*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器(FBG)是利用

Bragg波長對溫度、應力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。

光纖光柵工作原理λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率

n2芯層折射率

n1感光折射率

nλ1λ2…λn芯層包層+1級-1級紫外掩模寫入法相位掩模板1、光纖布喇格光柵原理光纖布喇格光柵的原理是由于光纖芯區折射率周期變化造成光纖波導條件的改變，導致一定波長的光波發生相應的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現奇異性，圖5.1表示了其折射率分布模型。整個光纖曝光區域的折射率分布可表示為：式中F(r,φ,z）為光致折射率變化函數，具有如下特性：式中a1

為光纖纖芯半徑；a2為光纖包層半徑，相應的n1為纖芯初始折射率；n2為包層折射率；△n(r,φ,z）為光致折射率變化；△nmax

為折射率最大變化量。因為制作光纖光柵時需要去掉包層，所以這里的n3一般指空氣折射率。之所以式中出現r和φ坐標項，是為了描述折射率分布在橫截面上的精細結構。為了給出F(r,φ,z）的一般形式，必須對引起這種折射率變化的光波場進行詳盡分析。目前采用的各類寫入方法中，紫外光波在光纖芯區沿徑向的光場能量分布大致可分為如下幾類：均勻正弦型、非均勻正弦型、均勻方波型和非均勻方波型。從目前的實際應用來看，非均勻性主要包括光柵周期及折射率調制沿Z軸的漸變性、折射率調制在橫截面上的非均勻分布等，它們分別可以采用對光柵傳播常數kg

修正——與Z相關的漸變函數φ(z)，以及采用△n(r）代表折射率調制來描述。為了更全面地描述光致折射率的變化函數，可以直接采用傅里葉級數的形式對折射率周期變化和準周期變化進行分解。基于這些考慮，可以采用下列一般性函數來描述光致折射率變化：式中Fo(r,φ,z）表示由于纖芯對紫外光的吸收作用而造成的光纖橫向截面曝光不均勻性，或其他因素造成的光柵軸向折射率調制不均勻性，并有Fo(r,φ,z）max＝l,這些不均勻性將會影響到傳輸光波的偏振及色散特性；kg＝2π／Λ為光柵的傳播常數；Λ為光柵周期；q為非正弦分布（如方波分布）時進行傅里葉展開得到的諧波階數，它將導致高階布喇格波長的反向耦合；aq為展開系數；φ(z)為表示周期非均勻性的漸變函數。正因為φ(z)的漸變性，我們可以將它看作一“準周期”函數。對包含有φ(z)的非正弦分布也進行了類似于周期函數的傅里葉展開可以得到光柵區的實際折射率分布為

該式即為光纖布喇格光柵的折射率調制函數，它給出了光纖光柵的理論模型，是分析光纖光柵特性的基礎。2、光纖布喇格光柵傳感原理

光纖光柵纖芯中的折射率調制周期由下式給出：這里λUV是紫外光源波長，θ是兩相干光束之間的夾角。由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產生影響。因此，如果寬帶光波在光柵中傳播時，入射光能在相應的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，光纖光柵就起到反射鏡的作用。這類調諧波長反射現象首先是由威廉?布喇格爵士給出解釋的，因而這種光纖光柵被稱為布喇格光纖光柵，其反射條件被稱為布喇格條件。在Bragg光柵中，反射的中心波長由下式確定：

其中neff

是光纖芯區有效折射率。Λ是光纖光柵的柵距即周期。只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。對上式取微分可得：

從式中可以看出，當外界的應力發生改變時，將會導致光纖光柵的Λ或者neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應力的變化。紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級-1級光纖光柵的柵距Λ可通過改變寫入光柵的兩相干紫外光束的相對角度得到調整，從而可以制作出不同反射波長的Bragg光柵。光纖光柵應變傳感器的基本原理是：當光柵周圍的應力或者應變發生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率發生變化，從而產生光柵Bragg信號的波長位移△λ，通過監測Bragg波長位移情況，即可獲得柵周圍的應力或者應變變化情況。由外界應力引起光纖光柵軸向應變和折射率變化造成光柵布拉格反射波長移動，由下式給出：這里λB是光柵布拉格反射波長，△λB為在外界應力作用下光柵布拉格反射波長移動量，ε是光纖軸向應變，可表示為：在實際應用中，ε是個很小的量，為此引入應變量的10-6，με作為光纖光柵度量單位。FBG所具有的多傳感器復用能力，使它在準分布測量、多參數組合測量等方面顯現了非常誘人的前景，因而在復合材料固化監控、大型土建結構內部應變分布及大型電力設備內部溫度分布狀態監控等方面具有廣泛的應用前景。

光連接器調制解調器顯示儀表計算機使用現場控制室內傳輸光纜連接光纜FBG探頭光纖光柵監測報警系統結構示意圖3、光纖布喇格光柵解調原理光纖布喇格光柵的解調有多種方法，下面介紹匹配光纖光柵解調法。匹配光纖光柵檢測信號的基本原理如下圖所示，其中左圖為傳感光柵與解調光柵的配置，右圖為兩光柵的反射譜及檢測到的信號．選用一個與傳感光纖光柵FBG1

參數相近的光纖光柵FBG2（匹配光柵）作為檢測光柵，使兩個光柵的反射譜部分重疊，即設置合適的偏置．傳感光纖光柵的輸出信號為檢測光纖光柵的輸入信號。輸出信號、輸入信號都隱含在光纖光柵的反射譜和透射譜中。

當傳感光纖光柵受到應變的微擾時，其輸出的反射譜在一定范圍內漂移，如左圖所示；解調光柵的反射譜是相對固定的，傳感光柵的輸出反射譜輸入給解調光柵時，只有與兩光柵的反射譜重疊部分相對應的范圍內的光波才可能被反射，而重疊部分的面積與反射譜的光強度成正比．

當兩光柵反射譜重疊面積較大時，探測器探測到的光信號較大，反之則較小，即檢測器檢測到的光強是檢測光纖光柵FBG1和匹配光纖光柵FBG2兩個光譜函數的卷積。隨著FBG1上的微擾，在FBG2的反射譜中可檢測到相對應的一定光強度的光信號。

F-P腔波長濾波解調原理法布里—珀羅腔(F-P腔)的光學原理是多光束干涉，在一定波長范圍內，若以平行光入射到F-P腔,則只有滿足相干條件的某些特定波長產生相干極大，原理如圖1所示,由于光的入射產生了多個反射光束1，2，3，..和多個透射光束，，..，其透射光強:

其中δ為相鄰兩光束相位差

當相位差δ=2kπ(k=1,2,3...)時，入射光完全透射，透射光最強。因此解調裝置多采用調諧腔長的方法，在透射光強達到最大值時可求出入射波長。

調制解調器工作原理簡圖光纖光柵分布傳感技術是先進傳感技術發展的新階段，它滿足了現代結構監測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求。

光纖光柵不僅具有光纖的小巧、柔軟、抗干擾能力強、集傳感與傳輸于一體、易于制作和埋入等優點，而且光柵具有波長分離能力強、對環境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度極高、能絕對數字測量和精確定位的優點。

特別是它可實現分布傳感，即在一根光纖上根據應用要求刻寫多個不同布喇格波長的光柵，在光纖一端實現所有光柵信號的檢測；同時能進一步集合成分布傳感網絡系統，可廣泛應用于對工程結構的應力、應變、溫度等參數以及內部裂縫、變形等參數的實時在線、分布式檢測。目前，應用光纖光柵傳感器最多的領域當數橋梁的安全監測。加拿大卡爾加里附近的BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一（1993年），16個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結構進行長期監測，這在以前被認為是不可能的。1999年夏，在美國新墨西哥LasCruces10號周濟高速公路的一座鋼結構橋梁上，安裝了120個光纖光柵傳感器，創造了當時在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的記錄。這座橋梁于1970年建成，現在已經出現了許多疲勞裂紋。這套光纖光柵傳感系統不僅可以對標準車輛進行探測和計數，而且可以測量車輛的速度和重量，有了此系統，就能監視動態荷載引起的結構響應、退化和損壞，了解橋梁對交通響應的長期變化。

美國巴特勒縣建造的全復合材料橋梁埋入了光纖光柵應變傳感器，可有規律的監視橋梁的荷載響應和長期性能。佛蒙特大學用光纖光柵傳感器監測沃特伯里佛蒙特鋼構架大橋。俄勒岡哥倫比亞河谷的Horsetailfall橋也安裝了28個光纖光柵傳感器來監視橋梁結構情況。德國德累斯頓附近的預應力混凝土橋、比利時跟特環城運河預應力混凝土橋梁、瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架橋、瑞士溫特圖爾的Storck橋、加拿大溫尼伯湖附近的Taylor橋都使用了光纖光柵傳感器進行監測。武漢理工大學光纖中心作為國家唯一的光纖傳感技術工業試驗基地，依托在國內技術領先的優勢和本校在工程結構、光電子學、信息科學、材料科學等領域的多學科優勢，以結構工程監測技術為突破口，以工程應用為根本，從九十年代初期在國內率先開展了研究，取得了一系列的研究成果，成功地開發出多種光纖傳感監測系統。1.

深圳市民中心大廈光纖光柵智能健康監測系統；2.

襄樊漢江四橋錨索光纖光柵應力監測系統；3.

寶鋼一煉鋼廠吊車行架光纖光柵應力分布測量系統；4.

巴東長江大橋雙塔光纖光柵和應力施工監測系統長期智能健康監測系統；5.

海口世紀大橋光纖光柵長期健康監測系統；6.

貴陽冷飯盒大橋光纖光柵預應力施工監控系統及長期智能健康系統。SYG—E光纖光柵解調實驗儀

1概述SYG—E光纖光柵實驗儀是用于光纖光柵解調實驗的專用儀器。該實驗儀外接不同的光柵傳感探頭就可以進行不同的光柵解調實驗，例如當它外接光柵測溫探頭時可以進行光柵溫度實驗，外接光柵應力探頭時可進行光柵應力實驗。2工作原理本實驗儀的結構框圖如下所示，從寬帶光源發出的光經禍合器傳送到FBG傳感器。FBG傳感器反射回的光經過耦合器引入到可調諧F—P腔中。通過調節螺旋測距儀，使透過F—P腔的光的波長發生改變。若F—P腔的透射波長與FBG的反射波長重合，則探測器能探測到最大光強，根據此刻的螺旋測距儀的讀數，通過查找“刻度一波長對照表”，就可得到被測光柵的中心波長。

SYG—E光纖光柵實驗儀結構框圖

波長調節部分的核心為一個可調諧的法布里—泊羅腔（F—P腔）。兩個光纖的端面和中間的空氣可以構成一個F—P腔，當一定波長范圍的光平行入射到F—P腔時，只有滿足相干條件的某些特定波長的光才能發生干涉，產生相干極大。利用F—P腔的這個特性可以對FBG傳感器的反射波長進行檢測。兩光纖的端面間的距離可調時該F—P腔構成一個可調諧的F—P腔，反射波長可變。(1）操作步驟

將電源線接好，開啟電源開關；接土用于溫度或應力實驗的光纖光柵接頭，并且將探頭放入被測介質中；從大到小調節波長旋鈕，注意觀察實驗儀面板顯示的數值；當出現了光強讀數增加又減小的趨勢時，表示出現一個最大值，精確調節至該最大值，記下此時的調節旋鈕刻度；根據“刻度一波長對照表”查出相應的波長值，得到外接光纖光柵的中心波長；撰寫實驗報告，繪制光強、刻度、波長關系曲線。(3）注意事項1．若外接的被測光柵由于外界因素（例如溫度或者應力）的變化導致被測光柵的中心波長發生變化后，重新測量時會發現此時相應的刻度也會發生變化；2．順時針調節旋鈕，則向內推進；逆時針調節旋鈕則向外推出。當向外調節到擰不動時表示已經到達最大范圍，不可強擰。旋鈕的最大可調范圍為lmm—12mm，如果再繼續強行旋轉則會損壞內部元件；3．實驗完畢之后要將旋鈕置于刻度為6mm或之后，以延長儀器的使用壽命。4．有時調節過程中會出現數個峰值，表示被測光柵有數個中心波長。如果在整個調節過程中均沒有出現峰值，則說明被測量光柵的中心波長不在該儀器的調節范圍內，必須重新選擇被測光柵；5．每臺儀器相對應不同的“刻度一波長對照表”，必須注意對照表的編號是否與儀器的編號一致。實驗中各參數之間的關系實驗進行期間會遇到三個數值，這二個數值的關系如圖所示。其中光強值（即面板顯示的讀數）只起參考作用，當光強最大值出現時所對應的螺旋測距儀的刻度才是實驗中所關心的數值，而光強值本身并不重要。通