光纤光栅传感器应用技术研究

摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论， 阐述了相应的系统设计方案，并对各种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。

关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM

1 引言

随着经济的发展，我国基础设施建设的规模不断加大，新建的高楼、道路、桥梁、大坝几乎遍地开花。对于这些建筑物健康状况的传感、测控成为一项重要课题。加拿大通信中心的Hill K O等人在1978年首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅( FBG)。使得光纤光栅传感器和传感技术成为科学研究和技术开发的热点。光纤光栅具有几个突出主要优点: 1)光的频率数量级为THz，其频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰; 2)信号采用波长编码，不受光源强度的起伏、光纤微弯损耗引起的随机起伏和耦合损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感；3)光纤光栅的材料是二氧化硅，具有较强的耐腐蚀能力；4)自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;芯径细且柔韧，易于布设; 5)易于实现大面积分布式测量。因此，光纤光栅传感器具有推动光纤光栅传感器进入前沿发展的潜力。

我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。因此，近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有以下几个方面：

1、对传感器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；

2、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；

3、对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。

4，开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如航空航天、航海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业及化学和环境等。

目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多, 但能够实际应用的解调产品并不多, 且价格较高。光纤光栅的信号解调，即波长微小移位的检测问题，是光纤光栅传感器能否实用化的关键。

2 光纤光栅传感原理

温度、应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变和压力信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。由耦合模理论可知，均匀的、非闪耀光纤Bragg光栅可将其传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长为（Bragg波长）： 式中为导模的有效折射率，为光栅周期。光纤光栅的Bragg波长是随和而变化的，因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为 。

2.1温度灵敏度

温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为 。

式中为光纤的热膨胀系数。Bragg波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系。

2.2 应变（力）灵敏度

应变（力）影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。

假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力引起光栅的栅距改变，即：

由应变引起的Bragg波长变化可表示为。

2.3 压力灵敏度

压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改变，即：

有效折射率的变化为：

其压力灵敏度为：

由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。

3 解调原理

3.1 匹配光栅解调原理

利用一个与传感光栅呈匹配关系的参考光栅，实现参考光栅对传感光栅信号的解调法如图一所示。输出信号的位相是与被测量成比例的载波。为了测出传感光栅的信号，测量时调谐参考光栅，通过测量最大反射功