光纤光栅传感

光纤光栅传感器

随着光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）制作工艺的不断提高，特别是FBG自动化生产平台的建立，制作出高性能、低成本的可靠FBG已经成为可能。同时近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟，已经扩大了光纤布喇格光栅传感器的应用，并为智能传感这一新思路创造了的一个新的机遇。智能结构监测，智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海传感都需要高质量、低成本、稳定性好、传感特性精密的光学传感器，FBG传感器阵列由于其波长编码、可同时测量多个物理量（温度、应力、压力等）以及一路光纤上应用波分复用技术等自身的优点在上述领域已经得到了广泛关注。世界著名的油田设备服务商Schlumberger和Weather Ford，在过去的两年里，分别投资超过一个亿美元购买光纤布喇格光栅传感器技术，广泛应用于陆地油井和海上石油平台监控。同时，美国国家宇航局专门立项用此传感器对飞行器材料和结构进行优化。美国海军用此传感器进行对舰船潜艇结构进行监控，并在此基础上研究开发超灵敏的光纤布喇格光栅的声纳系统。目前国际国内都在为光纤光栅传感器的发展而努力，国际上已经基本实现了光纤光栅传感器的产业化和工程化，如MOI、CiDRA、Weatherford等，而国内主要集中在一些研究单位，如哈尔滨工业大学，南开大学及黑龙江大学等。MOI致力于光纤布喇格光栅传感器应用的产业化，并为提供相应的解决方案。

FBG传感器的原理

光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论， 的波长就被光纤光栅所反射回去（其中l_B为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率）。

                          图1 光纤光栅的结构

反射的中心波长信号l_B，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：

其中， 为光纤的热膨胀系数， 为光纤材料的热光系数，  为光纤材料的弹光系数。在1550nm窗口，中心波长的温度系数约为10.3pm/ ^oC，应变系数为1.209pm/με。如果将FBG封装在温度增敏材料中，可以提高它的温度系数灵敏度，进而得到更大的测量精度。

光纤布喇格光栅传感器的原理结构如下图2，包括：宽谱光源（如SLED或ASE）将有一定带宽的光通过环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过环行器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力。

FBG传感器的优势与存在问题

FBG传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势，主要包括： 

1．  可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响。

2．  测量精度高。精确的透射和反射特征（小误差）使其更加准确的反映了应力和温度的变化。

3．  单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大。

4．  传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。

5．  抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作。

有关FBG的一些术语

1．光敏性（photosensitivity）：在紫外光照射下，光纤的折射率随光强发生永久性变化的特

性（如锗、磷等）。

2．中心波长（Bragg wavelength）：FBG反射光谱中对应反射峰值的波长。

3．反射率（reflectivity）：FBG反射光谱中反射峰值的功率与入射光功率的比值。

4．带宽（width）：FBG反射光谱中峰值反射率下降3dB对应的波长范围。

5．啁啾（chirp）：是一种不均匀的调制形式。针对FBG，表示光栅周期不是均匀的，满足

一定的函数关系，这样可以增加光栅的反射带宽，产生时延。

6．切趾（apodization）：又叫变迹，就是使其中间最高两边逐渐为最小，其函数形式包括高

斯、余弦和帽形等等。

7．边模（side lobe）：FBG反射谱中两边存在许多次峰。

8．边模抑制比（side lobe suppression）：FBG主峰的反射率与最高的次峰的反射率的比值。

9．退火（anneal）：保持FBG在高温环境一段时间（150^oC，10小时），消除光纤光栅的一

些可变因素。

10．标准单模光纤（single mode fiber）：只能有一个模式在其中传输的光纤，其芯径为8-12μm。

主要应用于光传输，如G.652。

11．特种光纤（specific fiber）：制作光纤过程中在纤芯掺扎了一些特殊的元素，以提高光纤

的某些特性。例如掺B/Ge可以提高光纤的光敏性。

12．相位掩模板（phase mask）：带有周期性结构的硅片，其0级衍射被抑制（<3%），±1

级衍射最大（>90%）。

                         光纤光栅传感技术

    光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其制作方法如下图所示：

    BRAGG光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光（下图中Ii）通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光（下图中Ir），并沿原传输光纤返回；其余宽带光（下图中It）则直接透射过去。

具有如下特点：

  ◆多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，构成传感器阵列，实现多参量的准分布式实时测量
  ◆施工方便，潜在故障点大大低于传统技术，可维护性强
  ◆全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰
  ◆以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响
  ◆绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标
  ◆使用寿命长
  ◆光纤传输线路具有自愈功能，可靠性高。