光纖光柵傳感器的基本原理及實(shí)際應(yīng)用，介紹了光纖光柵傳感器在地球動(dòng)力學(xué)、航天器及船舶航運(yùn)、民用工程結(jié)構(gòu)、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)、和化學(xué)傳感中的應(yīng)用。

　　一、前言

　　1978年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的G.Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。

　　光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵的種類很多，主要分兩大類：一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵);二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵，色散補(bǔ)償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。

　　在光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達(dá)400℃-600℃)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn)，早在1988年就成功地在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測技術(shù)，同時(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域，還在土木工程領(lǐng)域(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測定其結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。

　　二、光纖光柵傳感器的工作原理

　　我們知道，光柵的Bragg波長λB由下式?jīng)Q定：λB=2nΛ(1)

　　式中，n為芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量，也可同時(shí)測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，還可實(shí)現(xiàn)對電場等物理量的間接測量。

　　光纖光柵傳感器的工作原理上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對單參數(shù)的定點(diǎn)測量很有效，但在需要同時(shí)測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時(shí)，就顯得力不從心。一種較好的方法就是采用光纖光柵傳感器。

　　光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下光纖光柵除了△λB的變化外，還會(huì)引起光譜的展寬。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的，光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT)，僅影響重心的位置。通過同時(shí)測量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測量應(yīng)變和溫度。

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