综述性文章

5）.支持无人值守监测站应用。 6）.系统集成度高，可与局域网、广域网以及 MIS 系统方便 连接，方便管理。 7）.分布式测量，耐久性好。 8）.实时性好,24 小时不断监测，不受人为因素的影响，将 人为事故降至最低。 4.2 光纤光栅传感系统的应用： 光纤光栅传感系统应用十分广泛，并且特别适合于恶劣或 特殊的环境中。他的主要应用范围如下： 1）.民用工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构、建筑等 的健康安全监控 2）.航空航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位 等指标的监测 3）.船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警 4） .电力工业： 由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响， 所以特别适合于电力系统中的温度监控 5） .石油化学工业： 光纤光栅本质安全， 特别适合于石化厂、 油田中的温度、液位等的监控 6）.核工业中的应用：监视废料站的情况，监测反应堆建筑 的情况等
光纤光栅及其传感系统
卫广远
1、综述 自从 1989 年 POREY 首次报道将光纤光栅(Fiber Bragg Grating，简称 FBG)用作传感器件以来，传感光纤光栅受到了世 界范围内的广泛重视。 传感光纤光栅是一种光纤无源器件，是制作在光纤芯内的 布拉格反射器。它利用光纤材料的紫外光敏性，在纤芯内部形成 空间相位光栅。这样具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光栅 后，特定波长的光沿原路反射回来，其余波长的光信号则直接透 射出去。 改变光栅的有效折射率或周期就能改变光栅反射的中心波 长，利用这一特性可以将光纤光栅用于许多物理量的传感测量。 其中温度是光纤光栅能够直接敏感的物理量之一。 温度引起光栅 中心波长的漂移主要有两个方面的原因： 起主要作用的光纤材料 的热光效应，起次要作用热膨胀效应。这样光栅的中心波长漂移 就反映了所处温度场的变化情况，从而达到测量的目的。
具有光敏性，结果导致光栅只能形成在纤芯中，而不能形成在光 纤包层中。 在双光束干涉法中，激光束被分为双光束，双光束在光纤 处发生干涉。双光束干涉法的一个优点是，可以在一个宽的范围 内调整光栅间距，从而控制光栅写入的反射波长，但此方法Hale Waihona Puke Baidu求 光路调整精度高，写入平台稳定。 相位掩膜板法，如图2所示。相位掩膜板是利用对紫外透明 的石英玻璃平板制成。在平板表面，使用平版照相印刷的方法， 空间周期性的刻槽就被蚀刻出来。周期性刻槽的形状接近方波。 对于相位掩膜板法，光路调整和平台稳定性方面，比双光束干涉 法要求低，但缺点是光栅中心波长选择相对受限，一块掩膜板最 多只能写几个纳米范围内的光纤光栅。
图2：相位掩膜板法制造光栅技术
垂直照到相位掩膜板的紫外光，在通过相位掩膜板的时候， 因为有周期性刻槽存在，将发生衍射。相位掩膜板设计为抑制零 级，使光的大部分集中在±1级衍射光内。当光纤紧贴相位掩膜 板放置时，±1级的周期性干涉图案就印制到光纤上，从而形成 光栅。如果相位掩膜板的周期是Λmask，光纤光栅的周期就为Λmask /2。 折射率变化（∆n）的大小取决于几个条件，如照射条件(波 长,强度和总照射量)、纤芯材料和光纤光敏性等。譬如载氢技术 可以提高光纤的紫外光敏性，从而增加光纤的折射率变化。通常 在锗搀杂光纤中, ∆n的数量级是10 到 10 范围内。 3、光栅传感器 光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化 的结构。根据模耦合理论，=2 nΛ的波长就被光纤光栅所反射 回去（其中 为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n 为纤芯 的有效折射率） 。
为光纤的热膨胀系数，
为光纤材料
为光纤材料的弹光系数。 在 1550nm 窗口， 的热光系数， o 中心波长的温度系数约为 10.3pm/ C， 应变系数为 1.209pm/με。 如果将 FBG 封装在温度增敏材料中， 可以提高它的温度系数灵敏 度，进而得到更大的测量精度。
图4：FBG传感器内部封装示例 FBG传感器封装时，通常用玻璃管、金属管、金属散件，以 及固定胶等保护起来（如上示意图），以避免光栅损坏和环境变 化影响。 4、波长分析仪 太辰光通信公司的光纤光栅波长测量仪(TS-WI810A)是基 于可调谐光纤 F-P 干涉仪的光纤光栅波长测量仪器， 通过更换不 同的光纤光栅传感头，就可以完成对不同物理量的测量。 TS-WI810A 有 8 个通道，每个通道可接 15 只光纤光栅传感器， 可以实现多传感器的测量。广泛适用于电力，建筑，石油等特殊 场合的温度、应力、应变等的监测。 仪器中使用 ASE 光源，经过可调谐光纤 Fabry－Perrot 滤 波器（FFP）后，成为窄带扫描光，经光纤光栅传感器反射后， 由光电管（PD）探测出一系列光功率信号，通过软件处理和与标
图 1：光纤光栅的中心波长漂移 由于光纤光栅中心波长随温度的变化关系是线性的，所以 可以非常方便地应用在传感领域。 传感光纤光栅除了具有普通光 纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、不带电量、不产生热量、防 燃、防爆、重量轻、体积小、能在有害或危险环境中安全运行等 优点外，还有其独特的优点：探头结构简单，尺寸小，易于与光 纤耦合，耦合损耗小；抗干扰能力强，集传感与传输于一体且具 有更强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛，易于实 现多参数传感测量等等。 近几年随着对波长解调技术的深入研究和不断成熟，已经 扩大了光纤布喇格光栅传感器的应用， 并为智能传感这一新思路 创造了的一个新的机遇。智能结构监测，智能油井和管道，智能 土木工程建筑， 以及智能航空、 航海传感都需要高质量、 低成本、 稳定性好、传感特性精密的光学传感器，FBG 传感器阵列由于其 波长编码、可同时测量多个物理量（温度、应力、压力等）以及 一路光纤上应用波分复用技术等自身的优点在上述领域已经得 到了广泛关注。 2、光纤光栅的写入 有几种不同的光纤光栅写入方法，最基本的方法有两种， 双光束干涉法和相位掩模法。两种方法，都是从侧面将裸纤暴露 在紫外光束的干涉图案下，因为光纤的光敏性，干涉图案写入到 光纤内，参看图1。光纤纤芯通常是搀杂的（如锗），所以纤芯
准波长的比较，解调出不同光栅传感器的中心波长，从而实现相 应物理量的测量。 原理框图如下：
图 5： TS-WI810A 原理框图 5、光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统是由光纤光栅传感器、传输光缆、光纤 光栅解调仪和检测计算机组成的一套系统。如下图：
图 6:光纤光栅系统图
具体来说，光纤光栅传感器安装于现场监测部件上，通过 光纤连接至控制室的光纤光栅中心波长解调仪上， 通过解调仪即 可分析出现场被检测部件的物理量（如温度，应变，位移等） ， 信号通过计算机处理后对数据可实施数据存储，过限报警。 其测量工作原理图如下：
图 7:光纤光栅测量原理框图 4.1、光纤光栅传感系统的优势： 同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用 中具有非常明显的技术优势： 1）.可靠性好、稳定性高。由于光纤光栅对被感测信息用波 长编码，而波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动以 及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，因而光纤光栅 传感器具有非常好的可靠性和稳定性； 2）.传感部分是全光纤结构，没有任何电压、电流信号，防 静电、无火花、耐腐蚀。 3）.测量精度高、不受强电磁信号影响。 4）.单路光纤上可以串联成多个光纤传感器，测量点数多， 传输距离远。
-5 -3
图 3：光纤光栅的结构 反射的中心波长信号 ，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射 率 n 有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都 会导致反射的中心波长的变化。 也就是说光纤光栅反射光中心波 长的变化反映了外界被测信号的变化情况。 光纤光栅的中心波长 与温度和应变的关系为：
其中，