光纤光栅传感器研究应用简介

光纤光栅传感器研究应用简介

交通运输学院 运输1001 寿涛 10251016

内容提要：

作为现代传感技术的重要分支，光纤传感技术在许多领域具有替代传统传感器、弥补传感领域空白的先天优势。本文关注着光栅，以光纤光栅传感器为核心，了解光纤光栅的历史，工作原理，有选择地介绍了光纤光栅传感的两项核心技术（网络技术和封装技术）中的网络技术；同时关注着光纤光栅传感器的应用以及前景，内容覆盖了光纤光栅传感领域的方方面面，特别是对传感器的讨论细致、深入，并列举了大量的应用设计实例。对学科最新技术和进展的介绍全面、贴近工程应用实际。

关键词： 光纤传感器 光纤光栅 分类 原理 技术 研究方向应用

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的新型传感器，与常规的各类传感器相比有很多优点。光纤传感器原理:研究光在调制区内,外界信号与光的相互作用,即研究光被外界参数的调制原理，外界信号可能引起光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化,从而形成不同的调制。

光纤光栅传感器是光纤传感器的一种，单是单纯的光纤传感器是分布式测量，不支持实时测量，光纤光栅传感器是多点测量，支持实时测量，光纤光栅传感器是利用光纤光栅的形变导致的光波波长位移来测应力应变温度等等，而光纤传感器是利用光波被外界环境调制引起参数变化，比如光强、波长、频率、相位等。

随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器(EDFA)技术之后的又一重大技术突破。

1、光纤光栅的历史渊源

1978年加拿大渥太华通信研究中心的K·O·Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。1989年，美国联合技术研究中心的G·Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。1993年，K.O.Hill等人利用紫外激光通过相位模板后的+1级衍射光相干形成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制作光纤光栅，提出了相位掩模成栅技术。同年，P.J.Lemaire等人提出了一种简单而有效的光纤敏化技术。自此光纤光栅器件逐步走向实用化，也在世界各地掀起了光纤光栅技术及其应用的研究热潮。

2、光纤光栅传感系统的优势

同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势： （1）可靠性好、稳定性高。

（2）传感部分是全光纤结构，没有任何电压、电流信号，防静电、无火花、耐腐蚀。 （3）测量精度高、不受强电磁信号影响。

（4）单路光纤上可以串联成多个光纤传感器，测量点数多，传输距离远。 （5）支持无人值守监测站应用。

（6）系统集成度高，可与局域网、广域网以及MIS系统方便连接，方便管理。 （7分布式测量，耐久性好。

（8）实时性好，24小时不断监测，不受人为因素的影响，将人为事故降至最低。

3、 光纤光栅-基本分类

3.1光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为： ①均匀周期光纤布喇格光栅 ②啁啾光栅 ③闪耀光栅 ④长周期光栅 ⑤相移光栅。

此外还有Tapered光纤光栅，取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。 3.2根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA型和Ⅱ型。

①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上

②ⅡA型光栅：成栅于高掺锗（15％mol）光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于Ⅰ型不同。

③Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2）曝光形成。 原理光栅测量的基本原理

4、光纤光栅传感器的工作原理

我们知道，光栅的Bragg波长lB由下式决定：lB=2nL 式中，n—芯模有效折射率；L—光栅周期。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。

4.1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理

上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时，采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。

啁啾光纤光栅传感器的工作原理图

啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg

光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纤光栅除了DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn／dT)，仅会影响重心的位置。因此通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。

4.2 长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理

长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：li=(n0-niclad)·L (2)

式中，n0—纤芯的折射率；niclad—i阶轴对称包层模的有效折射率。

LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同的幅度，因而适用于构建多参数传感器。

光纤光栅传感器根据应用又可分为光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度

传感器、位移传感器、压力传感器等。 （1）光纤光栅应变传感器

此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。 (2)光纤光栅温度传感器

基于光纤光栅技术的温度传感器，采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。

温度也是直接影响光纤光栅波长变化的因素，人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。 (3)光纤光栅位移传感器

光纤光栅位移传感器研究都是通过测量悬臂梁表面的应变，然后通过计算求得悬臂梁垂直变形，即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器，目前这种传感器在实际工程已取得了应用，国内亦具有商品化产品。 (4)光纤光栅加速度计:

加速度传感器由两个矩形梁和一个质量块组成，质量块通过点接触焊接在两平行梁中间，光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。在传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动。 (5)光纤光栅压力传感器

对拉力或压力的监测也是监测的一部分重要内容，如桥梁结构的拉索的整体索力、高纬度海洋平台的冰压力，以及道路的土壤压力，水压力等。哈工大欧进萍等人相继开发出了光纤光栅拉索压力环和光纤光栅冰压力传感器，英国海军研究中心开发了光纤光栅土壤压力传感器，用以监测公路内部的荷载情况。

4.3光纤光栅的核心技术是光纤光栅传感网络

光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。典型的光纤光栅传感网络结构如图所示，

其基本功能部分