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1、光纤光栅报告浅谈光纤光栅传感器一、光纤光栅传感器发展现状1、光纤光栅传感器概念光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基 于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制 来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根 光纤上构成光纤光栅阵列，实现准分布式传感，加上光纤光栅具有普通光纤的 许多优点外，且本身的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯 曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅在传感领域的 应用引起了世界各国有关学者的
2、广泛关注和极大兴趣。自从1989年Morey等人 首先对光纤光栅的应变和温度传感特性进行了研究后，光纤光栅传感器的应用 领域不断拓展，现在人们已将其逐步应用于多种物理量的测量，制成了各种传 感器。光纤光栅是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传 感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用。以光纤光栅为传感基元研制的新型传 感器，其感测过程可通过外界参量对光纤光栅中心波长或带宽的调制来实现， 波长调制（或波长编码）代表着新一代光传感器的发展方向。光纤光栅因具有制作 简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成 网络等诸多优点，近年来被广泛应用于光传感领域。2、光
3、纤传感器发展现状近20年来，世界范围内用于光纤通信和光纤传感器的资金正在不断增长。 与传统传感器相比，光纤传感器有一些独特的优点。它可以在强电磁干扰、高 温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的 优点使其用途广泛，例如能够组成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城 建监控、环境监测等方面。科学家已经提出了百种测量对象的几百种光纤传感 器，同时指出了乐观的市场前景。20 世纪末，只有少数光纤传感器在市场上出现，其原因主要是技术不够成熟、可靠性不高。另外，由于早期的光纤传感器是小批量生产，相对产品的价 格就比较高。近些年来，医学方面已经有很多种光纤传感器用于人体血液及血
4、压的测量， 其中大部分是在美国，其他的例如胆红素、PH值、尿素、辐射等医学测量光纤 传感器正在临床测试阶段，部分已经商品化。光纤传感器课应用于小型侵入诊 断，如光纤内诊镜和小型外科手术。除了长度调制的位移光纤传感器，工业制动化近程传感器和干涉陀螺仪也是 目前光纤传感器市场中比较重要的一类，它应用于航天瀚海、机器人工业、自 控汽车、深度钻探、发动机及军事方面。另一个例子是光纤测温度技术。在晶体材料中，不同的温度会引起荧光延迟 时间不同。基于这一原理制作的分点探测传感器广泛应用于工业与医药。把蓝 宝石传感器作为黑体，可以探测飞机引擎、气体涡轮机种2000C的高温，同时 具有高精度、宽动态范围的优点
5、。基于拉曼散射、光学背向散射技术的光纤传 感器系统，解决了在一根光纤中从1m到10km范围内温度分布测量的问题。这 种分布式传感器正应用于输油管、隧道、邮箱、钻孔、地下气体储藏等大型机 构的温度检测。如今，更多的光纤传感器在不断地商业化，比如压力应力传感器、液体流量 传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。目前，世界上有数百 家企业从事生产各类光纤传感器。3、光纤光栅的主要优点光纤光栅传感器的主要优点有：1. 全光纤无源器件，抗电磁干扰，可用于一些恶劣环境的测量；2. 与光纤兼容，传输损耗低，容易实现对被测信号的远距离检测；3. 为波长检测器件,感应光信号与传输线路损耗无关；4. 灵
6、敏度高，长期稳定性好；5. 耐腐蚀，可靠性高；6. 反应灵敏,可实时测量；7. 可级联使用,作分布测量。二、光纤光栅传感器原理光栅是一种具有周期性结构的光学器件（周期数目N,间距L）。他的主要功 能是将同一光源发出的光束分成N路。这N路光将经过不同的光程最后相遇， 产生干涉。比较两束光发生干涉，N路光的干涉将使干涉极大更加锐利，也就是 集中在一个更加窄的波长范围内。其强大也更大。N和L将决定干涉极大的位 置与强度。光纤光栅（FBG）传感器很明显，如果有效折射率和光栅周期间距得到改变， 反射的光波中心波长将出现偏移，从而可以观察到入。而事实上，如果一个 应力施加到光纤轴向，或者温度发生改变（热光
7、效应与热膨胀），有效折射率和光 栅周期间距都会发生变化，从而光纤光栅可以作为探测物理量变化的工具，实 现传感。光纤光栅一个很重要的特点就是可以利用波分复用技术将多个光纤光栅集 成到单根光纤中，目前的技术可以实现30个节点在同一光纤如果只用C波段进 行传输。A入的测量是光纤光栅传感器中最具挑战性的课题。因为光纤光栅只 会把一个相当窄波长范围的光进行反射（布拉格波长附近），自然的，对应的强度 会相当微弱，检测起来也很困难。特别的，光纤光栅传感器通常是集成到一个 网络中进行测量，同一根光纤中会有多个布拉格波长不同的光栅，造成不同频 率的反射波（通过波分复用技术同时传播）。这就要求相应的解复用和高速响
8、应的 解调设备。目前使用的技术有很多种，比如高分辨率光谱仪，应用光栅阵列波 导光栅，应用波长扫描光纤激光器等等。但是都各有其缺陷。很多情况下，一 些技术可以实现实时高精度测量，但是成本和系统复杂度将高很多。需要强调 的是FP滤波器同样也大量运用在FBG传感器的解调模块中。三、光纤光栅传感器种类光纤光栅传感器主要包括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
9、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。目前常用的封装方式主要有基片式、 管式和基于管式的两端夹持式。2光纤光栅温度传感器温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是工农业生产和科学实验中需 要经常测量和控制的主要参数，同时也是与人们日常生活密切相关的一个重要 物理量。目前，比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电 阻温度传感器。光纤温度传感与传统的传感器相比有很多优点，如灵敏度高， 体积小，耐腐蚀，抗电磁辐射，光路可弯曲，便于遥测等。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
10、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。同光纤光栅应变传感器一样，光纤光栅温度传感器 也需要进行封装，封装技术的主要作用是保护和增敏，人们希望光纤光栅能够 具有较强的机械强度和较长的寿命，与此同时，还希望能在光纤传感中通过适 当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏 度只有0.010 nm/C左右，这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量 10OC的温度范围波长变化仅为lnm。应用分辨率为lpm的解码仪
11、进行解调可获 得很高的温度分辨率，而如果因为设备的限制，采用分辨率为0. 06nm的光谱分 析仪进行测量，其分辨率仅为6度，远远不能满足实际测量的需要。目前常用 的封装方式有基片式、管式和聚合物封装方式等。3光纤光栅位移传感器研究人员开展了应用光纤光栅进行位移测量的研究，目前这些研究都是通 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:1996年，美国的Berkoff等人利用光纤光栅的压力效应设计了光纤光栅振 动加速度计。转换器由质量
12、板、基板和符合材料组成，质量板和基板都是 6mm 厚的铝板，基板作为刚性板起支撑作用，中间为8mm厚的复合材料夹在两铝板 中间起弹簧的作用。在质量块的惯性力作用下，埋在复合材料中的光纤光栅受 到横向力作用产生应变，从而导致光纤光栅的布拉格波长变化。采用非平衡 M-Z 干涉仪对光纤光栅的应变与加速度间的关系进行解调.1998 年, Todd采用双挠性 梁作为转换器设计了光栅加速度计。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
13、移动。这种传感器也在国内已经有 了商品化的产品。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。 并且各国相继开始光纤光栅油气井压力传感器的研究工作。除以上介绍的光纤光栅传感器外，光纤光栅研究人员和传感器设计人员基 于光纤光栅的传感原理，还设计出光纤光栅伸长计，光纤光栅曲率计，光纤光 栅湿度计，以及光纤光栅倾角仪，光纤光栅连通管等。此外，人们还通过光
14、纤 光栅应变传感器制成用于测量公路运输情况的运输计、用于测量公路施工过程 中沥青应变的应变计等。五、光纤光栅传感器发展趋势为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究 者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光 栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。 对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统 的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得 成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求， 应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱
15、等离子的光源 是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中 要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是 因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现 准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵 敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是 微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分 辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已 成为光栅传感实用解调技术中的
16、难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于 很好地进行传感器的复用实现分布式传感。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是：1）多用途。即用一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要做到能对多种 物理量进行同时分析。2）提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传 感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数对 光纤的影响。3）新型传感材料、传感技术的开发。4）在恶劣条件下（高温、高压、化学腐蚀）低成本传感器的开发和利用。5）光纤连接器及预期它微技术（机械、流态学等）结合的微光学技术。参考文献【1】何慧灵等.光纤传感器现状.激光与光电子学进展.2004.3. 3-（41）【2】甘维兵.光纤光栅传感器关键技术综述.传感器世界.2007.9【3】光纤传感器技术的概况及其特点.来自网络【4】张笑等.倾斜光纤光栅传感器研究进
