中心議題：

• 探究光纖光柵傳感器的研究與應用

解決方案：

• 采用雙參量矩陣法和溫度參考光柵法
• 采用溫度(應力)補償法和光強測溫法

近年來。隨著光纖通信技術向著超高速
、大容量通信係統的方向發展，以及逐步向全光網絡的演進．在(zai)光(guang)通(tong)信(xin)迅(xun)猛(meng)發(fa)展(zhan)的(de)帶(dai)動(dong)下(xia)，光(guang)纖(xian)光(guang)柵(zha)已(yi)成(cheng)為(wei)發(fa)展(zhan)最(zui)為(wei)迅(xun)速(su)的(de)光(guang)纖(xian)無(wu)光(guang)源(yuan)器(qi)件(jian)之(zhi)一(yi)。光(guang)纖(xian)在(zai)紫(zi)外(wai)光(guang)強(qiang)激(ji)光(guang)照(zhao)射(she)下(xia)
，利(li)用(yong)光(guang)纖(xian)纖(xian)芯(xin)的(de)光(guang)敏(min)感(gan)特(te)性(xing)．光guang纖xian的de折zhe射she率lv將jiang隨sui光guang強qiang的de空kong間jian分fen布bu發fa生sheng相xiang應ying的de變bian化hua。這zhe樣yang，在zai光guang纖xian軸zhou向xiang上shang就jiu會hui形xing成cheng周zhou期qi性xing的de折zhe射she率lv波bo動dong
，即ji為wei光guang纖xian光guang柵zha。由you於yu光guang纖xian光guang柵zha具ju有you高gao靈ling敏min度du、低損耗、易製作、性能穩定可靠、易與係統及其它光纖器件連接等優點，因而在光通信

、光纖傳感等領域得到了廣泛應用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發，綜述了光纖布拉格光柵對溫度、應變同時測量技術的應用。

1 光纖傳感器的工作原理

1．1 光纖光柵傳感器的結構

光纖布拉格光柵FBG於1978年發明問世。它利用矽光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內，從而在光纖上形成周期性的光柵
，故稱為光纖光柵。圖l所示是其光纖光柵傳感器的典型結構。

在圖1所示的光纖光柵傳感器結構中，光源為寬譜光源且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號良好的信噪比。一般選用側麵發光二極管ELED的原因是其耦合進單模光纖的光功率至少為50～100 μW。而當被測溫度或壓力加在光纖光柵上時。由光纖光柵反射回的光信號可通過3 dB光纖定向耦合器送到波長鑒別器或波長分析器，然後通過光探測器進行光電轉換，最後由計算機進行分析、儲存，並按用戶規定的格式在計算機上顯示出被測量的大小。

光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部優點外．還具有在一根光纖內集成多個傳感器複用的特點
，並可實現多點測量功能。

1．2 光纖布拉格光柵原理

光纖布拉格光柵通常滿足布拉格條件


式中，λB為Bragg波長
，n為有效折射率

，A為光柵周期。

當作用於光纖光柵的被測物理量(如溫度、應力等)發生變化時
，會引起n和A的相應改變，從而導致λB的漂移；反過來，通過檢測λB的漂移。也可得知被測物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應力的準分布式測量上。溫度和應力的變化所引起的λB漂移可表示為：


式中，ε為應力
，P[i
，j]為光壓係數，v為橫向變型係數(泊鬆比)
，α為熱脹係數
，△T為溫度變化量。一般情況下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因子的典型值為0．22，可以推導出常溫和常應力條件下的FBG溫度和應力相應條件值為：


利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實現對磁場的直接測量。如通過在光柵上塗敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實現對電場等物理量的間接測量。
[page]
1．3 長周期光纖光柵

長周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大於100μm
，是繼FBG之(zhi)後(hou)光(guang)纖(xian)光(guang)柵(zha)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)另(ling)一(yi)分(fen)支(zhi)。長(chang)周(zhou)期(qi)光(guang)柵(zha)的(de)透(tou)射(she)峰(feng)波(bo)長(chang)主(zhu)要(yao)與(yu)光(guang)柵(zha)的(de)柵(zha)格(ge)周(zhou)期(qi)以(yi)及(ji)纖(xian)芯(xin)和(he)包(bao)層(ceng)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)有(you)關(guan)，其(qi)相(xiang)位(wei)匹(pi)配(pei)條(tiao)件(jian)可(ke)表(biao)示(shi)為(wei)：


式中。Λ為光柵周期，*****分別為纖芯和包層的折射率。*****為第P階包層模的透射波長。當光纖包層模與外界環境相互作用時，被測因素的變化將對光纖的傳輸特性進行調製，從而使LPG的透射譜特性發生變化。這樣

，探測出LPG透射譜線的變化，即可推知被測變量的變化
，這就是LPG傳感的基本原理。

1．4 分布式光纖光柵傳感係統

目前
，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外
，分布式光纖傳感係統也是一個重要的研究重點。分布式FBG傳感係統是在一根光纖中串接多個FBG傳感器，每個光柵的工作波長相互分開，在經過3 dB耦合器取出反射後，再用波長探測解調係統同時對多個光柵的波長偏移進行測量，從而檢測出相應被測量的大小和空間分布。

分布式光纖傳感係統是一種傳感器網絡，它可以從整體上對被測對象的有關物理量的變化時間、位置進行監控。通過對分布式光纖傳感器、執行結構、信號處理係統
、傳輸係統和控製係統的結合，可形成一個智能結構。目前，分布式光纖傳感係統通常有拉曼型、布裏淵型和FBG型三種類型。

2 溫度和應變交叉敏感分離技術

實現應變和溫度同時測量的方案很多，但是從原理上分析
，基本都是基於雙波長矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法
、溫度(應力)補償法和光強測溫法等幾種技術。

2．1 雙波長矩陣法

雙shuang波bo長chang矩ju陣zhen法fa是shi出chu現xian較jiao早zao而er且qie目mu前qian應ying用yong較jiao為wei廣guang泛fan的de一yi種zhong方fang案an。其qi基ji本ben思si想xiang是shi通tong過guo一yi定ding方fang式shi在zai一yi個ge傳chuan感gan頭tou中zhong獲huo得de兩liang個ge不bu同tong的de布bu拉la格ge波bo長chang，並bing通tong過guo檢jian測ce這zhe兩liang個ge布bu拉la格ge波bo長chang的de位wei移yi來lai實shi現xian溫wen度du不bu敏min感gan測ce量liang或huo應ying變bian及ji溫wen度du的de同tong時shi測ce量liang。如ru果guoλ1
、λ2同時對兩被測量比較敏感。且波長漂移隨溫度和應變的變化為線性
，溫度和應變變化獨立或隻有微弱擾動，則由下式可得：


式中，kTi為布拉格波長的應變靈敏係數
，它與光纖泊鬆比、彈光係數和纖芯有效折射率有關；kTi為布拉格波長的溫度靈敏係數，它與熱膨脹係數和熱光係數有關。目前
，雙波長矩陣法在溫度和應力區分測量方麵主要有參考光柵法、雙波長重疊FBG法和雙直徑FBG法等。

2．2 雙參量矩陣法

雙shuang參can量liang矩ju陣zhen法fa是shi運yun用yong各ge種zhong方fang法fa將jiang溫wen度du和he應ying力li對dui同tong一yi光guang波bo的de影ying響xiang分fen別bie作zuo用yong於yu該gai光guang波bo的de不bu同tong參can量liang上shang
，然ran後hou推tui導dao出chu對dui應ying關guan係xi，以yi實shi現xian應ying力li和he溫wen度du的de區qu分fen測ce量liang。近jin年nian來lai，有you許xu多duo方fang法fa基ji於yu這zhe一yi思si想xiang的de交jiao叉cha敏min感gan問wen題ti解jie決jue方fang案an。如ru混hun合heFBG／長周期光柵法
、二次諧波法、超結構光柵法等。

2．3 溫度參考光柵法

該方法是選用2個相同參數的FBG對同一測量點進行測量，是用兩個相互相鄰且中心波長相同的FBG組成一個傳感探頭，其中FBGl的長度L1大於FBG2的長度L2
，為了區分兩光柵的反射信號
，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。
圖2中的FBGl裝在一個玻璃管內


，兩端與玻璃管固定，以使其僅受外界溫度的影響；而FBG2不裝在玻璃管內，因而會同時受溫度和應變的影響。由於光纖和玻璃管具有相同的熱膨脹性。因此，FBGl和FBG2的溫度敏感係數相同。

2．4 溫度(應力)補償法

其qi實shi，目mu前qian研yan究jiu較jiao多duo的de還hai是shi溫wen度du補bu償chang法fa。該gai方fang法fa主zhu要yao通tong過guo某mou種zhong方fang法fa或huo裝zhuang置zhi先xian將jiang溫wen度du擾rao動dong引yin起qi的de波bo長chang漂piao移yi剔ti除chu掉diao
，從cong而er使shi應ying變bian測ce量liang不bu受shou溫wen度du的de影ying響xiang。近jin年nian來lai，國guo內nei外wai許xu多duo學xue者zhe提ti出chu了le關guan於yuFBG交叉敏感的問題，主要考慮實現對溫度
、應變同時測量的溫度補償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類。

2．5 光強測溫法

光強測溫法是通過光強與待測點溫度的關係來確定溫度值

，故可消除溫度對波長移動的影響。該方法需要特殊結構的FBG，而且需要利用特殊材料，同時對解調方案也有相應的要求。
[page]
3 光纖光柵的應用

由於光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優越性
，因此，自G．Meltz等人首次報道將光纖布拉格光柵應用於傳感器以來
，已經在生物醫學、橋梁
、大壩智能材料、航空航天、民用工程結構等許多領域得到了廣泛的應用。

3．1 生物醫學應用

光纖相幹層析成像技術(OCT)主要應用於生物、醫學、化學分析等領域，如視網膜掃描、胃腸內視以及用於實現彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為wei生sheng物wu細xi胞bao和he機ji體ti的de活huo性xing檢jian測ce提ti供gong了le一yi種zhong有you效xiao的de方fang式shi
，因yin此ci
，世shi界jie上shang有you許xu多duo國guo家jia都dou開kai發fa出chu相xiang應ying的de產chan品pin。德de國guo的de科ke學xue家jia近jin期qi推tui出chu了le一yi台tai可ke用yong作zuo皮pi膚fu癌ai診zhen斷duan的deOCT設備。此外，利用OCT可以實現深度測量(～1mm)的優勢，並已有實例應用於對生長中的細胞進行觀察和監測。

3．2 智能橋梁建築材料應用

智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規工作的同時實現對其安全運轉
、以及故障的實時監控。將光纖應用於橋梁測試中，可實現對橋梁鋼索的索力及預應力連續混凝土梁內部應力
、應變特性的測量和測控
，從而構成智能橋梁。加拿大的RoteST公司基於fabry-Perot白光幹涉原理研製的光纖傳感器具有很高的精度和重複性，可安裝在材料或建築物表麵或埋入內部，對應變、位移
、裂縫
、空隙壓力等進行監測；我國的繆延彪教授建立了一種新的波長幹涉儀試驗係統，該係統可實現較大範圍的絕對距離測量。

3．3 航天航空導航係統應用

上世紀90年代，Vali和Shorthill首次提出並實驗驗證了I-FOG原理
，同時通過采用消偏結構、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術
，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小
、重量輕和性能高等優勢

，故在航天及軍事領域獲得了廣泛的應用。例如，漢普頓大學和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度／剪切應力傳感器，來分辨溫度和剪切應力引起的布拉格波長偏移，從而廣泛應用於空氣動力學設備。

3．4 工礦企業係統

基於光纖的彈光效應，FBG器件的應力傳感器已被廣泛應用於應力監測中。在許多特殊場合，如核工業、化工
、石油鑽探等都應用了監測傳感係統。據報道，2001年
，美國CiDRA公司采用光纖布拉格光柵傳感器在加利福尼亞的Baker油田進行了壓力測試，測程為0～103 MPa，準確度為±41．3 kPa，分辨率為2．06 kPa，可見其具有非常高的精度。法國Alstom公司鐵路部的Transport S．A．領導研製了一種安裝有FBG的智能型新型複合材料的轉向架。

4 結束語

近jin年nian來lai，隨sui著zhe光guang纖xian技ji術shu的de日ri趨qu成cheng熟shu，光guang纖xian光guang柵zha的de傳chuan感gan技ji術shu得de到dao了le充chong分fen的de發fa展zhan和he應ying用yong。由you於yu其qi擁yong有you獨du特te的de自zi身shen優you勢shi

，勢shi必bi會hui受shou到dao越yue來lai越yue多duo行xing業ye的de重zhong視shi，也ye必bi將jiang在zai傳chuan感gan領ling域yu中zhong呈cheng現xian出chu非fei常chang重zhong要yao的de地di位wei。但dan是shi，許xu多duo光guang纖xian傳chuan感gan中zhong的de關guan鍵jian技ji術shu仍reng處chu於yu實shi驗yan階jie段duan

，距ju商shang業ye實shi用yong化hua階jie段duan還hai有you一yi定ding的de距ju離li，因yin此ci
，還hai需xu集ji中zhong力li量liang為wei光guang纖xian光guang柵zha研yan究jiu成cheng果guo的de產chan業ye化hua繼ji續xu努nu力li

，更geng重zhong要yao的de是shi要yao促cu進jin民min族zu光guang電dian子zi產chan業ye的de發fa展zhan。