光纤光栅传感技术发展综述

光纤光栅传感技术发展综述

摘要：

本文立足于专利文献，对有关光纤光栅传感技术的发展进行分析，并对技术

的发展路线、发展方向以及发展前景进行了总结，为相关领域的工作提供一定的

技术支持和引导。

关键词：光纤光栅；传感技术；解调

一、技术概述

光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，外界物理量的变化使光纤光栅

反射波中心波长产生偏移，通过监测波长偏移量实现对外界物理量的传感，由于

光纤光栅具有强的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等优点，因此取得了广泛的应用。本文立足于专利文献，通过对光纤光栅传感技术进行了一定的梳理，为光纤光栅

传感器的研发、应用和专利申请提供一定的支撑和参考。

二、技术分支及其发展状况

通过查阅相关专利及文献，光纤光栅传感技术发展经历了光纤光栅的传感机

理研究、光纤光栅传感器的制作封装、光纤光栅传感器的应用和光纤光栅传感的

解调四个过程，其中在光纤光栅的传感应用方面，主要用于温度、应力、流量等

参数的测量及桥梁监测方面的应用；对于解调技术，主要对光纤光栅传感系统中

的光源稳定性、存在串扰和应用高精度、快速解调算法的研究，如图1所示。

图1光纤光栅传感的技术分支图

图2为光纤光栅传感技术的演进历程，光纤传感技术的研究始于20世纪70

年代末，1978年加拿大渥太华通信研究中心的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发

现光纤的光敏效应，并制成了世界上第一支被称为“Hill光栅”的光纤光栅，开创了光纤光栅的研究与应用；1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏

光栅的技术，迅速促进了光纤光栅制作技术及其应用研究的发展；90年代初期，对于光纤光栅的研究主要在于光纤光栅传感机理及简单的制作；对于光纤光栅传

感的解调也处于基础研究阶段，主要为光谱仪检测、滤波解调等简单的解调方法

的研究。

1993年，Hill等人提出了相位掩膜写入技术，该项技术极大的降低了对写入

光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容易；90年代至2000年期间也出

现了关于提高光纤光栅写入率、制作宽带光纤光栅等新的光纤光栅制作技术，这

为光纤光栅的商品化提供了强有力的技术支持，从而出现了将光纤光栅应用于温度、应力、桥梁等领域的监测；而在光纤光栅传感解调方面，除传统简单的解调

方法之外，出现了一些改进的解调方法，如1999年专利文献US6097487A涉及一种测量设备，具有一个宽带光源和可谐调光学滤波器，一路光信号经过滤波传输

到参考光纤光栅并接收反射信号作为绝对波长反射信号送入第一检测器，第二光

信号经滤波传送并接收来自F-P滤波器反射的信号，直接送入第二探测器，在信

号处理器中进行比较和处理，从而提供准确的波长测量；用于消除和减少当测量

来自FBG传感器的反射波长信号时，由可调谐滤波器引起的尖峰串扰；2000年专利文献US6524016B1涉及一种用于稳定激光输出的半导体激光器单元，阻止了偏

振变化现象，使得激光器输出稳定。

图2 光纤光栅传感技术的演进历程

2000年以后，光纤光栅的制作技术进入了一个新的阶段，出现了各种不同类

型的光纤光栅制作，如专利文献CN102221452A公开了一种弱光纤光栅的制作技

术及专利文献CN106168694A涉及一种用高效准分子激光器在线制备光纤光栅等

新技术。此时，越来越多的光纤光栅传感器被用于生活的方方面面，如环境温度、应力等交叉测量领域。随着光纤光栅测量应用的逐渐增多，对于光纤光栅传感器

的解调精度也越来越重视，为了提高光纤光栅传感系统中的解调速度、实时性和

响应时间，出现了将数学算法、数字信号处理方法等应用于光纤光栅传感的解调

系统中，如采用高精度的快速解调算法（CN104391417A）、使用小波去噪、傅里叶变换(CN103308146A)等。

三、研究方向及存在问题

由于光纤光栅传感器具有传感信号对波长绝对编码、抗电磁干扰等优点，因此，具有广泛的应用前景。通过对国内外光纤光栅传感技术的研究发现，目前，

光纤光栅传感技术还存在如下问题：国内对于光纤光栅传感的专利申请主要还在

于光纤光栅的软件解调算法的研究，在光纤光栅传感系统的硬件解调及元器件制

作精度上和国外还有一定的差距，此外光纤光栅传感的研发成本及商品价格较高；缺乏网络化、多参量综合传感系统；

因此，对光纤光栅传感器的研究方向主要有3个方面:

（1）对高灵敏度、高分辨力传感器的研究；

（2）对光纤光栅反射信号和透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠及灵敏的探测技术；

（3）光纤光栅传感器实用技术的研究，包括封装技术、温度补偿技术和传感网络技术。工业施工现场环境比较恶劣，光纤纤细易断，采用先进的封装工艺使

得光纤光栅传感器在恶劣的环境中正常工作尤为重要。另外，应变、温度交叉敏

感的问题解决的好坏直接影响到光纤光栅传感器的实用化，而且，多参量同时传

感是发展方向。此外光纤光栅传感器相对于其他传统传感器的一个重要优势在于

可以很方便地构成网络，实现分布式传感，因此，发展网络技术势在必行。

四、结束语

目前国内外对光纤光栅传感技术的研究已经取得了一定的进展，通过本文的

分析，有助于相关领域的企业及科研机构了解光纤光栅传感技术的发展和专利申

请状况，为其在研发和科研上提供新的思路、寻找新的突破口和研究方向，加强

创新，从而推动我国光纤光栅传感技术的发展。

注：1李亚萍和王晟哲为本文做出同等贡献，为共同第一作者

[作者简介：李亚萍（1988-），女，硕士，研究方向：非特定变量测量领域

发明专利实质审查；王晟哲（1986-），女，硕士，研究方向：非特定变量测量领域发明专利实质审查（等同于第一作者）；凌冰（1988-），女，硕士，研究方向：非特定变量测量领域发明专利实质审查。