光纤光栅传感器

航天航空导航系统应用
光纤光栅传感器具有成本低、体积小、重量轻和性能高等优势，故在航天及 军事领域获得了广泛的应用。例如，汉普顿大学和NASA兰利研究中心，利用光 纤光栅温度／剪切应力传感器，来分辨温度和剪切应力引起的布拉格波长偏移， 从而广泛应用于空气动力学设备。
光纤光栅温度／剪切应力传感器
智能桥梁建筑材料应用
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嵌入式封装FBG应变传感器
由于光纤光栅传感器体积小, 灵敏度高，所以将光纤光栅埋入材料内 部，可使材料具有自我感知能力。因此, 将FBG应变传感器嵌入材料内部 的嵌入式封装具有重要的实际意义。嵌入式封装应变传感器的性能很大程 度上取决于封装材料的性能，因为FBG纤芯的应变是通过封装材料传递的。
实例：将裸光纤光栅埋入玻璃纤维增强塑料中, 做成直径22mm、长
光纤光栅应用于桥梁检测
工矿企业系统
基于光纤的弹光效应，FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中。 在许多特殊场合，如核工业、化工、石油钻探等都应用了监测传感系统。 实例：2001年，美国CiDRA公司采用光纤布拉格光栅传感器在加利福尼亚 的Baker油田进行了压力测试，测程为0～103 MPa，准确度为±41．3 kPa，分
由于光纤光栅传感器具备许多不可替代的优越性，因此，自G．Meltz等人首次 报道将光纤布拉格光栅应用于传感器以来，已经在生物医学、桥梁、航空航天、 民用工程结构等许多领域得到了广泛的应用。
生物医学应用
光纤相干层析成像技术(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域。它为 生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式。利用OCT可以实现深度测量 的优势，并已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测。
二、光纤光栅定义
当光波通过折射率周期性变化的光学介质时，光波的相位会 产生周期性的变化，因此这种折射率周期性变化的光学介质就是光 栅，称为折射率型光栅。光纤光栅就是典型的折射率型光栅。现在， 所有的在光纤中制作的光栅都可以称为光纤光栅。
三、光纤光栅制作基本原理
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制作的。所谓光敏性，就 是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时
3)性质优良，理论上可以测量结构任意点的应变。为了反映结构的真 实状态而在结构全局范围内布置传感器是不经济的,实际应用中也是 无法做到的. 所以应进一步进行FBG传感器优化布置研究,即如何利用 尽可能少的传感器来反映尽可能多的结构信息,达到对结构状态的准 确评估. 4)土木工程结构使用期一般都长达几十年,甚至上百年,因此传感器的 长期稳定性和耐久性直接影响到结构服役期内的状态监测。将FBG 传 感器用于实际结构的监测,其耐久性和长期稳定性需要进一步验证.总 之,光纤光栅传感器具有优良的性能, 在土木工程结构测试中具有广 阔的应用前景。
智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材 料常规工作的同时实现对其安全运转、以及故障的实时监控。将光纤应用于 桥梁测试中，可实现对桥梁钢索的索力及预应力连续混凝土梁内部应力、应 变特性的测量和测控，从而构成智能桥梁。 实例：加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纤传 感器具有很高的精度和重复性，可安装在材料或建筑物表面或埋入内部，对 应变、位移、裂缝、空隙压力等进行监测；我国的缪延彪教授建立了一种新 的波长干涉仪试验系统，该系统可实现较大范围的绝对距离测量。
光纤光栅
一、光纤光栅简介
1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中 观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激 光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。 后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝 光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺振波 长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术， 它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝 光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加 简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提 高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。 这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的 光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到 了10-20），这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。
或永久性变化的一种特性。在外部光源照射时，光纤的折射率随
光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系 并可以被保留下来，成为光纤光栅。
四、光纤光栅分类 1.按周期可分为：
布拉格光栅（反射光栅或短周期光栅） 长周期光栅（透明光栅）
2.按折射率调制强度来划分：
弱折射率调制光纤光栅
强折射率调制光纤光栅
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压力灵敏度
压力影响也是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设温度场和轴向拉力
保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改变，即： 有效折射率的变化为：
其压力灵敏度为：
FBG传感器调解方法
1.边缘滤波器法
边缘滤波器法中输入波长漂移量和输出量光强度变化量线性关系，这种方
法是通过探测滤波器的输出强度来计算波长漂移量的变化。
FBG ：Fiber Bragg Grating的缩写，即布拉格光纤光栅。
当光以α1入射时，将α2以衍射，且满足布拉格衍射方程
nsinα1 - nsinα2 = mλ/Λ
式中，Λ是光栅周期，n 为介质折射率，m 为布拉格衍射级数。光纤中，光 传播有效折射率简化为neff
= nsinα。当m为1 时有： neff1 - neff2 ）Λ
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4.双腔干涉仪扫描法
1996年，Rao等人提出可以在干涉仪中使用长短两个腔，以得到
两组干涉条纹，利用这两组干涉条纹可以提高绝对测量范围。
FBG的分类
根据传感器与被测结构的相对位置关系可分为表面式和埋入式。根 据传感器封装方式的不同,可分为管式、基片式、嵌入式等。
1.管式封装FBG应变传感器
管式封装FBG应变传感器首先将裸光纤光栅置于套管中,施加一定的预
应力使光纤光栅保持平直,再在套管和光纤之间灌入封装胶,从而将光纤光 栅牢牢嵌固在套管内部。封装胶具有一定强度,能很好地将结构的应变传 递至光纤光栅。 管式封装结构具有良好的抗干扰能力。 安装于结构后能准确、快速 地感受基体结构应变的变化, 是一种性能良好的FBG 应变传感器。
2 .基片式封装FBG应变传感器
为1000 mm 的FBG应变传感器,并用于直径混凝土桩在拟静力循环荷载下的 现场实测,结果表明该传感器与传统应变片具有很好的一致性
光纤光栅传感器的特点
●抗电磁干扰 ●电绝缘性能好，安全可靠 ●耐腐蚀，化学性能稳定 ●体积小、重量轻，几何形状可塑
●传输损耗小
●传输容量大 ●测量范围广
光纤光栅传感器的应用
辨率为2．06 kPa，可见其具有非常高的精度。
光纤光栅油井压力传感器
FBG传感器的前景展望
1) 具有体积小、对结构影响小的特点。 将其埋入混凝土结构中, 需要对 其准确定位,融入结构体系中,以取得需要的结构数据. 目前常用的埋入方 法主要有抽管法、预留孔法等,这些埋入方式均不能使传感器准确到达预设 位置并与结构很好地结合成整体。 2) 是有效的、技术先进的传感器。目前光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪 的造价较高,阻碍了其在结构试验和健康监测中的应用,因此应进一步研制 价格低廉、性能优越的传感器系统,加快其实用化进程.
3.按光栅平面是否有倾角划分：
Blazed光栅 非Blazed光栅
光纤光栅传感器
光纤光栅广泛应用于应变、温度、压力、磁场等多种测量场合。 在过去20多年里，光纤光栅传感器的制作、封装、检测和多路复 用技术都取得了很大的进步，使得它们的应用日趋成熟。
这里我们主要介绍布拉格光纤光栅的传感原理、调解方法、分类 及简单的应用。
neff1 - neff2 = λ/Λ
当α2 =
从而得到 λ=（
-α1 时，
λ= 2neff1Λ=2 Λ n
当满足上式的光栅就称为布拉格光栅。
光纤光栅传感原理
温度、应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化， 从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱 或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变和压力信息，这就是 用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。
光纤光栅传感原理图
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温度灵敏度
温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均 匀压力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变 化为式中α 为Fra bibliotek纤的热膨胀系数。
● 应变（力）灵敏度
应变（力）影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。 FBG的波长漂移△λBS和它所受的纵向应变△ε的关系为： △λBS =λB （1- ρα）△ε 式中ρα是光纤的弹光系数， ρα=n*n/2 [ρ11 – ν(ρ11 – ρ12) ] ρ11和ρ12是光纤的光学应力张量，ν是泊松系数。
2.可调谐滤波器法
可调谐滤波器法可以用于测试FBG的波长飘移，其主要是利用了可调谐滤 波器的输出是FBG输出谱和可调谐滤波器谱的卷积的原理，测量的分辨率主 要取决于FBG返回信号的信噪比，以及可调谐滤波器和FBG的带宽。
3.干涉仪扫描法
1992年和1993年，Kersey等人报道了干涉仪扫描法可以用于测量 因应变或温度引起的FBG波长漂移量，这种方法在动态及准静态应变测 量中具有较高的分辨率。
基片式封装FBG应变传感器基本结构是在其传感器基片上刻一 小槽，然后用黏结剂将裸光纤光栅固定在小槽内。刻小槽的目的主 要是增加基片和光纤的接触面积，从而能有效地将基片的应变传递 到光纤光栅上。 相比于管式封装,基片式封装结构不需要将黏结剂灌入套管，传 感器制作比较方便,适合于结构表面应变的测量。但是在使用过程中, 黏结剂直接暴露在空气中,容易受到环境腐蚀，其耐久性需要进一步 研究。