解析光纖光柵傳感器的原理及其應用

        近年來，隨著光纖通信技術向著超高速、大容量通信系統的方向發展，以及逐步向全光網絡的演進．在光通信迅猛發展的帶動下，光纖光柵已成為發展最為迅速的光纖無光源器件之一。光纖在紫外光強雷射照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性．光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應的變化。這樣，在光纖軸向上就會形成周期性的折射率波動，即為光纖光柵。由於光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易製作、性能穩定可靠、易與系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。一般選用側面發光二極體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鑑別器或波長分析器，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復用的特點，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(泊松比)，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。 

        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之後光纖光柵型傳感器的另一分支。長周期光柵的透射峰波長主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關，其相位匹配條件可表示為：        

        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系統 

        目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統也是一個重要的研究重點。分布式FBG傳感系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，再用波長探測解調系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。 

        分布式光纖傳感系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、信號處理系統、傳輸系統和控制系統的結合，可形成一個智能結構。目前，分布式光纖傳感系統通常有拉曼型、布裡淵型和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

雙波長矩陣法是出現較早而且目前應用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過一定方式在一個傳感頭中獲得兩個不同的布拉格波長，並通過檢測這兩個布拉格波長的位移來實現溫度不敏感測量或應變及溫度的同時測量。如果λ1、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只有微弱擾動，則由下式可得：        

        式中，kTi為布拉格波長的應變靈敏係數，它與光纖泊松比、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面主要有參考光柵法、雙波長重疊FBG法和雙直徑FBG法等。 

        2．2 雙參量矩陣法 

        雙參量矩陣法是運用各種方法將溫度和應力對同一光波的影響分別作用於該光波的不同參量上，然後推導出對應關係，以實現應力和溫度的區分測量。近年來，有許多方法基於這一思想的交叉敏感問題解決方案。如混合FBG／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 

        其實，目前研究較多的還是溫度補償法。該方法主要通過某種方法或裝置先將溫度擾動引起的波長漂移剔除掉，從而使應變測量不受溫度的影響。近年來，國內外許多學者提出了關於FBG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。

        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等人首次報導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 

        光纖相干層析成像技術(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都卜勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國家都開發出相應的產品。德國的科學家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT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面或埋入內部，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系統，該系統可實現較大範圍的絕對距離測量。 

        3．3 航天航空導航系統應用

上世紀90年代，Vali和Shorthill首次提出並實驗驗證了I-FOG原理，同時通過採用消偏結構、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 工礦企業系統 

        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系統。據報導，2001年，美國CiDRA公司採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，解析度為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 

        近年來，隨著光纖技術的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術得到了充分的發展和應用。由於其擁有獨特的自身優勢，勢必會受到越來越多行業的重視，也必將在傳感領域中呈現出非常重要的地位。但是，許多光纖傳感中的關鍵技術仍處於實驗階段，距商業實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業化繼續努力，更重要的是要促進民族光電子產業的發展。