光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用

　　0 引言

　　近年來(lái)。隨著光纖通信技術(shù)向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，以及逐步向全光網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn).在光通信迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，光纖光柵已成為發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)光源器件之一。光纖在紫外光強(qiáng)激光照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性.光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣，在光纖軸向上就會(huì)形成周期性的折射率波動(dòng)，即為光纖光柵。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發(fā)，綜述了光纖布拉格光柵對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。

　　1 光纖傳感器的工作原理

　　1.1 光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

　　光纖布拉格光柵FBG于1978年發(fā)明問(wèn)世。它利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，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(jié)構(gòu)。

　　在圖1所示的光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)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(hào)良好的信噪比。一般選用側(cè)面發(fā)光二極管ELED的原因是其耦合進(jìn)單模光纖的光功率至少為50～100 μW。而當(dāng)被測(cè)溫度或壓力加在光纖光柵上時(shí)。由光纖光柵反射回的光信號(hào)可通過(guò)3 dB光纖定向耦合器送到波長(zhǎng)鑒別器或波長(zhǎng)分析器，然后通過(guò)光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、儲(chǔ)存，并按用戶規(guī)定的格式在計(jì)算機(jī)上顯示出被測(cè)量的大小。

　　光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外.還具有在一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用的特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)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

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　　式中，λB為Bragg波長(zhǎng)，n為有效折射率，A為光柵周期。

　　當(dāng)作用于光纖光柵的被測(cè)物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起n和A的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致λB的漂移;反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測(cè)λB的漂移。也可得知被測(cè)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(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的λB漂移可表示為：

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　　式中，ε為應(yīng)力，P[i，j]為光壓系數(shù)，v為橫向變型系數(shù)(泊松比)，α為熱脹系數(shù)，△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(dǎo)出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG溫度和應(yīng)力相應(yīng)條件值為：

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　　利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。如通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。

　　1.3 長(zhǎng)周期光纖光柵

　　長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長(zhǎng)周期光柵的透射峰波長(zhǎng)主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：

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　　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(zhǎng)。當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，被測(cè)因素的變化將對(duì)光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測(cè)出LPG透射譜線的變化，即可推知被測(cè)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系統(tǒng)

　　目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統(tǒng)也是一個(gè)重要的研究重點(diǎn)。分布式FBG傳感系統(tǒng)是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，每個(gè)光柵的工作波長(zhǎng)相互分開(kāi)，在經(jīng)過(guò)3 dB耦合器取出反射后，再用波長(zhǎng)探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)光柵的波長(zhǎng)偏移進(jìn)行測(cè)量，從而檢測(cè)出相應(yīng)被測(cè)量的大小和空間分布。

　　分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以從整體上對(duì)被測(cè)對(duì)象的有關(guān)物理量的變化時(shí)間、位置進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)對(duì)分布式光纖傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合，可形成一個(gè)智能結(jié)構(gòu)。目前，分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有拉曼型、布里淵型和FBG型三種類型。

　　2 溫度和應(yīng)變交叉敏感分離技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長(zhǎng)矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法和光強(qiáng)測(cè)溫法等幾種技術(shù)。

　　2.1 雙波長(zhǎng)矩陣法

　　雙波長(zhǎng)矩陣法是出現(xiàn)較早而且目前應(yīng)用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過(guò)一定方式在一個(gè)傳感頭中獲得兩個(gè)不同的布拉格波長(zhǎng)，并通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度不敏感測(cè)量或應(yīng)變及溫度的同時(shí)測(cè)量。如果λ1、λ2同時(shí)對(duì)兩被測(cè)量比較敏感。且波長(zhǎng)漂移隨溫度和應(yīng)變的變化為線性，溫度和應(yīng)變變化獨(dú)立或只有微弱擾動(dòng)，則由下式可得：

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　　式中，kTi為布拉格波長(zhǎng)的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與光纖泊松比、彈光系數(shù)和纖芯有效折射率有關(guān);kTi為布拉格波長(zhǎng)的溫度靈敏系數(shù)，它與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。目前，雙波長(zhǎng)矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量方面主要有參考光柵法、雙波長(zhǎng)重疊FBG法和雙直徑FBG法等。

　　2.2 雙參量矩陣法

　　雙參量矩陣法是運(yùn)用各種方法將溫度和應(yīng)力對(duì)同一光波的影響分別作用于該光波的不同參量上，然后推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的區(qū)分測(cè)量。近年來(lái)，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問(wèn)題解決方案。如混合FBG/長(zhǎng)周期光柵法、二次諧波法、超結(jié)構(gòu)光柵法等。

　　2.3 溫度參考光柵法

　　該方法是選用2個(gè)相同參數(shù)的FBG對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，是用兩個(gè)相互相鄰且中心波長(zhǎng)相同的FBG組成一個(gè)傳感探頭，其中FBGl的長(zhǎng)度L1大于FBG2的長(zhǎng)度L2，為了區(qū)分兩光柵的反射信號(hào)，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。

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　　圖2中的FBGl裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)，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(nèi)，因而會(huì)同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響。由于光纖和玻璃管具有相同的熱膨脹性。因此，F(xiàn)BGl和FBG2的溫度敏感系數(shù)相同。

　　2.4 溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法

　　其實(shí)，目前研究較多的還是溫度補(bǔ)償法。該方法主要通過(guò)某種方法或裝置先將溫度擾動(dòng)引起的波長(zhǎng)漂移剔除掉，從而使應(yīng)變測(cè)量不受溫度的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了關(guān)于FBG交叉敏感的問(wèn)題，主要考慮實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的溫度補(bǔ)償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類。

　　2.5 光強(qiáng)測(cè)溫法

　　光強(qiáng)測(cè)溫法是通過(guò)光強(qiáng)與待測(cè)點(diǎn)溫度的關(guān)系來(lái)確定溫度值，故可消除溫度對(duì)波長(zhǎng)移動(dòng)的影響。該方法需要特殊結(jié)構(gòu)的FBG，而且需要利用特殊材料，同時(shí)對(duì)解調(diào)方案也有相應(yīng)的要求。

　　3 光纖光柵的應(yīng)用

　　由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自G.Meltz等人首次報(bào)道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來(lái)，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　3.1 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

　　光纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視以及用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測(cè)提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國(guó)家都開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。德國(guó)的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量(～1mm)的優(yōu)勢(shì)，并已有實(shí)例應(yīng)用于對(duì)生長(zhǎng)中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)。

　　3.2 智能橋梁建筑材料應(yīng)用

　　智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、以及故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將光纖應(yīng)用于橋梁測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測(cè)量和測(cè)控，從而構(gòu)成智能橋梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對(duì)應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè);我國(guó)的繆延彪教授建立了一種新的波長(zhǎng)干涉儀試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對(duì)距離測(cè)量。

　　3.3 航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用

　　上世紀(jì)90年代，Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了I-FOG原理，同時(shí)通過(guò)采用消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，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(yōu)勢(shì)，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度/剪切應(yīng)力傳感器，來(lái)分辨溫度和剪切應(yīng)力引起的布拉格波長(zhǎng)偏移，從而廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)備。

　　3.4 工礦企業(yè)系統(tǒng)

　　基于光纖的彈光效應(yīng)，F(xiàn)BG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)中。在許多特殊場(chǎng)合，如核工業(yè)、化工、石油鉆探等都應(yīng)用了監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，2001年，美國(guó)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(jìn)行了壓力測(cè)試，測(cè)程為0～103 MPa，準(zhǔn)確度為±41.3 kPa，分辨率為2.06 kPa，可見(jiàn)其具有非常高的精度。法國(guó)Alstom公司鐵路部的Transport S.A.領(lǐng)導(dǎo)研制了一種安裝有FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術(shù)得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用。由于其擁有獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必會(huì)受到越來(lái)越多行業(yè)的重視，也必將在傳感領(lǐng)域中呈現(xiàn)出非常重要的地位。但是，許多光纖傳感中的關(guān)鍵技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，距商業(yè)實(shí)用化階段還有一定的距離，因此，還需集中力量為光纖光柵研究成果的產(chǎn)業(yè)化繼續(xù)努力，更重要的是要促進(jìn)民族光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。