光纤光栅传感器种类及应用

[来源：sky] [日期：2015-06-12] [点击数：5927]

光纤光栅传感器已成为当前光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造技术的进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断涌现,光纤光栅传感器在传感器领域中已经处于越来越重要的地位。在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、电力工业、石油化工工业、医学、核工业等有非常广泛的应用。许多具有发展潜力和市场前景的可实用化技术研究都在进行当中,这些技术的成熟将会给国民经济建设带来巨大的推动。

光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用等优点外，还具有本征自相干能力强和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，已成为当前传感器的研究热点。光纤光栅传感器种类光纤光栅主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（Chirp光栅）。

光纤Bragg光栅传感器

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位，光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉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，利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

啁啾光纤光栅传感器

与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λＢ的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅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，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（ｄｎ／ｄＴ），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度.

长周期光纤光栅（ＬＰＧ）的周期一般认为有数百微米，ＬＰＧ在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λｉ＝（ｎ０－ｎｉｃｌａｄ）・Λ 。式中，ｎ０为纤芯的折射率，ｎｉｃｌａｄ为ｉ阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的ＬＰＧ可能在一个很宽的波长范围内有许多的共振，ＬＰＧ共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λｉ，就可获得外界物理量变化的信息。ＬＰＧ在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而ＬＰＧ适用于多参数传感器。

光纤光栅传感器系统组成

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。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，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定２个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用２个二元一次方程解出温度与应变。

光纤光栅传感器应用

光纤光栅传感器应用十分广泛，特别适合于强电磁场、腐蚀等恶劣或特殊的环境中。他的主要应用范围如下：

①土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监控。

②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核业中的应用：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等。

⑦光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识别系统等。

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