光纤光栅传感技术

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。随后，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。


一、光纤光栅定义及分类

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，其作用的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。这些器件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，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅(chirp光栅)。

下面简单介绍几种光纤光栅：

1、均匀光纤光栅

均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

2、均匀周期光纤光栅

均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。

3、切趾光纤光栅

对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾，所谓切趾就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。

4、相移光纤光栅

相移光纤光栅是由多段m（M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。

5、取样光纤光栅

取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件

可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

6、chirped

所谓chirped光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散补偿器。

二、光纤光栅传感器

光纤光栅的三大用途包括对光线的控制、合成和路由，在光纤技术、光纤通信及光纤传感等高技术领域中有极其广泛的应用。

光纤光栅传感器的工作原理

光栅的Bragg波长λB由下式决定:

   λB = 2nΛ                                 (1-1)

式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。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。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料)，还可实现对电场等物理量的间接测量。下面简单介绍两种不同光纤光栅传感器的工作原理：

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。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。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△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn／dT),仅影响重心的位置。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、长周期光纤光栅传感器工作原理

长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=(n0-niclad)·Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i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，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，LPG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△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。

三、光纤光栅的优势

与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点:

1、传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好;

2、与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;

3、具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作;

4、轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感;

5、测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力;

6、高灵敏度、高分辩力。

正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。

光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。

四、光纤光栅传感器的应用领域

由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。

1、光栅传感器在航空航天及船舶中的应用

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/(Hz)1/2的动态应变测量。

另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、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。

2、光栅传感器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。

3、光栅传感器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，这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。

近年来，因冰雨导致的输电线路杆塔的损坏时有发生。为了监测输电杆塔的倾斜状态，常用的方法是用GSM杆塔仪将传感器检测到的杆塔倾斜信息发送给管理人员和监控计算机，在计算机内进行数据处理，并根据具体的数据处理结果发出报警信息；另一种方法是将电阻应变片直接贴在输电杆塔的结构件上，直接进行监测。这2种方法在应用时，都受到一些因素的限制，给监测工作带来不利的影响。

近几年，光纤传感器的工程应用研究迅速发展。其中，光纤光栅传感器是用光纤布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量。通过光纤光栅传感器的应力变化数据可以反映出杆塔的倾斜状态，将这种方法应用在杆塔的倾斜状态监测中会有很大的优势。

使用光纤布拉格光栅这一光纤传感技术来实现输电线杆塔倾斜状态监测时，利用光纤布拉格光栅上应力变化引起的波长位移信息，得到光栅所感应到的应力变化信息，从而对应得到杆塔的倾斜状态信息，实现对杆塔倾斜状态的监测。

4、光栅传感器在医学中的应用

医学中用的传感器多为电子传感器，它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、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致错误读数。

近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手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。

5、光栅传感器在我国高铁运行安全技术中的应用

我们平时搭乘列车，有时会觉得震动很大，乘车不舒服，这就是列车车轮出现了扁疤或者多边形。扁疤虽然只有几微米，但因为高铁运行速度快，却会对高铁产生极大震动。而传感器的作用，就是发现列车哪些地方出现了扁疤。

所谓光纤光栅监测系统，其实就是将碳纤维拉成光纤，再刻成光栅以安装在列车和铁轨上的传感器。光栅接收到激光信号后，会有反射波长，根据列车不同位置光栅反射回的波长情况，就可实时监测列车安全。

高铁线路复杂多样，放置传感器成为了一个大问题。光纤传感器的高明之处就在于利用铁轨监测列车，即在铁轨的某一小段放置传感器，只要保证传感器铺放长度稍大于一个车轮周长，就能将所有经过这一段的列车车轮全部监测一次。同理，也可利用在车轮上放置传感器监测铁轨。

对于光纤光栅传感器的优势，一方面，传统的传感器使用电信号会受到火车及铁轨产生的电磁信号干扰，而光纤则不存在这个问题；另一方面，中心研发的传感器质量小，可直接安装在高铁上，并不影响列车正常运行。

6、光栅传感器在数控机床上的应用

光栅传感器作为数控机床直线轴的位置检测元件，相当于人的“眼睛”，就是“监视”该直线轴在执行数控系统的移动指令后，该直线轴是否真正准确地运行到数控系统指令所要求的位置。

如果数控机床没有安装光栅传感器，当数控系统发出直线轴的移动指令后，直线轴能否到达数控系统要求的位置，完全依靠数控系统调试的精度和机械传动精度来保障。

数控机床使用一段时间后，由于电气调试参数的修改和机械误差的加大等原因，该直线轴很可能和数控系统指令所要求的位置相差很多，这时候数控系统根本不知道，维修和操作机床的人员也不知道，要想知道这个差距，维修人员就要对机床进行精度检测。

所以数控机床没有安装光栅传感器，就要定期对机床的精度进行检查，一不小心，一旦忘记检测数控机床的精度，很可能导致加工的产品精度超差甚至报废。

如果数控机床的直线轴安装了光栅传感器，上述问题就不用人来操心了，由光栅传感器来完成这个使命。

如果该直线轴由于机械等原因没有准确到达该位置，光栅传感器作为位置检测元件，会向数控系统发出指令，使该直线轴能够到达比较准确的位置，直到光栅传感器的分辨率分辨不出来。

这时的光栅传感器充当了独立于机床之外的监督功能，象人的眼睛一样，一直“监视”着直线轴的位置，保证了直线轴能够达到数控系统要求的位置。

总的来说，光栅传感器已成为当前光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造技术的进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断涌现，光纤光栅传感器在传感器领域中已经处于越来越重要的地位。在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、电力工业、石油化工工业、医学、核工业等有非常广泛的应用。许多具有发展潜力和市场前景的可实用化技术研究都在进行当中，这些技术的成熟，将会给国民经济建设带来巨大的推动。

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