光纖光柵定義及分類！光纖光柵傳感器的工作原理

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)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。隨后，美國聯(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。

光纖光柵技術(shù)

光纖光柵定義及分類

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。

光纖光柵的種類很多，主要分兩大類：一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵)；二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。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，又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。

下面簡單介紹幾種光纖光柵：

1. 均勻光纖光柵

均勻光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級。它可將入射光中某一確定波長的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作溫度傳感器、應(yīng)變傳感器等傳感器;在光通信領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復(fù)用器和波分復(fù)用器的解復(fù)用器等器件。

2、均勻長周期光纖光柵

均勻長周期光纖光柵折射率變化的周期一般為100um量級，它能將一定波長范圍內(nèi)入射光前向傳播芯內(nèi)導(dǎo)模耦合到包層模并損耗掉。在傳感器領(lǐng)域，長周期光纖光柵可用于制作微彎傳感器、折射率傳感器等傳感器;在光通信領(lǐng)域，長周期光纖光柵可用于制作摻餌光纖放大器增益平坦器、模式轉(zhuǎn)換器、帶阻濾波器等器件。

3、切趾光纖光柵

對于一定長度的均勻光纖Bragg光柵，其反射譜中主峰的兩側(cè)伴隨有一系列的側(cè)峰，一般稱這些側(cè)峰為光柵的邊模。如將光柵應(yīng)用于一些對邊模的抑制比要求較高的器件如密集波分復(fù)用器，這些側(cè)峰的存在是一個(gè)不良的因素，它嚴(yán)重影響器件的信道隔離度。為減小光柵邊模，人們提出了一種行之有效的辦法一切趾，所謂切趾就是用一些特定的函數(shù)對光纖光柵的折射率調(diào)制幅度進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)切趾后的光纖光柵稱為切趾光纖光柵，它反射譜中的邊模明顯降低。

4、相移光纖光柵

相移光纖光柵是由多段m（M>2)具有不同長度的均勻光纖Bragg光柵以及連接這些光柵的M-1個(gè)連接區(qū)域組成.相移光纖光柵因?yàn)樵谄浞瓷渥V中存在一透射窗口可直接用作帶通濾波器。

5、取樣光纖光柵

取樣光纖光柵也稱超結(jié)構(gòu)光纖光柵，它是由多段具有相同參數(shù)的光纖光柵以相同的間距級聯(lián)成。除了用作梳狀濾波器之外，取樣光纖光柵還可用wdm系統(tǒng)中的分插復(fù)用器件。與其他分插復(fù)用器件不同的是，取樣光纖光柵構(gòu)成的分插器件

可同時(shí)分或插多路信道間隔相同的信號。

6、chirped光纖光柵

所謂chirped光纖光柵，是指光纖的纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向逐漸變大(小)形成的一種光纖光柵。在chirped光纖光柵軸向不同位置可反射不同波長的入射光。所以chirped光纖光柵的特點(diǎn)是反射譜寬，在反射帶寬內(nèi)具有漸變的群時(shí)延，群時(shí)延曲線的斜率即光纖光柵的色散值。所以，可以利用chirped光纖光柵作為色散補(bǔ)償器。

光纖光柵傳感器

光纖光柵的三大用途包括對光線的控制、合成和路由，在光纖技術(shù)、光纖通信及光纖傳感等高技術(shù)領(lǐng)域中有極其廣泛的應(yīng)用。

光纖光柵傳感器的工作原理

光柵的Bragg波長λB由下式?jīng)Q定:

λB = 2nΛ(1-1)

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發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。

如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量，也可同時(shí)測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，還可實(shí)現(xiàn)對電場等物理量的間接測量。下面簡單介紹兩種不同光纖光柵傳感器的工作原理：

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，對單參數(shù)的定點(diǎn)測量很有效，但在需要同時(shí)測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時(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，還會引起光譜的展寬。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，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。通過同時(shí)測量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測量應(yīng)變和溫度。

2、長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理

長周期光纖光柵(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階軸對稱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)很寬的波長范圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長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)生大的波長位移，通過檢測△λi，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。

光纖光柵傳感器的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的傳感器相比,光纖Bragg光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

1、傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結(jié)構(gòu)中, 可測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等, 穩(wěn)定性、重復(fù)性好;

2、與光纖之間存在天然的兼容性, 易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高;

3、具有非傳導(dǎo)性, 對被測介質(zhì)影響小, 又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn), 適合在惡劣環(huán)境中工作;

4、輕巧柔軟, 可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵, 構(gòu)成傳感陣列, 與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)分布式傳感;

5、測量信息是波長編碼的, 所以, 光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響, 有較強(qiáng)的抗干擾能力;

6、高靈敏度、高分辯力。

正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn),近年來,光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測,以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖Bragg光柵傳感器無疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測量應(yīng)力和應(yīng)變的場合，具有其它一些傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最有希望集成在材料內(nèi)部，作為監(jiān)測材料和結(jié)構(gòu)的載荷，探測其損傷的傳感器。

光柵傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

由于光柵傳感器測量精度高、動態(tài)測量范圍廣、可進(jìn)行無接觸測量、易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

光柵傳感器在航空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，對于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來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，普通船體大約需要100個(gè)傳感器，因此波長復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。

光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動態(tài)應(yīng)變測量。

另外，為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動，起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況，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)變和溫度測量的理想智能元件。

光柵傳感器在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來說，通過測量上述結(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，方便進(jìn)行維護(hù)和狀況監(jiān)測。

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，對結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，還以監(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)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測，并通過計(jì)算機(jī)對傳感信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結(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，或在梁的表面開一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中（便于防護(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。同時(shí)，為了修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。

光柵傳感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實(shí)現(xiàn)長距離低損耗傳輸，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，電壓變化可使壓電陶瓷（PZT）產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，進(jìn)而測知電流強(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，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(fā)危險(xiǎn)事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區(qū)電線。

光纖光柵傳感器可測電線的載重量，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)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。

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)。

近年來，因冰雨導(dǎo)致的輸電線路桿塔的損壞時(shí)有發(fā)生。為了監(jiān)測輸電桿塔的傾斜狀態(tài)，常用的方法是用GSM桿塔儀將傳感器檢測到的桿塔傾斜信息發(fā)送給管理人員和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)具體的數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出報(bào)警信息；另一種方法是將電阻應(yīng)變片直接貼在輸電桿塔的結(jié)構(gòu)件上，直接進(jìn)行監(jiān)測。這2種方法在應(yīng)用時(shí)，都受到一些因素的限制，給監(jiān)測工作帶來不利的影響。

近幾年，光纖傳感器的工程應(yīng)用研究迅速發(fā)展。其中，光纖光柵傳感器是用光纖布拉格光柵作為敏感元件的功能型光纖傳感器，可以直接傳感溫度和應(yīng)變以及實(shí)現(xiàn)與溫度和應(yīng)變有關(guān)的其他許多物理量和化學(xué)量的間接測量。通過光纖光柵傳感器的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)可以反映出桿塔的傾斜狀態(tài)，將這種方法應(yīng)用在桿塔的傾斜狀態(tài)監(jiān)測中會有很大的優(yōu)勢。

使用光纖布拉格光柵這一光纖傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)輸電線桿塔傾斜狀態(tài)監(jiān)測時(shí)，利用光纖布拉格光柵上應(yīng)力變化引起的波長位移信息，得到光柵所感應(yīng)到的應(yīng)力變化信息，從而對應(yīng)得到桿塔的傾斜狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對桿塔傾斜狀態(tài)的監(jiān)測。

光柵傳感器在醫(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、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應(yīng)，這樣會導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。

近年來，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θ梭w組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。

到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場，在30℃～60℃的范圍內(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結(jié)果，而超聲場的測量分辨率為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測量心臟的效率。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，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。

光柵傳感器在我國高鐵運(yùn)行安全技術(shù)中的應(yīng)用

我們平時(shí)搭乘列車，有時(shí)會覺得震動很大，乘車不舒服，這就是列車車輪出現(xiàn)了扁疤或者多邊形。扁疤雖然只有幾微米，但因?yàn)楦哞F運(yùn)行速度快，卻會對高鐵產(chǎn)生極大震動。而傳感器的作用，就是發(fā)現(xiàn)列車哪些地方出現(xiàn)了扁疤。

所謂光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)，其實(shí)就是將碳纖維拉成光纖，再刻成光柵以安裝在列車和鐵軌上的傳感器。光柵接收到激光信號后，會有反射波長，根據(jù)列車不同位置光柵反射回的波長情況，就可實(shí)時(shí)監(jiān)測列車安全。

高鐵線路復(fù)雜多樣，放置傳感器成為了一個(gè)大問題。光纖傳感器的高明之處就在于利用鐵軌監(jiān)測列車，即在鐵軌的某一小段放置傳感器，只要保證傳感器鋪放長度稍大于一個(gè)車輪周長，就能將所有經(jīng)過這一段的列車車輪全部監(jiān)測一次。同理，也可利用在車輪上放置傳感器監(jiān)測鐵軌。

對于光纖光柵傳感器的優(yōu)勢，一方面，傳統(tǒng)的傳感器使用電信號會受到火車及鐵軌產(chǎn)生的電磁信號干擾，而光纖則不存在這個(gè)問題；另一方面，中心研發(fā)的傳感器質(zhì)量小，可直接安裝在高鐵上，并不影響列車正常運(yùn)行。

光柵傳感器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

光柵傳感器作為數(shù)控機(jī)床直線軸的位置檢測元件，相當(dāng)于人的“眼睛”，就是“監(jiān)視”該直線軸在執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的移動指令后，該直線軸是否真正準(zhǔn)確地運(yùn)行到數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置。

如果數(shù)控機(jī)床沒有安裝光柵傳感器，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出直線軸的移動指令后，直線軸能否到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)要求的位置，完全依靠數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試的精度和機(jī)械傳動精度來保障。

數(shù)控機(jī)床使用一段時(shí)間后，由于電氣調(diào)試參數(shù)的修改和機(jī)械誤差的加大等原因，該直線軸很可能和數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置相差很多，這時(shí)候數(shù)控系統(tǒng)根本不知道，維修和操作機(jī)床的人員也不知道，要想知道這個(gè)差距，維修人員就要對機(jī)床進(jìn)行精度檢測。

所以數(shù)控機(jī)床沒有安裝光柵傳感器，就要定期對機(jī)床的精度進(jìn)行檢查，一不小心，一旦忘記檢測數(shù)控機(jī)床的精度，很可能導(dǎo)致加工的產(chǎn)品精度超差甚至報(bào)廢。

如果數(shù)控機(jī)床的直線軸安裝了光柵傳感器，上述問題就不用人來操心了，由光柵傳感器來完成這個(gè)使命。

如果該直線軸由于機(jī)械等原因沒有準(zhǔn)確到達(dá)該位置，光柵傳感器作為位置檢測元件，會向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，使該直線軸能夠到達(dá)比較準(zhǔn)確的位置，直到光柵傳感器的分辨率分辨不出來。

這時(shí)的光柵傳感器充當(dāng)了獨(dú)立于機(jī)床之外的監(jiān)督功能，象人的眼睛一樣，一直“監(jiān)視”著直線軸的位置，保證了直線軸能夠達(dá)到數(shù)控系統(tǒng)要求的位置。

總的來說，光柵傳感器已成為當(dāng)前光纖傳感器的研究熱點(diǎn)。隨著光纖光柵制造技術(shù)的進(jìn)步和性能的改善以及應(yīng)用開發(fā)研究成果的不斷涌現(xiàn)，光纖光柵傳感器在傳感器領(lǐng)域中已經(jīng)處于越來越重要的地位。 在民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、船舶航運(yùn)業(yè)、電力工業(yè)、石油化工工業(yè)、醫(yī)學(xué)、核工業(yè)等有非常廣泛的應(yīng)用。許多具有發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬暗目蓪?shí)用化技術(shù)研究都在進(jìn)行當(dāng)中，這些技術(shù)的成熟，將會給國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大的推動。