光纖光柵傳感器的基本原理及實(shí)際應(yīng)用

一、 前言

1978年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫(xiě)入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的G.Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫(xiě)入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器（EDFA）技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。

光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵的種類(lèi)很多，主要分兩大類(lèi)：一是Bragg光柵（也稱(chēng)為反射或短周期光柵）；二是透射光柵（也稱(chēng)為長(zhǎng)周期光柵）。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵，色散補(bǔ)償型光柵是非周期光柵，又稱(chēng)為啁啾光柵（chirp光柵）。目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。

在光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸?。?biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um）、重量輕、耐溫性好（工作溫度上限可達(dá)400℃-600℃）、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)（傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里）、耐腐蝕、高靈敏度、無(wú)源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn)，早在1988年就成功地在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域，還在土木工程領(lǐng)域（如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道等）的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測(cè)定其結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。

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二、 光纖光柵傳感器的工作原理

我們知道，光柵的Bragg波長(zhǎng)λB由下式?jīng)Q定：λB=2nΛ （1）

式中，n為芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量物理量變化前后反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。如利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。此外，通過(guò)特定的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測(cè)量，也可同時(shí)測(cè)量。通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料（如壓電材料），還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。

1、 啁啾光纖光柵傳感器的工作原理上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè)量很有效，但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)量應(yīng)變或溫度沿光柵長(zhǎng)度的分布時(shí)，就顯得力不從心。一種較好的方法就是采用啁啾光纖光柵傳感器。

啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了△λB的變化外，還會(huì)引起光譜的展寬。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)的拓寬和峰值波長(zhǎng)的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性（dn／dT），僅影響重心的位置。通過(guò)同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。

2、 長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）傳感器的工作原理

長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米，LPG在特定的波長(zhǎng)上把纖芯的光耦合進(jìn)包層：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0為纖芯的折射率，niclad為i階軸對(duì)稱(chēng)包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層／空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長(zhǎng)主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長(zhǎng)位移，通過(guò)檢測(cè)△λi，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長(zhǎng)上的共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。

三、 光纖光柵傳感器的應(yīng)用

1、在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用

在地震檢測(cè)等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測(cè)是非常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性及其關(guān)鍵活動(dòng)范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測(cè)以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面?；顒?dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)應(yīng)變（包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等）一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離；而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測(cè)到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應(yīng)力－應(yīng)變測(cè)量?jī)x。光纖光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測(cè)等的要求，因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)疑具有較大的潛在用途。有報(bào)道指出，光纖光柵傳感器已成功檢測(cè)了頻率為0.1-2Hz，大小為10-9ε（應(yīng)變）的巖石和地表動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

2、在航天器及船舶中的應(yīng)用

先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對(duì)于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具（如飛機(jī)的機(jī)翼）。

為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對(duì)于普通船體大約需要100個(gè)傳感器，因此波長(zhǎng)復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測(cè)。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測(cè)量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測(cè)性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了在帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10nε/（Hz）1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。

另外，為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測(cè)量的理想智能元件。

3、在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的。通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀況。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面，或在梁的表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護(hù)。如果需要更加完善的保護(hù)，則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋，由于需要修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開(kāi)的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。

兩個(gè)具有相同中心波長(zhǎng)的光纖光柵代替法布里－珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里－珀羅干涉儀（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化，這一方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。用FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG，其中一個(gè)光柵用來(lái)測(cè)應(yīng)變，另一個(gè)被保護(hù)起來(lái)，免受應(yīng)力影響，以測(cè)量和修正溫度效應(yīng)，所以FFP～FBG實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量三個(gè)量：溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)。已在5mε的測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小于1με的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1nε/（Hz）1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。

4、在電力工業(yè)中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾和可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測(cè)量。

在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷（PZT）產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價(jià)的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對(duì)電線施加的過(guò)量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件，因此在線檢測(cè)電線壓力非常重要，特別是對(duì)于那些不易檢測(cè)到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測(cè)電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測(cè)到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。

5、在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對(duì)許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波（輻射）頻率、超聲波場(chǎng)或激光輻射的過(guò)高熱治療中，由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場(chǎng)的干擾而引起傳感頭或腫瘤周?chē)臒嵝?yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。為測(cè)定高頻輻射或微波場(chǎng)的安全性，需用超聲波傳感器檢測(cè)一系列醫(yī)療（包括超聲手術(shù)、過(guò)高熱治療、碎結(jié)石手術(shù)等）中所用的超聲診斷儀器的性能。近年來(lái)，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來(lái)越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小，光纖光柵傳感器是目前為止能夠做到的最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式測(cè)量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測(cè)了病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，在30℃－60℃的范圍內(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測(cè)量結(jié)果，超聲場(chǎng)的測(cè)量分辨率為10-3atm／Hz1/2，這為研究病變組織提供了有用的信息。

光纖光柵傳感器還可用來(lái)測(cè)量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測(cè)量肺動(dòng)脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對(duì)于心臟監(jiān)測(cè)是非常重要的。

6、在化學(xué)傳感中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因?yàn)楣鈻诺闹行牟ㄩL(zhǎng)隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度變化都會(huì)引起折射率的變化。

長(zhǎng)周期光柵（long period fiber grating，LPFG）與布拉格光纖光柵一樣，也是由光纖軸向上產(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制而形成，其周期一般大于100μm.它的耦合機(jī)理是：向前傳輸?shù)睦w芯基模被耦合入幾個(gè)特定波長(zhǎng)的向前傳輸?shù)陌鼘幽?，包層模很快損失掉，所以LPFG基本上沒(méi)有后向反射，在其透射譜中有幾個(gè)特定波長(zhǎng)的吸收峰。LPFG對(duì)光纖包層材料折射率的變化比上述的光纖布拉格光柵更為敏感，包層材料折射率的任何變化都會(huì)改變傳輸光譜的特性，使吸收峰發(fā)生改變，所以長(zhǎng)周期光柵折射率測(cè)量系統(tǒng)的分辨率可實(shí)現(xiàn)10－7的靈敏度。目前已經(jīng)用長(zhǎng)周期光柵測(cè)出了許多化學(xué)物質(zhì)的濃度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3和1.45之間的化學(xué)物質(zhì)都可用長(zhǎng)周期光柵進(jìn)行探測(cè)。

四、結(jié)束語(yǔ)

除上述應(yīng)用外，光纖光柵傳感器還在其他領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且在許多方面的性能都比傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)傳感器更穩(wěn)定、更可靠、更準(zhǔn)確。光纖光柵傳感器可以用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測(cè)量，具有較高的靈敏度和測(cè)量范圍。在光纖若干個(gè)部位寫(xiě)入不同柵距的光纖光柵，就可以同時(shí)測(cè)定若干部位相應(yīng)物理量及其變化，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感?？傊?，光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

目前對(duì)光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個(gè)方面：一是對(duì)傳感器本身及能進(jìn)行橫向應(yīng)變感測(cè)和高靈敏度、高分辨率、且能同時(shí)感測(cè)應(yīng)變和溫度變化的傳感器研究；二是對(duì)光柵反射信號(hào)或透射信號(hào)分析和測(cè)試系統(tǒng)的研究，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測(cè)技術(shù)；三是光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用研究，包括封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

目前限制光纖光柵傳感器應(yīng)用的最主要障礙是傳感信號(hào)的解調(diào)，正在研究的解調(diào)方法很多，但能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多，而且價(jià)格較高。其次，光纖光柵傳感器應(yīng)用中的其他問(wèn)題也非常重要，如：1、由于光源帶寬有限，而應(yīng)用中一般要求光柵的反射譜不能重疊，因此可復(fù)用光柵的數(shù)目受到限制；2、如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)合材料中同時(shí)測(cè)量多軸向的應(yīng)變，以再現(xiàn)被測(cè)體的多軸向應(yīng)變形貌；3、如何實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度、快速實(shí)時(shí)測(cè)量；4、如何正確地分辨光柵波長(zhǎng)變化是由溫度變化引起的還是由應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變引起的等。有效地解決上述問(wèn)題對(duì)于實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、穩(wěn)定、高分辨率、大測(cè)量范圍、多光柵復(fù)用的傳感系統(tǒng)具有重要意義，這些都有待發(fā)展。