光纤光栅传感原理

FBG 传感器基本结构及传感原理

光纤光栅是一段纤芯中具有折射率周期性变化结构的光纤，利用光纤的光敏特性制成的，由于石英光纤具有紫外光敏特性，故可在光纤上直接制作光波导结构形成光纤波导器件，相当于在纤芯内有一个窄带滤波器或者反射镜。基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。它具有以下明显优点：

(l)抗干扰能力强。一方面是因为普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。

(2)传感头结构简单、尺寸小，适合于许多工程应用场合，尤其是智能材料与结构。

(3)测量结果具有良好的重复性。

(4)能进行波长编码，便于构成各种形式的光纤传感网络。

(5)制作时对光纤无机械损伤，是一种本征传感器，可靠性好。

(6)波长移动响应快，线性输出动态范围宽。

(7)具有波长自参考特点，能实现绝对测量。

(8)具有对环境干扰不敏感性。

光纤光栅是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，通过空间周期性强紫外激光照射使外界入射光子和纤芯里面的掺杂粒子相互作用，使纤芯形成折射率沿轴向非周期性或周期性分布的结构，从而形成空间相位光栅。FBG 结构如图1 所示，其中，内层为纤芯结构，外层为包层结构，纤芯的折射率比包层的折射率稍大。图中Λ为光栅的周期，当光波通过FBG 传感器时，满足特定波长的光被光纤光栅反射回去，其他波长的光透过【】。

图1光纤布拉格光栅结构示意图

根据光纤耦合模理论，光纤Bragg 光栅的谐振方程为：

Λ=eff B n 2λ (1) 式中λB 为光纤Bragg 中心波长；n eff 为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。由此可知FBG 传感器中心波长由其纤芯有效值折射律和光栅周期共同决定。对（1）式微分得：

∆Λ+Λ∆=∆eff eff B n n 22λ （2）

由（2）式可知，n eff 或Λ改变时，光纤Bragg 中心波长会发生漂移。

由于无论是对光栅进行拉伸还是压缩，均会导致光栅周期Λ发生变化；此外，光纤本身具有的弹光效应决定了其有效折射率n eff 必随外界应力状态的变化而变化。应力应变引起光栅布喇格(FBG)波长漂移可用下式表述：

（3）

式中Pe 为FBG 的弹光系数；K 为测量应变的灵敏度。

温度变化引起FBG 波长漂移可用下式表述：

T T K T B T ∆+=∆=∆)(ξαλ （4）

式中，α为FBG 的热膨胀系数，ξ为FBG 的热光系数。在同种温度环境下，采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。因此，这使得应力应变成为所有反映引起光栅布拉格波长漂移的最直接外界因素。

由于该传感器在结构检测中只需要检测光纤光栅波长分布图中波峰的准确位置，而与光强无关，故对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力，且具有优异的变形匹配特性。当外界被测量引起光纤光栅温度、应力或磁场改变时，都会导致反射中心波长的变化。因此，通过测量光纤光栅中心波长的变化就可以反映出外界被测信号的变化。

2.1.2 FBG 传感网络复用及解调原理

FBG 传感网络系统包括传感部分和解调部分，解调部分是传感网络话的基础，其中传感光栅的复用是关键技术。复用技术可以是用多个传感器共用同一光源和解调系统，从而降低成本，简化设备。通常情况下可以通过对光载波的频谱、幅度、相位或偏振情况进行调制编码。图2是简单的FBG 传感网络复用的原理图。

εελλ∆=∆-=∆K P e B B g )1(

波长编码返回

图 2 FBG 传感网络复用的原理图

光纤光栅传感系统包括传感部分和解调部分，而目前解调部分是影响光纤光栅传感实用化的关键。传感过程是通过外界参量对光纤光栅中心波长的调制来实现，而解调过程恰好相反，是将反射波长的变化量转化为我们未知的外界参量信息的过程。图中多个FBG 传感器反射光波长为λ1，λ2，…，λn ，不同中心波长的FBG 传感器组成传感网络阵列，分别感应待测结构沿线分布各点的应力应变，并使它们的反射光波长发生改变；不同的改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将它们转换成电信号；由二次仪表计算出待测结构的各个测点的应力应变大小，从而获得整个待测结构的应力应变分布状况。

2.1.3 实验系统构建

结构内部存在的损伤、缺陷会引起外界应力场的变化，将FBG 传感器埋入复合材料粘接胶层内部，构成分布式传感网络， 通过建立胶层内部应变模态变化引起的FBG 传感器中心波长变化的对应关系，实现损伤的检测的目的。FBG 传感网络监测系统如图2.3所示。该系统包括FBG 传感器网络阵列、光纤光栅解调系统、PC 上位机及相关软件。其中FBG 传感器网络阵列位置分布对实际测量具有关键作用，其位置和性能直接影响检测信号的准确度和强度。

光纤光栅解调系统FBG 传感器

控制信号上位机测量数据

图 2.3 FBG 传感网络监测系统原理图

图2.3中不同反射光波长的FBG 传感器由光纤作为光波传输通道相连接，并埋入复合材料胶接层内部，光接口与光纤光栅解调仪相连接，计算机用于对光纤光栅解调仪采集的数据进行保存和后续的数据处理分析。在传感过程中，光纤光栅解调仪发出宽带光源通过传输通道进入FBG 传感器，埋在胶层的FBG 传感器在外力、温变作用下，对光波进行调制；带有外界调制信息的光波通过FBG 传感器反射，进入光纤光栅解调仪内部的接收装置，进行解调并输出给PC 机进行数据处理和分析。