光纤光栅传感器原理与应用及其发展趋势

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摘要：本文介绍了光纤光栅传感器原理、种类以及系统组成, 并对其应用和发展趋势进行了探讨。
6 s6 z3 C- f. c$ F9 H& w2 D关键词：光纤光栅传感器；原理；系统；应用；发展趋势。
1.引言

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0 U; f$ J5 ], X. U1 t. _  U" R 1978年加拿大渥太华通信研究中心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。1989年, 美国联合技术研究中心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。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低, 适于在高温、腐蚀性等环境中使用等优点外, 还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势, 已成为当前传感器的研究热点。
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2.光纤光栅传感器的种类
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# e5 d5 W" ^$ z8 ^ 光纤光栅主要分两大类: 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) 。
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$ W( S9 i1 E$ Z& w4 M2 U+ t0 } 3.光纤光栅传感器基本原理
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6 J4 Q: V0 N  y* K" w( |( k2 ]) a 光栅Bragg 条件: λB
= 2nΛ

- D  @- H1 t7 g* M: } 式中:λB ---Bragg 波长;
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n ---光栅的有效折射率,即折射率调制幅度大小的平均效应;
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Λ---光栅周期,即折射率调制的空间周期。

( d7 q. v3 G( v3 z( O" b4 ` 当光波传输通过FBG时,满足Bragg 条件的光波将被反射回来,这样入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率n 和光栅周期Λ,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移,测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的变化.
3 j" w0 z% y; x" n9 Y8 O. v+ P
0 k' f( O% H. z 在只考虑光纤受到轴向应力的情况下,应力对光纤光栅的影响主要体现在两方面:弹光效应使折射率改变,应变效应使光栅周期改变。温度变化对光纤光栅的影响也主要体现在两方面:热光效应使折射率改变,热膨胀效应使光栅周期改变。当同时考虑应变与温度时,弹光效应与热光效应共同引起折射率的改变,应变和热膨胀共同引起光栅周期的改变。假设应变和温度分别引起Bragg 波长的变化是相互独立的,则两者同时变化时,Bragg 波长的变化可以表示为:

ΔλB
4 j% O; U  @& o) z( g6 C4 R/λB= (1 - P)ε+ ( a +ζ)ΔT
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, ]- O* m$ Y2 G1 ^/ X* j 式中:
P ---弹光系数;

  i2 x; w; U, N, M ε---轴向应变导致的光栅周期变化;
+ r1 b, r; l* O# }" s  e6 a
a ---热胀系数;

& v$ F3 D: [- e$ W: o ζ---热光系数;

ΔT ---温度的变化量。
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理论上只要测到两组波长变化量就可同时计算出应变和温度的变化量。对于其他的一些物理量,如加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等,都可以设法转换成温度或应力的变化,从而实现测量。

4. 光纤光栅传感器系统组成
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光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量, 光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息, 外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。

8 U6 \( c/ c, D: P+ G$ E 4.1 光源

4 I6 ]9 P5 Y$ d6 S, [9 u 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中, 由于传感量是对波长编码, 光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性, 以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED, LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。其中掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源被研究最广泛的是掺铒光源, 也是应用的重点。
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4.2 光纤光栅传感器
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# e7 U2 v. h6 I( L' r# Q. z2 N" q4 W 光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感, 即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动, 使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此, 解决交叉敏感问题, 实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器, 通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数, 利用2个二元一次方程解出温度与应变。

4.3 信号解调
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, `5 u# ^* L: ~2 k* E% W% P 在光纤光栅传感系统中, 信号解调一部分为光信号处理, 完成光信号波长信息到电参量的转换; 另一部分为电信号处理, 完成对电参量的运算处理, 提取外界信息,并以人们熟悉的方式显示出来。其中, 光信号处理, 即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。
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4 z; n! P. |8 f4 T9 {: N 5．光纤光栅传感器应用

9 r0 x) O/ j3 _/ @! M 以光纤光栅为传感元件,经过特殊的封装之后,加上光源、解调装置和相应的光学配件就构成了光纤光栅传感器。除了由光纤的本征属性所带来的优点,如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰等,光纤光栅传感器还具有很多独特的优势,如传感器尺寸小,易于埋入结构中,复用性好,易于组成网络,实现准分布式测量,灵敏度高,响应速度快,传输距离远,测量信息是波长编码的绝对测量,不受光源的光强波动、光纤连接和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,这些使得FBG传感器成为理想的传感器,并在航空航天航海等军事领域及大型土木工程、电力、医疗等民用领域得到了广泛的应用。

①土木工程: 如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监控。
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②航天工业: 如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的监测。

③船舶航运业: 如船舶的损伤评估及早期报警。
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* M+ Y' E- a2 e7 \7 [7 l7 y ④电力工业: 由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响, 所以特别适合于电力系统中的温度监控。

( y$ f3 Z) h" N( \: a8 D  A ⑤石油化学工业: 光纤光栅本质安全, 特别适合于石化厂、油田中的温度、液位等的监控。

⑥核工业中的应用: 监视废料站的情况, 监测反应堆建筑的情况等。
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⑦光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识别系统等
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6.光纤光栅传感器发展趋势

目前光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面:一是对传感器本身及能进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨力、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究;二是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究, 目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术;三是光纤光栅传感器的实际应用研究, 包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。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研究, 使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从光源、光纤光栅传感器及信号解调三方面考虑。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。