光纤光栅传感器及其发展趋势详解
光纤光栅
光纤光栅与结构集成工艺原理方法及国内外研究现状概述 概述光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。
但是因为裸光纤纤细、质脆、尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程中遇到了铺设工艺上的难题。
因此，对裸FBG 进行封装，是将FBG 传感器在实际应用中推广的一个重要环节，对于研制满足航空航天领域需要的体积小、质量轻FBG 传感器具有重要意义。
一、光纤光栅工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。
当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。
由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：二、光纤光栅的写入2.1 短周期光纤光栅的写制内部写入法(又称驻波法) 将波长488nm 的基模氢离子激光从一个端面祸合到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。
由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。
此方法是早期使用的，该方法要求122πββ-=ΛΛ=n B 2λ锗含量很高，芯径很小，并且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此目前很少被采用。
全息成删法(又称外侧写入法) 1989年，Meltz等人首次用此方法制作了横向侧面曝光的光纤光栅。
用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。
写制设备装置如图2.1所示。
通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以得到不同栅格周期的光纤光栅。
但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。
光纤光栅传感技术在航空航天领域中的应用与发展
光纤光栅传感技术在航空航天领域中的应用与发展作者：李婧怡朱振华来源：《中国新通信》 2018年第4期一、引言20 世纪70 年代末, 光纤传感技术伴随着光纤通信技术的发展而迅速兴起的。
近20 年,光纤光栅作为一种微型光学元件得到迅速发展, 从而使得光纤传感技术的发展得到一个质的飞跃。
在航空航天领域内, 对于各类传感器的使用极其密集。
而对它的灵敏度、体积和重量都有较高的要求。
对于一架飞行器的结构健康监测需要的传感器数量庞大, 因此传感器的尺寸、重量就变得尤为重要。
尤其是当先进的飞行器在飞行的过程中, 传统传感技术已无法满足实时准确监测大气数据这一需求。
另外, 飞行器在飞行期间都会受到极其严酷的飞行环境( 包括高温、强磁场等) 的影响。
现有的传统电类传感器, 很容易受环境因素的限制不能在极端的飞行环境下正常工作，这必然会影响飞行器的使用安全，导致灾难性事故。
而光纤光栅传感器则因其质量轻、体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点, 很大程度上可以克服环境因素的影响,能够准确监测飞行器结构的各种参量, 及时作出判断, 防止事故的发生。
光纤光栅传感技术在航空航天领域内的广泛应用将会对航空航天的发展具有重要的促进作用。
二、光纤光栅传感技术的原理光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤纤芯内形成的折射率的周期性分布结构，当一定带宽的光通过环形器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅具有波长选择性，只能使特定波长的光发生反射，然后通过解调仪或光谱仪来测量反射光的波长变化，就可以实现被测结构的应变和温度的测量, 其传感原理如图1 所示。
光纤光栅周期的改变量和有效折射率neff会影响光纤光栅的反射光谱。
任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布格波长的漂移，它们与波长改变量ΔλB 之间存在如下的关系式ΔλB=2neff ΔΛ+2ΔneffΛ （2-1）基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤光栅的周期或有效折射率的影响，引起发射光中心波长的飘移。
光纤分布式测温光纤光栅
光纤分布式测温光纤光栅1.引言1.1 概述光纤分布式测温光纤光栅是一种新型的测温技术，采用光纤传感器和光栅技术相结合，能够在光纤上实现实时、连续和分布式的温度监测。
光纤分布式测温技术在工业生产、能源开发、交通运输等领域具有广泛的应用前景。
光纤分布式测温技术通过在光纤上布置一定的光栅结构，实现对光的频率或相位的测量，从而间接测量出光纤所处位置的温度。
相比传统的点式温度传感器，光纤分布式测温技术具有以下优势：首先，光纤分布式测温技术可以实现对大范围区域的温度监测。
传统的点式温度传感器只能在特定的位置进行测量，而光纤分布式测温技术可以在整个光纤传感区域内进行连续的温度监测，从而实现对整个区域的温度分布进行实时监测。
其次，光纤分布式测温技术具有高精度的优势。
光纤传感器的传感元件通常采用光纤光栅，可以对光的频率或相位进行高精度的测量，从而实现对温度的精准测量。
同时，光纤的传输性能良好，不易受到外界干扰，可以保证测温的准确性和稳定性。
此外，光纤分布式测温技术还具有快速响应和实时监测的特点。
由于光纤传感器的测量原理是基于光的传输特性，具有传输速度快的特点，可以实时监测温度变化，对温度异常进行及时响应。
综上所述，光纤分布式测温光纤光栅是一种具有广泛应用前景的测温技术。
它的分布式测温能力、高精度测量、快速响应和实时监测等优势，使其在工业生产、能源开发、交通运输等领域都有很大的潜力。
本文将详细介绍光纤分布式测温光纤光栅的工作原理、应用领域以及发展趋势，并对其未来的发展进行展望。
1.2 文章结构文章结构部分应该包括整篇文章的组成和章节划分的介绍。
以下是文章结构部分的内容建议：文章结构：本文总共包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要概述了光纤分布式测温光纤光栅的背景和意义。
正文部分主要介绍了光纤分布式测温技术和光纤光栅的原理、应用等相关内容。
结论部分对全文进行总结，并展望了未来的研究方向。
章节划分：引言部分：首先介绍了光纤分布式测温光纤光栅的背景和意义，引发读者对该领域的兴趣，然后概述了整篇文章的结构和各个章节的内容。
光纤光栅温度传感器
温度传感器技术原理
温度测量方案
巧妙设计传感器结构及安装方式， 巧妙设计传感器结构及安装方式，使传感器敏感单元不受外界应力 应变影响，从而仅感受环境温度。 应变影响，从而仅感受环境温度。
T1 = αT *(λT1 − λT 0 ) +T0
为所测温度值（ 为初始温度值（ 为所测温度值（℃）， T0 为初始温度值（℃）， αT 为温度传感器温度系数 温度时的传感器波长值（ （℃/nm）， λT 0 为 T0 温度时的传感器波长值（nm）， λT 1为 T1 温度时的传感器 ）， ）， 波长值（ 波长值（nm）。 ）。
应用前景
光纤光栅具有耐腐蚀、防水、抗电磁干扰、集传感与传输 于一体、易 于埋到材料内部； 具有波长分离能力强、长期稳定性好、传感准确度和灵敏度极高；
可实现远距离和分布式传感，易于集成分布传感网络系统；
可广泛应用于航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域； 对工程结构的应力、应变、温度，以及结构蠕变、裂缝、整体性等结构 参数的实时在线监测，实现对结构内多目标信息的监控和提取； 依据安装环境定制各种不同用途的传感器，实现多参量多、远距离、同 一仪器监测的“物联网”技术。
工程案例 国家游泳中心—水立方 国家游泳中心 水立方 胜利油田CB32A海洋平台 胜利油田 海洋平台 秦皇岛热电厂开关柜温度监测 安钢动力厂电缆温度监测系统 中石油新疆独山子/塔里木石化油罐群感温火灾 中石油新疆独山子 塔里木石化油罐群感温火灾 探测系统 中石化茂名石化分公司油罐消防监测 中石化青岛炼油厂 首都钢铁股份有限公司焦化变电站温度监测系统
T1
λ 传感器出厂时对应唯一的温度系数 α T ；传感器安装后记录环境初始温 度 T0 和传感器初始波长值 λT0 ，并将该温度值及初始波长值记录于解调 仪作为起始值。今后传感器每一个波长值对应环境一个温度值。 仪作为起始值。今后传感器每一个波长值对应环境一个温度值。
(完整版)光纤光栅温度传感器
应用前景
光纤光栅具有耐腐蚀、防水、抗电磁干扰、集传感与传输 于一体、易 于埋到材料内部；
具有波长分离能力强、长期稳定性好、传感准确度和灵敏度极高；
可实现远距离和分布式传感，易于集成分布传感网络系统；
可广泛应用于航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域；
对工程结构的应力、应变、温度，以及结构蠕变、裂缝、整体性等结构 参数的实时在线监测，实现对结构内多目标信息的监控和提取；
依据安装环境定制各种不同用途的传感器，实现多参量多、远距离、同
一仪器监测的“物联网”技术。
传感器出厂时对应唯T0 一的温度系数 T ；传感器安装后记录环境初始温度
和传感T0 器初始波长值 ，并将T0该温度值及初始波长值记录于解调仪作为起 始值。今后传感器每一个波长值对应环境一个温度值。
温度传感器技术数据
温度监测：
光纤光栅温度传感器置于被测环境中，监测环境 温度的变化，并对预设温度极限进行报警。
❖ 电力方面 电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位 电缆隧道、夹层的火情监测 发电厂和变电站的温度监测、故障点的检测和火灾报警 （原理：高压线等腐蚀点、接触不良故障点由于电阻偏大，温度异常）
❖ 水利土木方面 大坝、河堤的渗漏（渗漏点温度异常） 大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度
工程案例
❖ 国家游泳中心—水立方 ❖ 胜利油田CB32A海洋平台 ❖ 秦皇岛热电厂开关柜温度监测 ❖ 安钢动力厂电缆温度监测系统 ❖ 中石油新疆独山子/塔里木石化油罐群感温火灾
温度/℃
温度曲线
100
y = 26.847x - 41204
光纤光栅传感器的工作原理及发展前景
工 作 波 长， 为 整 数 ， ＝ ￣ 一 ， ＝ ｍ ｓ ／ Ｑ
８ 一 Ｋ２
．
单的综述 ， 为进一步推广光纤光栅传感器的应用起
到一 定 的促进 作用 ．
当波长匹配时 ， 即 ＝０ Ｒ有最大值 ， ， 对于一
阶场 ｍ ＝ １则有 ，
一 ＝ ｔ ｈ（ ） ａ ２乩 ｎ （） ５
迹， 一片树叶飘落 的位置 ， 在宇宙 之初 就已经决定 了． 世界上出现 的任何一种真实 ， 没有任何 选择 自
进步 ， 是人类精神创造力一种表现 ． 在人类文明 中，
一
个 自然科 学理论 的 出 现 ， 是 在 揭示 着 自然 界 中 总
由， 没有任何不稳定 ， 也没有任何偶然性 ． 我们知道 的宇宙、 我们生活的世界果真是这样
切事物的全部过程 ， 勿用说太阳系 １ 亿年形成、 ０ ０
里， 是在人类 的灵魂世界里 ， １ 世纪出现 的普拉 而 ８ 斯妖却在近代科学的世界里 ， 是在人类 的理性世界 里 ． 这样 的世 界里 出现 了妖 ， 是人类 理性 的一种 在 这
成长 、 老 的 演 化 历 程 ， 衰 即便 是 一 只小 虫 飞行 的 轨
２Ｏ 年 第 １ Ｏ８ ０期
物理通 报
知 识介 绍
盈 光光传器工原及展 纤栅感的作理发
李红莲 李小亭 李金海
（ 河北大学质量技术监督学院 河北 保 定 ０ １０ ） ７０２ 摘 要： 给出了光纤 光栅 传感器的工作原理 ， 光纤 光栅 的特点 ， 针对光纤 光栅传感 器实际应用 中存在 的问题 并
力， 可以测量被测量 的空间分布 ， 出剖面信息 ． 给 本
文旨在对近些年光纤光栅传感器 的光学特性、 工作
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。
我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。
接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。
通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。
二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。
其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。
在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。
当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。
这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。
因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。
光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。
分布式光纤光栅传感的研究与发展
光纤 分 布 的环 境 参 数 的连 续 测 量 ， 时也 可 获 得 被 测 量 随 同
组 网规 模 、 应 速 度 和 解 调 系 统 的 分 辨 率 。在 这 ３项 指 标 响 中 ， 网规 模 由解 调 系 统 的 信 噪 比 、 组 网络 的 拓 扑 结 构 及 光 源 的发 射 功 率 等 因 素 决 定 ， 响应 速 度 由解 调 技 术 和组 网 规 模决定 ， 分辨率则取决 于传感 系统所 采用 的解调 方法 。 而
参数 进 行 同 时 测量 ； ⑥潜 在 的低 成 本 ； 传 输 距 离远 （ 达 ⑦ 长
几公 里 ） ⑧ 测 量结 果 具 有 很 好 的重 复 性 。 ；
ｊ １ 分 布 式 光 纤 光 栅 传 感 的 分 类
它 只 能得 到某 些 离 散 空 间位 置 上 的传 感 信 息 ， 存 在 一 定 仍
的传 感“ 区 ” 盲 。其 基 本 原 理 如 图 ２所 示 。
分 布 式 光 纤传 感器 可 分 为 完 全 分 布 式 光 纤 传 感 器 和
准 分 布 式 光 纤 传感 器 二 种 。 完 全 分 布 式 光 纤 传 感 器 是 利
用 一 根 光 纤 实 现 对 整 个测 量 场 的测 量 ， 同时 获 得 被 测 量 并
第 １卷 第 ６ １ 期
Ｖｏ １Ｎｏ ６ ｌｌ Ｊ ｎ Ｏｌ ｕ ２ ２
２ １ ／ 月 ０ ｛ ６ ２ ｉ
分 布 式 光 纤 光栅 传 感 的研 究与 发展
彭 蓓 ， 丽 君 孟
（ 汉理 工大 学 机 电学 院 ， 北 武汉 ４ ０ ７ ） 武 湖 ３ ０ ０
摘 要 ： 布 式 传 感 是 光 纤 光 栅 传 感技 术得 以推 广 的优 点 之 一 ， 利 用 光 纤布 拉 格 光 栅 中 心 反 射 波 长 值 的 不 同来 识 分 它
光纤光栅
基于FBG桥梁的智能检测
国内在光纤光栅传感技术方面的应用没有国外如此 普及，但在桥梁、民建工程以及石油化工等领域 也有不少的应用，比如:上海卢浦大桥、海口世纪 大桥、汾河大桥 、松花江斜拉桥，深圳会展中心， 西气东送工程、大庆输油管道以及其他基础设施 的健康检测。
二、在光纤通信中的应用
A. 光源 a. DFB 光纤光栅激光器 b. DBR光纤光栅激光器 c. 光纤光栅外腔半导体激光器 B. 波分复用器(WDM) C. 光分插复用器(OADM) D. 光放大器中的应用 E. 色散补偿 F. 光交叉连接器(OXC)
主要有应变传感器、温度传感器、加速度 传感器、位移传感器、压力传感器等
市场上每种传感器均有多种系列，产品种类更是 多不胜数，我们着重向大家介绍几种不同公司 的光纤光栅温度传感器
结束了，
谢谢观看！
下面我们主要介绍光纤光栅在传感方面的 应用，即光纤光栅传感器
光纤光栅的传感机制包括应变引起的弹性形变 （elastic distortion）和弹光效应（strain-optic effect），温度引起的热膨胀效应（thermo expansion effect）和热光效应（thermo-optic effect），以及磁场引起的法拉第效应 （Faraday effect），基于光纤光栅对温度和 应变直接敏感，可制成用于检测应力、应变、 温度、压力、振动、位移、加速度、倾角等多 种参量的光纤传感器和光纤传感网。
内部写入法
横向全息写入技术（侧面曝光法）
光纤光栅应用
一、在传感领域的应用
FBG传感的基本原理是利用折射率和光栅周期对 外界参量的敏感特性
I 入射光谱 I 出射光谱
温度或应变变化引起
Bragg波长的偏移
光纤光栅的原理及应用
光纤光栅的原理及应用1. 引言光纤光栅是一种基于光纤的传感器，利用光纤中的光栅结构对外界的物理量进行测量和检测。
它具有体积小、响应速度快、测量范围广等优点，在许多领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍光纤光栅的原理和一些常见的应用场景。
2. 光纤光栅的原理光纤光栅是通过在光纤中引入光栅结构来实现的。
光栅是一种具有周期性折射率变化的结构。
当光线穿过光栅时，会发生光的衍射现象，产生多个方向的散射光。
通过检测这些散射光的强度或频率，可以获得与外界物理量相关的信息。
在光纤光栅中，光纤的折射率会随着光栅的周期性变化而改变。
这种周期性变化可以通过多种方式来实现，例如使用光栅写入技术、光纤拉伸等。
变化的折射率将会对光的传播产生影响，使得传输的光线被限制在光纤的特定区域内。
3. 光纤光栅的应用3.1 光纤传感器光纤光栅可以用作光纤传感器来检测各种物理量，如压力、温度、应变等。
通过测量光纤光栅中的散射光的强度或频率变化，可以推断出被测量物理量的大小。
由于光纤光栅具有高灵敏度和快速响应的特点，因此在工业、医疗、航空等领域得到了广泛应用。
3.2 光纤通信光纤光栅也可以用于光纤通信系统中。
通过在光纤中引入光栅结构，可以实现滤波、增益控制、波长选取等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制和调控，提高光纤通信系统的性能和稳定性。
3.3 光纤激光器光纤光栅还可以用于光纤激光器的制作。
在光纤中引入光栅结构，可以形成一种反射镜，形成光纤激光腔。
通过调控光纤光栅的周期和折射率变化，可以调节激光器的输出功率和频率。
光纤激光器广泛应用于光通信、光谱分析等领域。
3.4 光纤传输系统光纤光栅也可以用于光纤传输系统中的信号调制和解调。
通过在传输光纤中引入光栅结构，可以实现波长选择、信号复用等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制，提高传输系统的带宽和传输距离。
3.5 光纤传感网络光纤光栅还可以用于构建光纤传感网络。
通过在光纤中布置多个光纤光栅传感器，可以实现对大范围区域的实时监测和测量。
光纤光栅传感技术
光纤光栅传感技术光纤光栅传感技术是一种基于光学原理的传感技术，主要是通过光纤光栅的变化来实现对物理量的测量。
随着传感技术的不断发展，光纤光栅传感技术也越来越被广泛应用于各个领域。
一、光纤光栅的构成光纤光栅由光纤和一系列的周期性折射率波动结构组成。
它的制作主要是核心光纤和包层光纤在一定的条件下经过加热和拉伸，形成了一个具有周期性折射率变化的结构。
这个结构可以使光纤对波长进行选择性过滤，同时也可以把激光光束分成几个不同的方向。
二、光纤光栅的工作原理光纤光栅传感技术主要是基于弛豫效应的原理。
当物理量发生变化时，光纤光栅的折射率骤然变化，这就会使得光波在光纤光栅中发生散射，同时也会产生光波的反射和传输，这样就可以通过光纤光栅来测量物理量的变化。
在工作过程中，当光波进入光纤光栅时，它会被反射和散射。
在反射和散射的过程中，光波会在光纤光栅中形成了一定的激发场。
这个场会导致光的相位移动，进而影响到光波的传输。
因此，当光波经过光纤光栅的时候，根据光的相位变化情况，就可以计算出物理量的变化。
三、光纤光栅传感技术的应用光纤光栅传感技术具有高精度、高稳定性和重复性好等特点，因此它在环境监测、地震监测、电力监测、石油开采、桥梁监测和医药仪器等领域都有广泛的应用。
1、环境监测光纤光栅传感技术可以被用来测量环境中的温度、湿度、大气压力等物理量，可以对环境变化的情况进行监测。
2、地震监测光纤光栅传感技术可以被用来测量地震波的传播路径和速度等参数，以及地面震动等参数，可以对地震进行预测和监测。
3、电力监测光纤光栅传感技术可以被用来对变压器、电缆、输电线路等电力设备进行实时监测，可以对电力系统的运行状态进行监测和控制。
4、石油开采光纤光栅传感技术可以被用来测量油井内部的温度、压力、流量等参数，可以对石油开采的过程进行监测和控制。
5、桥梁监测光纤光栅传感技术可以被用来监测桥梁的变形、振动等情况，可以为桥梁的维护提供有力的参考。
6、医药仪器光纤光栅传感技术可以被用来制造医学设备，例如制造血压计、心脏起搏器等医学仪器，在医疗领域中也有着广泛的应用。
光纤光栅传感器原理
光纤光栅传感器原理
光纤光栅传感器是一种利用光栅原理进行测量的传感器，它通过光栅的衍射效
应实现对光信号的测量和传感。
光纤光栅传感器的原理主要包括光栅的形成、入射光信号的衍射效应和信号测量三个方面。
首先，光栅的形成是光纤光栅传感器原理的基础。
光栅是通过在光纤中引入周
期性折射率变化而形成的，这种周期性折射率变化可以通过光栅制备技术实现，常见的制备方法包括光刻、干涉曝光等。
光栅的形成使得光信号在光纤中发生衍射，从而实现对光信号的测量和传感。
其次，入射光信号的衍射效应是光纤光栅传感器原理的关键。
当光信号进入光
栅时，光信号会受到光栅周期性折射率变化的影响，发生衍射现象。
这种衍射效应会使得光信号在光栅中形成衍射波，从而产生衍射光谱。
衍射光谱的特征与光栅的周期、折射率变化等参数密切相关，可以通过分析衍射光谱实现对光信号的测量和传感。
最后，信号测量是光纤光栅传感器原理的实现方式。
通过对衍射光谱进行分析，可以得到光信号的频率、强度、相位等信息，从而实现对光信号的测量和传感。
常见的信号测量方法包括光谱分析、频率测量、干涉测量等，这些方法可以实现对光信号的高精度测量和传感。
综上所述，光纤光栅传感器原理是基于光栅的衍射效应实现对光信号的测量和
传感。
通过光栅的形成、入射光信号的衍射效应和信号测量三个方面的原理，可以实现对光信号的高精度测量和传感，具有重要的应用价值。
在光通信、光传感、光谱分析等领域有着广泛的应用前景。
光纤光栅发展前景
光纤光栅应用及展望一、 光纤光栅的应用随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。
根据不同分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别，（1）根据光栅周期的长短，可以把光纤光栅分为两个基本类型：布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和长周期光纤光栅(Long-period Grating，LPG)。
其中FBG典型周期为几百纳米，在纤芯中正向传输和反向传输的模式发生耦合，可以对特定波长的输入光产生反射；而LPG的典型周期为几十到几百微米，耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层模之间，是一种透射型带阻滤波器。
（2）根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。
均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅,如：①光纤布拉格光栅（FBG）：折射率变化周期一般为10-1μm（即短周期光栅），它是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。
光纤布拉格光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致。
当光经过光纤布拉格光栅时，对满足布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射；对不满足布拉格条件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来。
这是一种性能优异的窄带反射滤波器，具有较高的反射率。
②闪耀光纤光栅（也称倾斜光纤光栅）：闪耀光纤光栅的折射率调制深度和折射率变化的周期均为常数，但波矢方向与光纤轴线方向不一致，有一定的夹角。
光栅中不仅存在正向和反向传输的纤芯基模之间的耦合，而且还会将基模耦合至包层模中或辐射模中。
③长周期光纤光栅：折射率的变化周期一般为102μm，是一种透射型光栅，它能将一定波长范围内的入射光前向传播纤芯模耦合到包层并损耗掉。
非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如：①啁啾光纤光栅（亦称chirped光纤光栅）：光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴变化的光栅。
光纤传感技术的发展及应用
光纤传感技术的发展及应用光纤传感技术是一种多功能、高精度、可靠性强的测量技术，它可以利用光纤传输、测量和检测信号，以检测传感器的参数，以及实时监测环境参数变化。
近年来，光纤传感技术被广泛应用于自动控制、智能监测、计算机网络、环境检测、医疗保健以及军事领域。
1、光纤传感技术原理光纤传感技术是利用光纤作为信息传输媒介来实现传感器信号采集的。
光纤传感器的传感特性基于其能够将光信号转换成电信号的特殊特性而被开发出来。
正常的光纤传感系统由光源模块，光纤连接模块，传感器元件，数字处理模块和计算机接口板组成。
当光源发出的光束照射到传感器元件上时，它将传感器元件，料体上的参数变化同时转换成光信号以及电信号，最后传输到光纤传感系统，通过数字信号处理模块，将光信号转换成有意义的数指，可用于控制和监测。
2、光纤传感技术的发展及应用自20世纪80年代以来，光纤传感技术发展迅猛，因其具有高灵敏度、体积小、重量轻、抗环境恶劣、可靠性高的优点，现在已经在各种领域应用广泛。
纤传感技术主要应用在自动控制领域，如机器人，机械手，机器人导航，工厂自动化，航空航天，智能电网和节能减排等。
同时，也被用于智能监测、实时监测环境参数变化，如地下子午线监测，水资源管理，环境监测，火山灾害监测，地震监测，台风监测以及地球物理和空间物理等。
此外，光纤传感技术还可用于生物医学和军事等领域的应用，比如军事技术监测，生物信息传输，医疗器械监测，生物传感等。
3、光纤传感技术应用面临的挑战尽管光纤传感技术已经发展得很好，但其应用仍面临许多挑战。
首先，光纤传感器设备贵，在大规模应用时，费用成本仍很高，尤其是在室外应用中。
其次，光纤传感技术检测结果的准确性受到光纤性能的影响，由于光纤传输过程中发生的损耗，可能会降低传感器的精度。
另外，随着技术的发展，光纤传感器也可能受到干扰，破坏其正常工作。
4、未来光纤传感技术的发展趋势随着技术的发展，光纤传感技术的发展趋势是多样性与互联性。
光纤光栅传感器原理课件
光纤光栅传感器的传感原理
外界物理量变化
当光纤光栅受到外界物理量（如 温度、压力、应变等）的作用时 ，其折射率调制周期或纤芯长度
会发生变化。
反射波长漂移
由于光纤光栅的反射波长与光栅周 期相关，当折射率调制周期或纤芯 长度发生变化时，反射波长也会发 生相应的漂移。
03
CATALOGUE
光纤光栅传感器的制作与表征
光纤光栅的制作技术
光纤光栅的写入技术
01
利用紫外光干涉法，通过两束相干紫外光在光纤上形成干涉条
纹，引起光纤折射率周期性变化，从而形成光纤光栅。
光纤光栅的制作材料
02
通常使用石英光纤或掺铒光纤作为基材，其线性和稳定性较好
，能够满足光栅传感器的要求。
制作过程中的关键因素
通过测量由应力引起的光栅周期或折射率 的变化，可以推导出待测物体内部的应力 分布和大小。
结构健康监测
生物医学领域
光纤光栅传感器可以嵌入到建筑物、桥梁 等结构中，实时监测结构的变形、开裂等 状况，确保结构安全。
利用光纤光栅传感器可实现对生物组织内 部的温度、压力等参数的实时监测，为生 物医学研究提供有力支持。
测量反射波长变化
通过测量光纤光栅反射波长的变化 ，可以推断出外界物理量的变化情 况，实现对相应物理量的传感测量 。
光纤光栅传感器的信号解调原理
光谱仪解调
利用光谱仪对光纤光栅的反射光谱进行检测，通过测量反射波长的漂移量来解调出外界物 理量的变化。这种方法具有高精度和高分辨率的优点，但设备成本较高。
可调谐滤波器解调
交叉敏感问题
在实际应用中，光纤光栅传感器可能受到多种物理量的交叉影响， 导致测量准确度降低。
光纤传感技术的研究综述
光纤传感技术的研究综述在各种传感技术中，光纤传感技术是一种较新、发展较快的技术，它可以用于环境监测、医学检测、安全监控等领域。
本篇文章将对光纤传感技术的研究现状、发展趋势和应用前景进行综述。
1. 光纤传感技术的基本原理光纤传感技术是一种基于光纤的物理传感技术，利用光纤的物理特性来进行传感信号的测量、传输和处理。
利用光纤传感技术可以实现对温度、压力、应力、振动、湿度等物理量的测量。
光纤传感技术的基本原理是利用光纤传输光信号的特性，通过重复思想的反射和折射来实现传感信号的测量。
光纤传感技术的基本组成部分包括光源、光纤、探测器和信号处理装置等。
2. 光纤传感技术的发展历程光纤传感技术的发展可以追溯到上世纪60年代初期。
最初，光纤传感技术主要应用于通信领域，用于实现传输信号的传递。
1976年，美国物理学家利用自制的光纤传感系统实现了对生物有机物的测量，为光纤传感技术的应用奠定了基础。
80年代初期，由于光纤材料的不断发展和制造工艺的改进，光纤传感技术逐步得到了广泛应用。
光纤传感技术的应用领域也在不断扩展，如利用光纤传感技术来测量工业控制系统中的压力、温度等物理量；利用光纤传感技术来进行地震、风力和海洋测量。
90年代初期，光纤传感技术的研究重点逐渐转向传感器的设计和制造，推动了光纤传感技术的快速发展。
3. 光纤传感技术的研究现状近年来，随着科技的不断进步和需求的改变，光纤传感技术的研究也取得了长足发展。
光纤传感技术的研究现状主要有以下几个方面：（1）传感器的设计和制造。
传感器是光纤传感技术最重要的组成部分之一。
当前，传感器的设计和制造已经进入了高度发展阶段，能够满足多种应用需求。
例如，针对不同的物理量可以设计不同的传感器，并通过改变传感元件的工艺和结构来实现对特定物理量的测量。
（2）信号处理技术的研究。
在光纤传感技术中，信号处理技术是十分重要的一环。
当前，信号处理技术的研究重点主要集中在数据采集、信号特征提取、数据建模和算法设计等方面。
光纤传感技术的新进展与应用
光纤传感技术的新进展与应用光纤传感技术是一种新兴的技术，它通过使用光纤作为传感器，利用光学信号的变化来检测物理量的变化，如温度、压力、形变、振动、化学浓度等。
近年来，随着光纤技术和光学技术的快速发展，光纤传感技术也得到了广泛的应用和发展。
一、光纤传感技术的新进展1.1 光纤传感机制的研究在光纤传感技术中，传感器的本质是光纤。
通过改变光纤的细微结构和物理性质，来实现光发射和光探测，并将这些信号转换为能够被处理和理解的信号。
研究光纤传感机制是光纤传感技术的核心问题。
近年来，光纤传感器中的新型材料、微结构和生物分子等的应用都在探索中，尤其是在利用纳米颗粒、量子点和碳纳米管等新型材料，使得光纤传感器具有了更高的敏感度、选择性和稳定性。
这些新型材料将光纤传感技术拓展到了更广泛的领域，如生物医学、环保、食品安全等。
1.2 光纤传感器的制备技术光纤传感技术是通过利用光传输和光反射，来监测物理量的变化。
在光纤传感器的制备中，光纤材料的选择和制备技术是至关重要的。
光纤传感器的制备技术主要包括纤维拉伸、纤维光学拉曼分析、激光加工、溶胶-凝胶法等。
这些制备技术具有不同的特点和应用，可以根据具体的需求选用适合的技术。
1.3 光纤传感数据处理的方法光纤传感技术能够实时监测物理量的变化，产生大量的数据。
如何有效地获取、处理和分析数据，是光纤传感技术的一个瓶颈问题。
目前，音频信号处理、数字图像处理、模糊逻辑处理和人工神经网络等都被应用于光纤传感数据处理中。
对数据的高效处理和分析，将为光纤传感的应用提供重要保障。
二、光纤传感技术的应用2.1 光纤传感技术在工业领域中的应用光纤传感技术在制造业、化工工业、航空航天等领域中大量应用。
利用光纤传感技术，不仅可以实时监测生产中的温度、湿度、振动等物理量的变化，也可以实现对材料的性能进行实时监测和控制，提高了生产效率和质量。
2.2 光纤传感技术在医学领域中的应用光纤传感技术被广泛应用于医疗领域。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。
【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术
一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。
1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。
图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B满足
effn2B
其中，effn为有效折射率，为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之改变，从而导致反射光波长产生变化。反射谱中心波长的变化与温度T、应变的关系为
)P-(1T)(efBB （1）
其中，f为热膨胀系数，为热光系数，eP为弹光系数。因此在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前后，检测其反射光中心波长的变化，就可通过式（1）得到光纤光栅受到的轴向应力或自身温度的变化情况。光纤布喇格光栅传感器主要研究是对温度、应变和应力的检测。
1.2 长周期光纤光栅传感原理 相对光纤布喇格光栅而言,长周期光纤光栅的周期要长很多，可从几十微米到几百微米。与光纤布喇格光栅传感器的工作原理不同，长周期光纤光栅传感器主要检测其透射波长的变化。其数学模型较为复杂，是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构，主要是基模与同向包层模之间的耦合，其损耗峰较宽，有宽阻带滤波特性。长周期光纤光栅传感器具有后向反射率低、带宽宽等特性，对应力、温度、外部折射率变化都有响应，而且对应力、温度变化的响应灵敏度比光纤布喇格光栅传感器要高得多，对横向应力也有感应，是现在光纤光栅传感器的研究重点。
1.3啁啾光纤光栅传感原理 与光纤布喇格光栅传感器的工作原理基本相同，在外界条件的作用下，啁啾光纤光栅传感器除了B的变化以外，还会引起光谱的展宽。啁啾光纤光栅传感器在应变和温度共同作用的情况下有着明显的优势，由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化对反射信号的影响则源于光纤折射率的温度依赖性，仅影响其重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以实现对应变和温度的同时测量。
二、光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成，如图2-1所示。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息则通过信号解调系统实时地反映出来。
宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器，传感器的反射波再经过耦合器进入可调谐滤波解调系统，可调谐滤波解调系统对传感器的反射波进行解调。 图2-1 光纤光栅传感系统 在光纤光栅传感中，光源必须满足带宽较宽、输出功率强与稳定性好等条件，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。
信号解调主要完成光信号波长信息到电参量的转换，及对通过电参量进行运算处理提取外界信息。光纤光栅传感解调的方法主要有匹配光纤光栅解调法、FP腔长滤波解调法、干涉法等。
三、光纤光栅传感器的应用 光纤光栅传感器具有传输距离远、不受电磁环境干扰、不产生电磁干扰、不对易燃气体构成危险以及能在高温、腐蚀性等恶劣环境下进行工作等优势，在诸如石油、化工、电力、土木工程、交通、医学、航海航空、地质斟探、通讯、自动控制、计量测试等领域得到广泛的应用。
在电力系统中，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，传统传感器由于易受强电磁场的干扰无法在这些场合中使用，光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。
在民用工程中，适用于民用结构的传感器应具备稳定、较高的灵敏度与适应范围、线性响应、单端口、对结构无影响等特点。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测，或由多个光纤光栅传感器串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，用以实现桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的应力、应变、裂纹、振动、腐蚀等状况的监测。
在石油化工系统中，由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点，使得传统传感器难以在井下很好地发挥作用。然而光纤光栅传感器则由于其体积小，重量轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好等优势，特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因此在油井参数测量中发挥着不可替代的作用。
在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用传统传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，而采用光纤光栅传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，因此在这些领域得到广泛的应用。
四、光纤光栅传感器技术的研究方向 光纤光栅传感及其相关技术的迅速发展满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，目前光纤光栅传感器技术的研究方向是多用途、提高可靠性和稳定性、使其能够适应恶劣环境，下面将用实例做一一说明。
（1）多用途，即表示光纤光栅传感器不仅仅只针对于某一单一的物理量，还能实现对多个物理参量的同时测量。通过将光纤光栅传感器与其他传感器组成混合传感器系统，利用光纤光栅传感器与其他传感器对不同物理参量的灵敏度差异，实现对多个物理参量的同时测量，近几年来有人针对此设想陆续提出了不少研究成果。
例如, 2014年提出一种如图4-1所示的混合传感器系统[1]，由基于丙烯酸酯涂覆层保偏光子晶体光纤的偏振式光纤传感器、剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤传感器、光纤布喇格光栅传感器组合而成，其中光纤布喇格光栅传感器用于测量温度，基于丙烯酸酯涂覆层保偏光子晶体光纤传感器用于测量轴向应变，剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤传感器用于测量热应变，由此可以实现对复合材料应变、温度和热应变的同时测量，可用于对复合材料的实时监测。
图4-1 实现对复合材料应变、温度和热应变同时测量的混合传感器系统 2016年也就是最近几天有人提出一种可用于同时测量温度和张力的混合传感器系统[2]，如图4-2所示，该系统将利用拼接两段掺Ge/B光敏光纤的过程中形成的气泡作为法布里-帕罗干涉仪FPI（在-70°C～-20°C间温度灵敏度为0.67pm/°C，压力灵敏度为3.76 pm/με），并直接将拼接后的光纤暴露于248nmKrF准分子激光器刻蚀布喇格光栅FBG（在0με～500με间温度灵敏度和压力灵敏度分别为8.40pm/°C、 1.40pm/με）于其上，通过FP腔与FBG对于温度、压力的灵敏度差异来实现对温度和张力的同时测量。
图4-2 实现对温度和张力同时测量的混合传感器系统 （2）实用化，顾名思义，就是使得光纤光栅传感器技术能更深入地渗透于人们的生活日常中，为人们带来更多的便利。
例如，假肢肢槽接触面的压力分布对日常生活中假肢使用者假肢移动的灵活性与舒适度有着十分重要的影响，2016年有人提出了基于光纤光栅传感器实现假肢肢槽接触面压力测量的衬垫[3]，光纤光栅测量的精确度和可重复性是该传感器相较于其它压力传感器的主要优势，实验过程如图4-3所示。 图4-3 基于光纤光栅传感器实现假肢肢槽接触面压力测量的衬垫实验测量 2016年有人研究被刻蚀成不同口径的单模塑料光纤光栅[4]来增强传感器的灵敏度及生物相容性以便将传感器应用于生物医学，并在此基础上分别提出了测量血压和测量脚压的两种塑料光纤光栅传感器。
2016年有人提出了利用五个薄膜压力传感器结合检测它们工作状态的光纤光栅传感器构成的用于测量航天燃料的混合传感器[5]，该混合传感器系统在乘喷气式飞机A1上进行燃料容量测试呈现良好的线性关系，具有灵敏度高和可重复测量等优势。
现今的实用化研究朝着实用性、产业化及降低成本三个方向并行努力着。 （3）提高可靠性跟稳定性，可靠性跟稳定性一直是衡量光纤光栅传感器性能的两个重要指标，直到现今仍是光纤光栅传感技术努力的方向之一。
例如，光纤布喇格光栅传感器是液体中如石油、液化天燃气等进行检测如压力、振动等物理参数的关键技术，2016年有人对传感器在液体中位置对压力灵敏度的影响进行实验研究[6]，如图4-4所示，以找出传感器最佳的定位从而提高对如石油、液化天燃气等智能监测的可靠性和稳定性。
图4-4 光纤光栅传感器的位置对应变灵敏度影响的实验装置 2016年有人提出了在长周期光纤光栅上镀200nm氧化铝薄膜并进行硅橡胶封装以提高传感器温度灵敏度[7]，该传感器温度灵敏度高达0.77nm/°C。
2011年有人提出了基于掺杂BDK（2，2-二甲氧基-2-苯基苯丙酮）塑料光纤布喇格光栅的高灵敏度温度传感器[8]。由式（1）可看出当隔绝压力影响时布喇格光纤光栅反射峰中心
波长的移动与热膨胀系数f、热光系数存在线性关系。塑料光纤的热光系数、热膨胀系数均比普通的石英光纤要高出至少一个数量级，因此温度的变化对塑料光纤光栅传感器反射峰中心波长的影响要较石英光纤光栅传感器要大得多，温度灵敏度相较而言要高出一个数量级。
（4）使其能够适应恶劣的环境，我们知道在恶劣的环境条件（诸如高温、高压、高辐射、化学腐蚀等）下，进行某些必要的监测是十分困难的，有些在目前技术条件下难以实现，而有些则技术成本过于昂贵，而光纤光栅传感技术由于其体积小、重量轻、抗腐蚀能力强、