光纤光栅传感器的应用及发展

光纤光栅传感器的应用及发展

光纤光栅自从问世以来，就以其优良特性成为传感领域的新亮点。简要回顾了光纤光栅的

发展历史，介绍了光纤光栅的分类，着重论述了光纤光栅传感器的应用情况，分析了光纤光栅

传感器的未来发展趋势及面临的问题。

光纤光栅的分类：

光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件。根据物理机制的不同，可将光纤

光栅分为蚀刻光栅和折射率调制的相位光栅两类。前者在成栅过程中使光纤的结构出现明显的物理刻痕，

后者主要使纤芯折射率呈周期性分布。目前，无论是发还是工程实用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅

指的是后者。根据光敏机制的不同，又可将光纤光栅分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型.

I型先纤光栅

连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为I型光栅

Ⅱ型光纤光栅

采用单脉冲成栅时发现，不断提高脉冲能量存在一个取决于光纤中锗浓度的阈值(～1J／cm)，低于该

阈值时形成的光栅均为I型光栅，而高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近100％，将

此时的光栅称为Ⅱ型光栅。Ⅲ型光纤光栅区别于I型光栅的是，随着曝光量的增加，折射率呈负增长趋势，显然也不属于Ⅱ型光栅，因此称之为Ⅲ型光栅。根据折射率变化是否均匀，可以将其分为均匀光纤光

栅和非均匀光纤光栅两类。

1)均匀光纤光栅

指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有光纤布喇格光栅(rBG)、长周期光纤光栅(LPG)闪烁光纤光栅刮等.

2)非均匀光纤光栅

指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅和非均匀特种光纤光栅等。

光纤光栅传感器的应用与发展：

1978年，加拿大的Hill等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光的效应J，制成了世界上第一只被称为“Hill光栅”的光纤光栅。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，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。1993年，Hill等人提出了相位掩模写人技术，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后，世界各国迅速开展了对光纤光栅及其应用的研究。光纤光栅的写入技术及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。而光纤光栅独有的抗电磁干扰、高灵敏度和复用技术等优势也逐渐显现出来。自从1989年美国的Morey等人首次报导光纤光栅用于传感以来，光纤光栅传感技术引起了人们极大的兴趣并得到飞速发展，被广泛用于温度、应变、压力、加速度、超声波、振动、电磁场和折射率等多种物理量的测量，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前，FBG为传感器件的传感器成为研发主流，以LPG和啁啾光纤光栅CFG)为传感器件的传感器的研究同样引起人们的兴趣。在土木工程中，对于桥梁大坝、隧道矿井和大型建筑物等来说，其结构会随着时间的推移或者外界环境的改变而变化。因此，需要通过测量结构的应变分布和局部载荷状态来确保其结构健康并安全运行。光纤光栅传感器尺寸小，既可以贴在现存工程结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中。多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式实时监测。1993年，加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥首先采用了光纤光栅进行应力测量，并用此方法长期监测桥梁结构。此后，国外发达国家也都选用光纤光栅传感器作为桥梁长期安全监测的首选技术。1999年，美国新墨西哥Las Cruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器数量最多的纪录。在我国，近几年来，随着国家对安全生产问题的高度重视，大型建筑物安全监测与预警的意义和作用也逐步受到人们的重视。武汉理工大学将光纤光栅传感器引入桥梁长期安全监测预警系统中，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的问题，并应用于武汉阳逻长江大桥、武汉长江二桥等十余座大型桥梁的长期安全监测，取得了非常好的效果。哈尔滨工业大学采用光纤光栅传感器完成了lO余项重大工程的健康监测。此外，南开大学与上海紫珊光电技术有限公司合作，在世博场馆大空间结构安全保障关键技术项目中采用光纤光栅传感器进行健康监测J。这些领域开展的实验测试和实际应用为我国桥梁大坝、隧道矿井及大型建筑物的长期安全监测与预警提供了典范。先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造高速航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，可以在飞行器或舰船运行过程中进行实时健康监测和损伤探测J。自从光纤光栅传感器于1990年次埋人环氧树脂复合材料以及1992年首次埋人混凝土中以来，光纤光栅在航空航天复合材料／结构的健康监测中开始试用。将光纤光栅粘贴于航空航天飞行器(如机身、机翼蒙皮)及发射塔表面或者埋人其内部，可构成分布式智能传感网络，实时监测飞行器及发塔的应力、应变、温度及其结构内部损伤等健康状况. 根据测结果，由驱动元件对结构状态进行相

应的调整，从而保证飞行器正常运行。美国在波音777机翼中掩埋了大量进行蒙皮实验，跟踪复合材料的温度、应力和应变等物理量的变化，大大减少了系统设计安全系数的冗余度，避免了工艺材料的浪费，同时减少了整机负载的重量，经济效益相当可观。2001年，德国的Wolfgang Eche等人研制出新的光纤涂覆技术、光缆结构以及光纤传感垫，其中每个传感垫上有一个光纤光栅温度传感器和两个二维垂直分布的光纤光栅应变传感器。这些光纤光栅传感器被粘贴在X-38宇宙飞船船体背部元件的表面，用来监测飞船在发射和返航过程中的力学载荷和载荷。通过对高载荷结构部件的空间分布式温度和应变进行测量，可以估算出飞船结构主要部件的剩余寿命，实现对飞船的健康监测。2002年，德国的Daniel Betz等人把光纤光栅温度和应变传感器安装在A340-600客机的机身，实现对该型客机结构的载荷标定。2004年，日本的Toshimichi Ogisu等人利用压电陶瓷(PZT)驱动器／光纤光栅传感器，实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测。近几年来，国内在学术和基础应用研究方面取得很大的进展，但与先进国家相比仍有一定的差距。就全球范围而言，光纤光栅及其应用技术多数仍处于起步阶段。此外，传感器在以下众多领域也有应用。

1)生物医学领域

利用传感器体积小、灵敏度高的特点，对细胞体进行温度、压力等信息的测量,

2)电力工程领域

利用传感器的电绝缘性能，对高压开关以及高压变压器绕组、发电机定子等的温度和位移等参数进行实时测量。

3)核领域

光纤光栅传感器具有良好的耐辐射性能，可以用于核电站的反应堆建筑或外壳结构变形监测、蒸汽管道的应变传感以及地下核废料堆中的应变和温度监控等。

4)石油化工领域

通过对光纤光栅进行特殊处理或直接利用LPG，可以制成用于探测各种化学物质的光纤光栅传感器，且探测单元和光纤信号传输均无电流，本质安全，无需现场供电。因此，非常适用于石油化工领域。

总之，光纤光栅传感器以其独特的优点广泛应用于我们生活的方方面面，具有非常广阔的发展前景，非常值得大力研究和开发。