1、光纖光柵傳感器研究應用簡介交通運輸學院 運輸1001 壽濤 10251016 內容提要：作為現代傳感技術的重要分支，光纖傳感技術在許多領域具有替代傳統傳感器、彌補傳感領域空白的先天優勢。本文關注著光柵，以光纖光柵傳感器為核心，了解光纖光柵的歷史，工作原理，有選擇地介紹了光纖光柵傳感的兩項核心技術（網絡技術和封裝技術）中的網絡技術；同時關注著光纖光柵傳感器的應用以及前景，內容覆蓋了光纖光柵傳感領域的方方面面，特別是對傳感器的討論細致、深入，并列舉了大量的應用設計實例。對學科最新技術和進展的介紹全面、貼近工程應用實際。關鍵詞： 光纖傳感器 光纖光柵 分類 原理 技術 研究方向應用光纖傳感器是20世

2、紀70年代中期發展起來的新型傳感器，與常規的各類傳感器相比有很多優點。光纖傳感器原理:研究光在調制區內,外界信號與光的相互作用,即研究光被外界參數的調制原理，外界信號可能引起光的強度,波長,頻率,相位,偏振態等光學性質的變化,從而形成不同的調制。光纖光柵傳感器是光纖傳感器的一種，單是單純的光纖傳感器是分布式測量，不支持實時測量，光纖光柵傳感器是多點測量，支持實時測量，光纖光柵傳感器是利用光纖光柵的形變導致的光波波長位移來測應力應變溫度等等，而光纖傳感器是利用光波被外界環境調制引起參數變化，比如光強、波長、頻率、相位等。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，其應用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到

3、光計算和光信息處理的整個領域都將由于光纖光柵的實用化而發生革命性的變化，光纖光柵技術是光纖技術中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術之后的又一重大技術突破。1、光纖光柵的歷史淵源1978年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏效應，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美國聯合技術研究中心的G·Meltz等人實現了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側面寫入技術，使光纖光柵的制作技術實現了突破性進展。1993年，K.O.Hill等人利用紫外激光通過相位模板后的+1級衍射光相干形成的周期性明暗條紋對光纖曝光，制

4、作光纖光柵，提出了相位掩模成柵技術。同年，P.J.Lemaire等人提出了一種簡單而有效的光纖敏化技術。自此光纖光柵器件逐步走向實用化，也在世界各地掀起了光纖光柵技術及其應用的研究熱潮。2、光纖光柵傳感系統的優勢 同傳統的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網絡應用中具有非常明顯的技術優勢： （1）可靠性好、穩定性高。 （2）傳感部分是全光纖結構，沒有任何電壓、電流信號，防靜電、無火花、耐腐蝕。 （3）測量精度高、不受強電磁信號影響。 （4）單路光纖上可以串聯成多個光纖傳感器，測量點數多，傳輸距離遠。 （5）支持無人值守監測站應用。 （6）系統集成度高，可與局域網、廣域網以及MIS系統方便連接，

5、方便管理。 （7分布式測量，耐久性好。 （8）實時性好，24小時不斷監測，不受人為因素的影響，將人為事故降至最低。3、 光纖光柵-基本分類 3.1光纖光柵按其空間周期和折射率系數分布特性可分為：均勻周期光纖布喇格光柵啁啾光柵閃耀光柵長周期光柵相移光柵。此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結構光柵等。3.2根據光纖光柵的成柵機理來分可分為三種：型、A型和型。 型光柵：即最常見的光柵，可成柵在任何類型的光敏光纖上A型光柵：成柵于高摻鍺（15mol）光敏光纖或硼鍺共摻光敏光纖上，曝光時間較長。成柵機理于型不同。型光柵：由單個高能量光脈沖（大于0.5J/cm2）曝光形成。

6、原理光柵測量的基本原理4、光纖光柵傳感器的工作原理我們知道，光柵的Bragg波長lB由下式決定：lB=2nL 式中，n芯模有效折射率；L光柵周期。當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其它物理量發生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發生變化，從而使反射光的波長發生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現對磁場的直接測量。4.1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理上面介紹的光柵傳感器系統，光柵的幾何結構是均勻的，對單參數的定點測量很有效，但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。

7、此時，采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個不錯的選擇。啁啾光纖光柵傳感器的工作原理圖啁啾光纖光柵由于其優異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會發生變化。這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應變的影響，啁啾光纖光柵反射信號會拓寬，峰值波長也會發生位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dndT)，僅會影響重心的位置。因此通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。4.2 長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認為有

8、數百微米，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進包層，其公式如下：li=(n0-niclad)·L (2) 式中，n0纖芯的折射率；nicladi階軸對稱包層模的有效折射率。LPG在給定波長上共振帶的響應通常有不同的幅度，因而適用于構建多參數傳感器。光纖光柵傳感器根據應用又可分為光纖光柵應變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。（1）光纖光柵應變傳感器此種傳感器是在工程領域中應用最廣泛，技術最成熟的光纖傳感器。應變直接影響光纖光柵的波長漂移，在工作環境較好或是待測結構要求精小傳感器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應變傳感器直接粘貼在待測結構的表面或者是埋設在結構的內部

9、。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝后才能使用。 (2)光纖光柵溫度傳感器基于光纖光柵技術的溫度傳感器，采用波長編碼技術，消除了光源功率波動及系統損耗的影響，適用于長期監測;而且多個光纖光柵組成的溫度傳感系統，采用一根光纜，可實現準分布式測量。 溫度也是直接影響光纖光柵波長變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應用。 (3)光纖光柵位移傳感器光纖光柵位移傳感器研究都是通過測量懸臂梁表面的應變，然后通過計算求得懸臂梁垂直變形，即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器，目前這種傳感器在實際工程已取得了應用，國內亦具有商

10、品化產品。 (4)光纖光柵加速度計:加速度傳感器由兩個矩形梁和一個質量塊組成，質量塊通過點接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個矩形梁的下表面。在傳感器受到振動時，在慣性力的作用下，質量塊帶動兩個矩形梁振動使其產生應變，傳遞給光纖光柵引起波長移動。 (5)光纖光柵壓力傳感器對拉力或壓力的監測也是監測的一部分重要內容，如橋梁結構的拉索的整體索力、高緯度海洋平臺的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進萍等人相繼開發出了光纖光柵拉索壓力環和光纖光柵冰壓力傳感器，英國海軍研究中心開發了光纖光柵土壤壓力傳感器，用以監測公路內部的荷載情況。4.3光纖光柵的核心技術是光纖光柵傳感網絡 光纖光柵

11、傳感網絡是集信號傳感和傳輸雙重作用于一體的網絡結構形式，多個傳感器需要按照一定的網絡拓撲結構組合在一起，并通過同一個光電終端來控制和協調工作，從而實現多個傳感信號的探測、識別和解調的功能。典型的光纖光柵傳感網絡結構如圖所示，其基本功能部分可概括為：光發射和接收終端，傳輸線路，傳感器陣列和信號處理系統四個部分。 從寬譜光源或者連續掃描激光器出射的光經由光耦合器或光開關后分別到達相應通道的光纖光柵傳感器陣列。由于光纖光柵是以波長編碼的方式實現傳感測量，因此在傳感網絡中可以采用光開關切換各個通道，互相并無串擾。各個通道可以采用相同波長的光纖光柵傳感器陣列，從而有效的利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的

12、波長信號經過耦合器和可調諧掃描濾波器后被光電探測器接收。當傳感器陣列中某個傳感器所處的環境（如溫度場、應變場等）發生改變時，該傳感器的中心波長就會發生漂移（一般為線性變化）；這種波長的微小漂移被探測、采樣并將采樣數據送到信號處理模塊進行計算分析，從而得到傳感器的相關參量和相應的溫度或應力的測量結果。 用于信號解調的光源、濾波器、探測器和信號處理與控制模塊以及其它的相關光路元件通常集成在一個設備里，稱做光纖光柵傳感網絡分析儀。5、光纖光柵傳感器的應用光纖光柵傳感系統應用十分廣泛，并且特別適合于惡劣或特殊的環境中。它的主要應用范圍如下： 1、 民用工程：如橋梁、大壩、岸堤、大型鋼結構、建筑等的健康

13、安全（比如對橋梁的變形、溫度、載荷、使用壽命、結構損傷等）監控，2、航空航天工業：如飛機上壓力、溫度、振動、燃料液位等指標的監測 。3、船舶航運業：如船舶的損傷評估及早期報警 4、石油化學工業：光纖光柵本質安全，特別適合于石化廠、油田中的溫度、液位等的監控 5、核工業中的應用：監視廢料站的情況，監測反應堆建筑的情況等6、電力工業中的應用：電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。7、球動力學中的應用在地震檢測等地球動力學領域中：主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學地震儀使用等方面。 8、在醫學中的應用：醫學中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內科手術是不適用的，尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應，這樣會導致錯誤讀數。近年來，使用高頻電流、微波輻射和激光進行熱療以代替外科手術越來越受到醫學界的關注，而且傳感器的小尺寸在醫學應用中是非常重要的，因為小的尺寸對人體組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳 2011年10月28日 星期五 參考文獻：1金秀梅.光纖光柵傳感測試關鍵技術研究及其在預應力筋中的應用D.2006.2張昕明 余有龍 朱勇光纖光柵傳感系統信號