋼和殷鋼，三種材料的熱膨脹系數(shù)分別是LY12的(21.4～24.7)×10-6/℃、45#鋼的11. 59×10-6/oC和殷鋼的0.9×10-6/oC。光路盒外殼的四個螺紋孔采用固定約束，內(nèi)部結(jié)構(gòu)塊的螺紋孑L與外殼的連接處采用tie約束。模型采用四面體熱力耦合單元，單元總數(shù)為77252個。模擬的溫度設(shè)置為-100C和50℃，仿真設(shè)定材料初始狀態(tài)的溫度為20℃。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示，圖中以不同的灰度表示光路盒的變形量U，單位：m。由于仿真結(jié)果顯示三種材料的光路盒在相同溫度情況下的變形趨勢是一致的，因此圖3和圖4只給出了殷鋼材料光路盒的變形云圖。
從仿真結(jié)果可以看出，在高溫和低溫情況下，三種材料光路盒的變形趨勢一致，高溫時，光路盒表現(xiàn)為膨脹變形，低溫時，光路盒表現(xiàn)為收縮變形。由于材料的熱膨脹系數(shù)不同，三個光路盒的變形量不同，硬鋁的變形量最大，45#鋼次之，殷鋼最小，變形最大的地方位于外殼的兩個側(cè)壁。從變形云圖和仿真結(jié)果看，對光路可能有較大影響的變形有三處：1）準(zhǔn)直鏡安裝孔的偏斜；2）用于安裝衍射光柵和CCD的結(jié)構(gòu)塊隨外殼變形出現(xiàn)的位置偏移；3）反射鏡隨外殼變形出現(xiàn)的位置偏移。設(shè)平行殼體安裝平面的方向為X方向（準(zhǔn)直鏡出射的準(zhǔn)直光束的傳播方向）和Y方向（垂直X方向并指向殼體內(nèi)部），垂直安裝平面為Z方向。經(jīng)仿真分析，相對于外殼帶動結(jié)構(gòu)塊所引起的Z方向的位置偏移，結(jié)構(gòu)塊自身的變形量相對較小，即在本文中假設(shè)結(jié)構(gòu)塊自身在X方向和y方向不產(chǎn)生變形。
表1給出了-10 0C和50℃情況下準(zhǔn)直鏡安裝孔在y方向的變形量(yc)和Z方向的變形量(zc)，結(jié)構(gòu)塊在Z方向的移動量(Zbs)以及反射鏡在Z方向的移動量(zr)。
2.2光路計算分析
解調(diào)器件采用的衍射光柵的分辨力為966.2line／mm，尺寸為8mmX 4mm，非球面反射鏡的焦距ƒ=88. 287mm．線陣CCD像面寬度為12. 8mm，像元的寬度為25μm，高度為500μm。為了分析溫度變化造成的結(jié)構(gòu)件變形對光電探測器像面上的不同波長光束成像位置的影響，進(jìn)行如下計算。為了方便計算，將y方向和Z方向的變形分開考慮。
2.2.1 Z方向變形的造成的影響分析
分析Z方向變形對光路造成的影響時，不考慮X方向和y方向發(fā)生的形變。由變形云圖可以看出，結(jié)構(gòu)件Z方向的變形造成準(zhǔn)直鏡、衍射光柵和反射鏡相對于成像平面出現(xiàn)偏移。由于CCD像元的高度為500μm，在假設(shè)X方向和y方向不發(fā)生形變的前提下，表1所給出的Z方向的偏移都不會造成光束成像于CCD像面之外，同一波長的像點只會在同一像元內(nèi)上下移動，而不會成像于鄰近像元而造成解調(diào)結(jié)果漂移。
2.2.2 y方向變形的造成的影響分析
分析Y方向變形對光路造成的影響時，不考慮Z方向發(fā)生的形變。建立全局坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點為準(zhǔn)直光束出射中心點，準(zhǔn)直光沿X方向向右傳播，設(shè)計的準(zhǔn)直光束出射中心點到衍射光柵的直線距離為22. 5mm，入射角為i=500。由變形云圖可知，溫度導(dǎo)致準(zhǔn)直鏡的安裝孔發(fā)生形變，使得準(zhǔn)直鏡光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而其他光學(xué)元件所在安裝位置的變形量相對較小可以忽略不計。設(shè)溫度導(dǎo)致的準(zhǔn)直鏡光軸偏轉(zhuǎn)的角度為δ，則入射角為iδ一i±δ（其中準(zhǔn)
直鏡光軸向y軸正向偏轉(zhuǎn)時取負(fù)號，反之取正號），如圖5所示。
根據(jù)光柵方程d(sini+sin)=mλ，可計算偏轉(zhuǎn)后的出射角為
式中d為光柵常數(shù)。只考慮一級衍射，m=1。
衍射光柵2在全局坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)角度β為56. 61330[7]，根據(jù)圖5可以計算出光路變形后入射到衍射光柵2的光束的入射角為
根據(jù)光柵方程可以計算出此時衍射光柵2的出射角為
從衍射光柵2出射的光線入射到非球面鏡上，光線與非球面鏡光軸的夾角αδ為
根據(jù)高斯成像原理，已知入射光束同光軸的夾角，則該光束在焦平面上的成像位置是確定的。系統(tǒng)所用非球面鏡的焦距為ƒ=88. 287mm，CCD位于非球面鏡的焦面上，則光束在CCD上的像點與非球面鏡光軸的距離為
根據(jù)上述計算，當(dāng)假設(shè)溫度導(dǎo)致準(zhǔn)直鏡光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，造成光束在CCD上的像產(chǎn)生偏移，選取典型波長為λ1 =1530nm，λc=1545nm和λ2=1560nm．偏移量Δh=hδ-h0如表2所示，其中h0是沒有變形時像點與非球面鏡光軸的距離。
由表2可以看出，在-10℃和50 0C這樣的溫度下，殷鋼材料的結(jié)構(gòu)件變形造成的像點偏移最小。而硬鋁和45#鋼的像點偏移很大，45#鋼對應(yīng)的像點偏移量約為2～5個像元寬度，硬鋁對應(yīng)的像點偏移量超過6個像元寬度，這樣的偏移量將對解調(diào)結(jié)果造成較大的誤差。
根據(jù)公式(1)，對三種材料的解調(diào)器件進(jìn)行標(biāo)定，得到系數(shù)ao，…，a6，將表2中的像點偏移量通過式(1)進(jìn)行計算，得到在-10℃和500C溫度下帶有偏差的解調(diào)結(jié)果，如表3所示。
由表3可以看出，當(dāng)解調(diào)器件處于低溫環(huán)境時，造成解調(diào)的波長比輸入偏��；當(dāng)器件處于高溫環(huán)境時，造成解調(diào)的波長比輸入偏大。硬鋁材料的解調(diào)器件的波長偏差最大，45#鋼解調(diào)器件次之，殷鋼解調(diào)器件偏差最小。
3不同材料下解調(diào)器件的溫度試驗
以上假設(shè)和理論分析都基于比較簡單的模型，但溫度對光路形變的影響是綜合的，比如理論分析中沒有考慮所用光學(xué)元件，螺釘、膠等材料的熱膨脹系數(shù)，因此要確定溫度變化對解調(diào)器件的影響，必須要進(jìn)行溫度試驗，為后續(xù)的溫度補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)支持。溫度試驗是利用溫箱控制解調(diào)器件的環(huán)境溫度，試驗內(nèi)容包括測定解調(diào)器件的工作溫度范圍和測定溫度變化對解調(diào)結(jié)果的影響。分別對所研制的沒有采取任何溫度補(bǔ)償措施的硬鋁材料解調(diào)器件、45#鋼解調(diào)器件和殷鋼解調(diào)器件進(jìn)行了溫度試驗。
經(jīng)試驗測得，硬鋁材料解調(diào)器件的正常工作溫度范圍是-10℃～50 0C，45#鋼材料解調(diào)器件的正常工作溫度范圍是-20℃～60℃，殷鋼材料解調(diào)器件的正常工作溫度范圍是-350C～700C。以-10℃～50 0C為試驗溫度范圍，溫度變化對不同材料解調(diào)器件的解調(diào)結(jié)果影響的試驗曲線見圖6。
由圖6可已看出，硬鋁材料解調(diào)器件的溫度變化與波長偏差的線性關(guān)系不明顯；對于1530 nm和1545 nm的輸入波長，解調(diào)結(jié)果隨溫度增加而增大，變化趨勢與理論分析相符；而對于1560 nm的輸入波長，解調(diào)結(jié)果出現(xiàn)無規(guī)律變化。45#鋼和殷鋼材料解調(diào)器件的解調(diào)結(jié)果隨溫度增大而增大，呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，變化趨勢與理論分析相符。但是，在低溫區(qū)域，解調(diào)結(jié)果沒有出現(xiàn)比輸入波長偏小的情況，應(yīng)該是溫度對解調(diào)器件整體影響所致。由于硬鋁材料解調(diào)器件是最先研究出來的版本，與后續(xù)兩個材料的解調(diào)器件相比，雖然采用的光學(xué)器件都相同，但是在安裝、膠的選擇及用量等方面都不如另外兩個器件成熟，初步估計是造成波長偏移趨勢與其他兩種材料不一致的原因，這些因素都將是后續(xù)研究所要考慮的研究要點。
4結(jié)論
由上述理論和試驗分析可知，對于基于衍射光柵的FBG解調(diào)器件，溫度變化將造成解調(diào)結(jié)果漂移，影響解調(diào)精度，限制了器件的工作溫度范圍。試驗表明，改變解調(diào)器件結(jié)構(gòu)件的材料并不能有效地消除溫度對解調(diào)結(jié)果的影響，還需要考慮整體框架結(jié)構(gòu)、光學(xué)元件的變形、膠層材料及厚度、盒體氣密性等因素的影響。為了提高該解調(diào)器件的溫度穩(wěn)定性，擴(kuò)展溫度范圍，需要從硬件和軟件兩個方面同時進(jìn)行控制。在硬件方面，可采用的措施包括選擇合適的結(jié)構(gòu)件材料、對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行更合理的設(shè)計、結(jié)構(gòu)件加工采用退火處理、在組裝時對組裝工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制以及進(jìn)行氣密性封裝等。在軟件方面，可采用的措施包括引入溫度不敏感的標(biāo)準(zhǔn)器件作為參考基準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計，或者解調(diào)算法中引入溫度補(bǔ)償?shù)取?/span>
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