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1、光纤光栅传感器的基本原理及应用光栅原理应用以及应用基本原理光纤光栅传感器的基本原理及应用 摘要:概述光纤光栅传感器的基本原理及实 际应用，介绍了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结 构、电力工业、医学、和化学传感中的应用。一、前言1978年加拿大渥太华通 信研究中心的KOHill等人首次在掺错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。19,美国联合技术研究中心的GMeltz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。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
2、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。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光 纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相 应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个 窄带的透射或反射滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器 件，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其 它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很 多，主要分两大类:一是Bragg光
3、栅也称为反射或短周期光栅，二是透射光栅也称 为长周期光栅。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上 还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅;其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又 称为啁啾光栅chirp光栅。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤 传感器领域。在 光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光 纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小标准裸光纤为125um、重量轻、耐温性好工 作温度上限可达400?,600?、复用能力强、传输距离远传感器到解调端可达几公 里、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地应用 在航空、航天领域中作为有效的
4、无损检测当中，同时光纤光栅传感器还可应用于化 学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，以及在土木工程领域中如 建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等的混凝土组件和 结构中测定结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能 建筑。二、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:lB2nL 1式中，n一芯模有效折射率；L一光栅周期。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
5、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。此外，通过特定的技术，还 可实现对应力 和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料）， 对电场等物理量的间接测量也能实现。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
6、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。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：lin0-nicladL 2式中，n0一纤芯的折射率;nicladi阶轴对称包层模的有 效折射率。光在包层中将由于包层,空气界面的损耗而迅速衰减，
7、留下一串损耗 带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，其共振的中心 波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任 何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测Dli，就可获得外界物理量变化 的信息。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。三、光纤光栅传感器的应用1、在地球动力学中的应用在地震检测等 地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂 的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关 键活动范 围演变的最有效手段心。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变
8、形、 垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的应变通 常包含静态和动态两种，静态应变包括由火山产生的静态变形等一般都定位于与地 质变形源很近的距离，而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震源较远的 地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或火山源的位置，更好地描述源 区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力，应变测量仪。光纤光栅传感 器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等 的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。有报道指出，光 纤光栅传感器已成功检测了频率为0.1Hz,2Hz，大小为10-9 e的岩石和地表动
9、态 应变。2、在航天器及船舶中的应用先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好， 而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合 材料越来越多地被用于制造航空航海工具如飞机的机翼。为全面衡量船体的状 况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，普通船体大 约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检 测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击 力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了带宽为5kHz范围 内、分辨率小于10ne/Hz1/2的动态应变测量。另外，为了监测一架飞行器的应 变、温
10、度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传 感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是 最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的 光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。3、在民用 工程结构中的应用民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。对于桥 梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知 结构局部的载荷及状况，方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器可以贴在结 构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测 等，还以监视结构的缺陷
11、情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感 网络，对结构进行准分布式检测，并通过计算机对传感信号进行远程控制。光纤 光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复 合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中（便于防护）。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时 把光栅埋进复合筋。同时，为了修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开 的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。两个具有相同中心波长的光纤光栅 代替法布里，珀涉仪的反射镜，形成全光纤法布里，珀涉仪FFPI，利用低相干性使 干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测
12、量。用FFPI结 合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来（免受应力影响）， 以测量和修正温度效应，同时实现了对三个量的测量:温度、静态应变、瞬时动态 应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点，在5me的 测量范围内，实现了小于1me的静态应变测量精度、0.1?的温度灵敏度和小于 1ne/Hz1/2的动态应变灵敏度。4、在电力工业中的应用光纤光栅传感器因不受 电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线 的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。在电力 工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化
13、可使压电陶瓷PZT产 生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其 形变，进而测 知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。另外，由大雪 等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重 要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量， 其这原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，一应力变 化即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远 距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速 调制和解调。5、在医学中的应用医学中用的传感器多为电子传感器，它
14、对许多 内科手术是不适用的，尤其是在高微波辐射频率、超声波场或激光辐射的过高热治 疗中。由于电子传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的?扇哦 鸫 型 坊蛑琢鲋芪y娜刃Br庋 岬贾麓碧蠖潦，昀矗 褂酶咂档缌鳌?K浜图寸饨 腥攘埔源嫱饪剖?术越来越受到医学界的关注，而且传感器的小尺寸在医学应用中 是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，而光纤光栅传感器正是目 前为止能够做到的最小的传感器。它能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内 部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到目前为止，光纤光栅传感系统已经 成功地检测了病变组织的温度和超声波场，在30?,60?的范围内，获得了分辨率为
15、0.1?和精确度为?0.2?的测量结果，而超声场的测量分辨率为10-3atm/Hz1/2，这 为研究病变组织提供了有用的信息。光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。 在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射 人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出 量，这对于心脏监测是非常重要的。6、在化学传感中的应用光纤光栅传感器可 用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相 互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。长周期光栅 long period fibergrating，LPFG与布拉格光纤光
16、栅一样，也是由光纤轴上产生周期性的折射率 调制而形成，其周期一般大于100m。它的耦合机理是：向前传输的纤芯基模被 耦合入几个特定波长的向前传输的包层模，包层模很快损失掉，所以LPFG基本上 没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。LPFG对 光纤包层材料折 射率的变化比上述的光纤布拉格光栅更为敏感，包层材料折射率的任何变化都会改 变传输光谱的特性，使吸收峰发生改变，所以长周期光栅折射率测 量系统的分辨率 可实现10-7的灵敏度。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度，包括 蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原则上，任何具有吸收峰谱并且其 折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅进行探测。四、结束语 除上述应用外，光纤光栅传感器还在其他领域得到了应用，并且许多方面的性能 都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。光纤光栅传感器可以用于应 力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围。在光纤若 干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变 化，实现准分布式光纤
