光纤光栅传感器

光纤光栅

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。

光纤光栅可与光纤完全兼容，不存在集成波导光栅与光纤的耦合问题。光纤光栅的出现，使许多复杂全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。

3.3 光纤光栅传感器的工作原理

1989年Morey等人首先对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了研究。应力影响由光弹效应导致折射率变化和形变使光纤光栅周期变化引起，温度影响由热光效应使有效折射率改变和热膨胀效应使光栅周期变化引起。

光纤光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应力或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长变化。由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。即采用波长调制方式，将被测信息转化为特征波长的移动。实验测定，布拉格波长在1550nm附近的光纤光栅的应力和温度响应分别为1.2nm/με和1.0nm/。

根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的波长光被反射，于是有

（3-1）式中：为导模的有效折射率，为光纤栅格周期。

符合布拉格条件的反射光波长的移位为

（3-2）3.3.1 温度响应

当只考虑温度影响时，有

（3-3）式中：为热膨胀系数，为热光系数。且有

（3-4）

（3-5）对于掺锗石英光纤，取；的范围内，取

，在时，取。

3.3.2 应变响应

当只考虑应力影响时，有

（3-6）式中：为轴向应变，是泊松比，p是光纤光栅应变灵敏度系数。

对于掺锗石英光纤，p取0.22，则

（3-7）实际应用中，是个很小的量，可以引入作为应变度量单位。

3.3.3 光纤光栅传感器性能指标

传感器波长：FBG反射谱中的尖峰的中心波长，大多FBG传感系统工作在50nm （1520nm~1570nm）窗口范围内。

传感器带宽：FBG反射谱中的尖峰下降3dB时对应的波长宽度。带宽越小，测量精度越高。实际的制作工艺可达到0.2nm~0.3nm之间，通常取0.25nm。

反射率：返回测量系统的光功率占原始光功率的百分比，决定信号强度。边模抑制：决定信噪比。

3.3.4 光纤光栅传感器的特点

光纤光栅与光纤之间存在固有的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感。且具有抗腐蚀、抗电磁干扰、频带宽、重复性好、多只光栅时分、波分复用方便及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等特点。波长编码保证了检测到的光频谱取决于光源和布拉格光栅的频谱，对电磁场以及布什加在光栅上的应力、温度等都不敏感。

光纤光栅传感器使用于特殊结构的传感网络，如水坝寿命监测、桥梁缺陷监测、大型运输载体的复合材料在不破坏材料性质基础上对多种物理量的多点分布测量等。

2.3 光纤布拉格光栅的传感解调原理

如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移，是光纤光栅传感器实用化面临的关键技术。为此，人们提出了许多检测方案，大致可分为光谱分析法、可调谐光纤光栅滤波器法、可调谐光源检测法、可调谐法布里-珀罗滤波器法等。

（1）光谱分析法

光谱分析法是最基本的波长解调的方法，实验室通常都用这种方法来检测光纤光栅的波长偏移。可以用反射式，如图2-2(a)所示，也可以用透射式，如图2-2(b)所示。这种方法结构简单，但通常适用于实验室使用传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱仪测量波长变化，是一种最基本的方法。这种方法有很大的局限性，一是精度低，不能很好的满足一般测量要求；二是仪器体积大，不适于现场应用；三是价格高。另外，光谱分析仪还不能直接输出对应波长变化的电信号输出，这种方法通常无法满足工程应用的要求。

(2) 可调谐光纤光栅滤波器法

可调谐光纤光栅滤波器法也称为匹配光纤光栅滤波器法。这种方法需要借助于另外的光纤光栅（称为参考光纤光栅），在驱动元件的作用下使用参考光纤光栅的谐振波长跟踪传感光纤光栅的谐振波长的变化，通过测量驱动元件的驱动信号来获得作用于传感光栅的物理量。可调谐光纤光栅滤波器法结构有两种，一种是透射式，一种是反射式，如图2-3和图2-4所示，光纤布拉格光栅1和光纤布拉格光栅2是两个（可以串接更多个）传感光纤光栅，其反射波长可以随温度或应变而发生变化，用以反映被测量的变化。

图2-2 光谱分析法波长解调

宽带光源的波长分布覆盖光栅反射波长变化的范围。耦合器为3dB耦合器。光纤布拉格光栅0是一个可调谐的参考光纤光栅，它固定在压电陶瓷(PZT)上，压电陶瓷由线性电压驱动，从而可以对参考光纤光栅（光纤布拉格光栅0）的谐振波长进行调谐，其波长

图2-3 可调谐光纤光栅滤波器法结构（透射式）

的变化范围能够覆盖传感光纤光栅的波长变化区间，也可以通过其他方法（如悬臂梁）来实现调谐。参考光纤光栅（光纤布拉格光栅0）的电压和波长关系已通过标定，有确定的关系。在透射式结构中，当参考光纤光栅的反射波长和某一个传感光纤光栅的反射波长匹配时，光电探测器探测到的光强出现最小值，从而可以测量出传感光纤光栅的反射波长，进而可以计算出光纤光栅的应变或所处环境的温度变化。在反射式结构中，当参考光纤光栅的反射波长和某一个传感光纤光栅的反射波长匹配时，光电探测器探测到光强出现最大值。

图2-4 可调谐光纤光栅滤波器法结构（反射式）

当单个光纤光栅光纤光栅0的调谐范围不能覆盖传感光纤光栅的波长范围时，可以用多个匹配光纤光栅构成的光栅阵列，调谐光纤光栅与传感光纤光栅一一对应，波长范围互不重叠。匹配光纤光栅之间并联连接，可以通过耦合器同时接在反射光纤上或用光开关分时介入反射光纤光栅。

可调谐光纤光栅滤波器法的优点是结构简单，而且对反射光光强无特别要求，强度噪声不会对输出结果有影响。但这种方法也有不足之处，主要要求两个光纤光栅匹配，而且受参考光纤光栅应变量的限制，传感光纤光栅的测量范围不能很大，以及由于压电陶瓷的响应速度有限，使这种方法只适用于测量静态或低频变化的物理量。

4光路设计

4.1 整体光路系统

图4-1 整体光路系统结构图

激光器发出的光经过光隔离器后，被调制器（调制信号为正弦RF信号）调制，得到的调制光经过标准布拉格光栅的反射滤波。然后融合分光束参考法、匹配光纤光栅探测法及光纤光栅复用，使标准FBG反射的波与传感FBG反射的波