光纤波长复用检测

光纤布拉格光栅的波长选择反射

光纤布拉格光栅是在光纤纤芯中形成周期性折射率调制的一种无源器件。其周期记为 $\mathrm{\Lambda }$（单位 m），纤芯有效折射率记为 $n_{ef}$（无量纲）。满足布拉格条件的光会被反射，反射中心波长为

其中 ${\lambda }_B$ 为布拉格波长（单位 m 或 nm）。不满足该条件的光继续透射。因此每个光栅相当于一个窄带反射镜，其反射峰中心位于 ${\lambda }_B$。

波长复用检测的基本思想

把多个光栅串联在同一根光纤上，并让它们具有互不相同的中心波长 ${\lambda }_{B1},{\lambda }_{B2},\dots ,{\lambda }_{Bn}$。光源提供覆盖这些波长的宽带光。各光栅分别反射自己对应的窄带波长，反射信号沿原光纤返回。解调设备（如光谱仪）在波长轴上分辨出各个反射峰，根据每个峰的中心波长偏移量分别得到对应光栅处的被测量。这就是波分复用（波长复用）检测：不同测点用不同波长“地址”区分，而不是用不同光纤或不同时间区分。

温度对布拉格波长的影响

温度变化通过两条路径改变 ${\lambda }_B$：

1. 热胀冷缩改变光栅周期 $\mathrm{\Lambda }$；
2. 热光效应改变有效折射率 $n_{ef}$。

两者共同作用，使布拉格波长发生偏移。在小温度变化范围内，相对波长偏移与温度变化近似成线性关系：

其中 $\mathrm{\Delta }{\lambda }_B$ 为布拉格波长偏移量（单位 m 或 nm），${\lambda }_B$ 为初始布拉格波长（单位 m 或 nm），$\mathrm{\Delta }T$ 为温度变化量（单位 K 或 ℃），$K_T$ 为温度灵敏度系数（单位 1/K 或 1/℃）。该式说明：温度变化引起的是相对波长偏移，且同一光栅的 $K_T$ 在给定工作范围内可视为常数。

多点测温系统的组成与信号流

课件给出的动车设备舱测温系统由以下部分组成：

• 超连续白光光源：提供覆盖各光栅布拉格波长的宽带光；
• 普通光纤：把光传输到设备舱；
• 串联在关键设备上的光栅光纤：包含多个不同布拉格波长的光栅；
• 光谱仪：接收反射光并测量各反射峰的中心波长；
• 计算机处理软件：根据波长偏移计算各测点温度。

信号流为：超连续白光光源 → 普通光纤 → 设备舱内光栅光纤 → 各光栅反射对应波长 → 反射光返回光谱仪 → 计算机处理分析。监测对象可包括污水箱、变压器冷却单元、变压器、单倍辅助变流器、废排单元和制动控制单元等关键位置。

复用条件与适用范围

• 各光栅的布拉格波长必须彼此分开，且每个光栅的反射峰在工作过程中不与其他光栅的反射峰重叠，否则无法在波长轴上区分测点。
• 光源光谱范围必须覆盖所有光栅的布拉格波长及其可能的偏移范围。
• 解调设备的光谱分辨率应足以分辨各反射峰的波长偏移。
• 上述线性温度关系 $\mathrm{\Delta }{\lambda }_B\mathrm{/}{\lambda }_B=K_T\mathrm{\Delta }T$ 是在小温度变化、忽略应变等其他被测量影响、且光栅本身参数稳定的条件下成立。若同时存在应变，则波长偏移是温度与应变共同作用的结果，需要另行区分。