光纖光柵傳感技術(shù)在安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

圖1 光柵結(jié)構(gòu)示意圖

光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過(guò)對(duì)芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光柵。光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺中心波長(zhǎng)為布喇格波長(zhǎng)。

二.光纖光柵傳感基本原理

光柵Bragg 條件: λB= 2nΛ
式中:λB ---Bragg 波長(zhǎng);
n ---光柵的有效折射率,即折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng);
Λ---光柵周期,即折射率調(diào)制的空間周期。
當(dāng)光波傳輸通過(guò)FBG時(shí),滿足Bragg 條件的光波將被反射回來(lái),這樣入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波長(zhǎng)或透射波長(zhǎng)取決于反向耦合模的有效折射率n 和光柵周期Λ,任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵Bragg波長(zhǎng)的漂移,測(cè)量此漂移量就可直接或間接地感知外界物理量的變化.如下圖所示：

圖2 光纖光柵傳感系統(tǒng)基本原理圖

三.實(shí)際工程應(yīng)用中光纖光柵傳感系統(tǒng)構(gòu)成：

1、 光源
光源性能的好壞直接決定著整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。在光纖光柵傳感中要求光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性, 以滿足傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測(cè)量的需要。目前在光纖光柵傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有SLED, ASE光源。輸出功率大約為1-20mw.
2 、光纖光柵傳感器
光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感, 即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵波長(zhǎng)移動(dòng), 使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此, 解決交叉敏感問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。目前在光纖光柵傳感系統(tǒng)中常用技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器來(lái)確定不同光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)確定溫度與應(yīng)變。
3 、信號(hào)解調(diào)
在光纖光柵傳感系統(tǒng)中, 光纖光柵信號(hào)的解調(diào)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括二部分：一部分為光信號(hào)處理, 完成光信號(hào)波長(zhǎng)信息到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其中傳感器的中心反射波長(zhǎng)的分析是解調(diào)的關(guān)鍵; 另一部分為電信號(hào)處理, 完成對(duì)電信號(hào)的運(yùn)算處理, 提取外界信息,并以人們熟悉的方式顯示出來(lái)。
由此可知，光纖光柵安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是數(shù)字式測(cè)量技術(shù)，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，具有更高的穩(wěn)定性和安全性。

光纖光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1） 光纖光柵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：
該系統(tǒng)的功能是通過(guò)光纜將多個(gè)探頭串接起來(lái)，并構(gòu)成傳感器矩陣，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。
（2） 光纖通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)：
不同位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以使用光纜直接將傳輸信號(hào)引入中心監(jiān)控室的信息處理及分析系統(tǒng)上。
（3） 信息處理及分析系統(tǒng)：
該系統(tǒng)由光纖光柵傳感探測(cè)信號(hào)處理器以及計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成，信號(hào)處理器系統(tǒng)功能包括系統(tǒng)的信息收集、處理和傳送，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括信息處理、分析、傳送、儲(chǔ)存管理、預(yù)警、報(bào)警功能。