光纤光栅型传感器技术

        光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内铐离子相互作用引起折射率的永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光栅传感器是在光纤光栅的基础上发展起来的一种波长调制型光学传感器，它不仅具有光纤传感器所有的优点，而且有光纤光栅检测信息为波长编码的具有106〜102四个数量级线性响应的绝对测量和良好的重复性的主要优势。其插入损耗低和窄带的波长反射，提供了在一根单模光纤上复用多个光纤光栅的可能性，便于构成光纤传感网络，实现光纤网络中的星状、串联、并联和环状连接等优点，是光纤传感器中的研究亮点。

       随着光纤光栅制作技术的不断发展以及光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日益增多。根据不同的分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别。

      (1)短周期光纤光栅(FBG)。光栅周期小于1μm的光纤光栅，称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)。FBG中传输方向相反的两个模式之间发生耦合，如图5-12(a)所示，所以FBG是一种反射型工作器件，其功能实质上是在光纤内的一个窄带反射镜。

       (2)长周期光纤光栅(LPG).光栅周期为几十到几百卩m的光纤光栅，称为长周期光纤光栅(Long-period grating,LPG)。LPG中耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层模之间，如图5-12(b)所示，包层模很快损失掉，所以LPG基本上没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。它是一种透射型工作器件，其功能实质上是透射型带阻滤波器，是EDFA增益平坦和光纤传感的理想元件。 

图5-12    长短周期光纤光栅的模式耦合

       根据光栅空间周期和折射率分布不同，可大致分为以下几种(如图5-13所示).

       (1)均匀光纤光栅(Unifbrm Fiber Grating)。均匀光纤光栅如图5-13(a)所示，它是最早发展起来的一种光栅，也是最常见的光栅，其栅格周期与折射率调制深度均为常数，其光栅周期一般为几百nm,光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。这种光纤光栅具有较窄的反射带宽(约10'nm)和较高的反射率(约100%),其反射谱具有对称的边模旁瓣。

(2)闪耀光纤光栅(Blazed Fiber Grating)。闪耀光纤光栅如图5-13(b)所示，也称为倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Grating)。在光栅制作过程中，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直，导致光栅条纹与光纤轴有一个小角度。闪耀光栅不仅引起反向导波模耦合，而且还将基模耦合至包层模中或辐射模中，于是在光栅传输曲线上，布拉格波长的短波方向会出现一系列损耗带,其强度随闪耀角大小而变，对应着基模和反向传输的其他导模之间的耦合。闪耀光纤光栅主要用于EDFA的增益平坦和空间模式耦合器。

图5-13    按折射率分布分类的光纤光栅

        (3)啁啾光纤光栅(Chirped Bragg Grating)。啁啾光纤光栅如图5-13(c)所示，它的周期不是常数而是沿轴向单调变化的，有线性啁啾光纤光栅和非线性囑啾光纤光栅两种。由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，啁啾光栅能够形成很宽的反射带。啁啾光栅能够产生大而稳定的色散，被广泛用于波分复用系统中的色散补偿元件。

        (4)变迹光纤光栅(Apodised Fiber Grating).变迹光纤光栅如图5-13(d)所示，它采用特定的函数对光纤布拉格光栅的折射率调制深度进行调制，可形成变迹光纤光栅。变迹对均匀光纤光栅反射谱的边模旁瓣具有很强的抑制作用，选择不同的变迹函数能起到不同的抑制效果，常用的变迹函数有高斯函数、双曲正切函数、余弦函数和升余弦函数等。这种光栅在DWDM  

中有很重要的应用。

       (5)相移光纤光栅(Phase-Shifted Fiber Grating)。相移光纤光栅如图5-13(e)所示，它是在均匀周期光纤光栅的某些点上，通过某些方法破坏其周期的连续性而得到的。可以把它看成若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连接都会产生一个相移。相移布拉格光纤光栅能够在布拉格反射带中打开透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度，可以用这个特点来构造多通道滤波器件，能更好地满足EDFA增益平坦的需要。

       (6)超结构光纤光栅(Superstructure   Fiber    Grating)。超结构光纤光栅如图5-13(f)所示，其折射率调制是周期性间断的，相当于在光纤布拉格光栅或喟啾光纤光栅的折射率调制上又加了一个调制函数，即可将其看成对光纤布拉格光栅或嗯啾光纤光栅按照一定的规律在空间上进行取样的结果，因此超结构光纤光栅又称为取样光纤光栅，其反射谱具有一组分立的反射峰。这种光纤光栅在梳状滤波器以及多波长激光器领域具有应用价值，可实现多个信道的同时补偿。

       除上述以外，还有釆用两个具有微小周期差异的紫外条纹对光纤的同一位置进行二次曝光的莫尔光栅，其谱特征是在反射带中开了一个很窄的透射窗口。实际上，莫尔光栅相当于一个λ/4的相移光栅。

        此外，按光纤光栅的形成机理还可分为利用光纤光敏性形成的光纤光栅与利用弹光效应形成的光纤光栅等，这里就不详述了。目前，光纤光栅传感器主要包括光纤布拉格光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周期光纤光栅传感器和光纤布拉格光栅激光传感器等。下面重点介绍光纤布拉格光栅传感器的工作原理，光纤光栅传感器的优点及其典型应用。

       光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是衍射光栅概念的发展，其衍射是由光纤内部折射率的变化实现的。FBG利用掺杂(如错、磷等)光纤的光敏性，通过紫外写入的方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，如图5-14所示。图中，FBG的周期71—般小于1μm。

图5-14均匀周期FBG的结构

       FBG传感的基本原理如图5-15所示。当一束光送进FBG时，根据光栅理论，在满足布拉格条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在布拉格波长处出现峰值。光栅受到外部物理场(如应力应变、温度等)的作用时，其栅距/I随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长。根据ZUB变化的大小就可以确定待测部位相应物理量的变化。 

图5-15FBG传感原理

       FBG好像一个窄带的反光镜，只反射一个波长而透射其余的波长。被反射的波长称为布拉格波长，满足光纤光栅的布拉格方程式，即满足条件

λB=2neff/I                                     （5-18）

式中，Λ为布拉格光栅周期；neff为反向耦合模有效折射率。该方程式为光纤光栅在外界作用下布拉格波长的传感响应提供了理论工具，即任何使这两个参量发生改变的过程，都将引起光栅布拉格波长的移位。因此，常见的FBG传感器，就是通过测量布拉格波长的移动（或漂移）而实现对被测量的检测的。

        在所有引起光栅布拉格波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸或挤压，都将导致光栅周期』的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应，使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而改变。据此，可用光纤布拉格光栅制成灵敏的光纤传感器。其中，应力引起光栅布拉格波长的移位可以由下式统一描述

△λB=2neff△Λ+2AneffΛ               （5-19）

式中，△Λ为光纤本身在应力作用下的弹性形变；△neff为光纤的弹光效应。不同的外界应力状态将导致△Λ和△neff的不同变化。因此，只要检测到反射信号中光栅布拉格波长的移位ZUB,即可检测到待测传感量的变化。

        从弹光效应的角度来看，光纤光栅对纵向压力较横向压力更为敏感。综合弹光和波导两种效应，光纤光栅对于均匀横向应力的灵敏度较纵向伸缩要小，因而在复杂应力情况下，由纵向压力引起的波长移位将会占主要地位。

       若只考虑轴向应变（即纵向压力）时，则引起中心波长位移的相对变化为

式中，Pei为光纤光栅应变灵敏度系数，εz为轴向应变。由式（5-20）可得

       由公式（5-21）看出，反射波长的变化与应变成正比，也就是说，由反射波长的变化可以得到相应的应变力。

外界温度改变，同样也会引起光纤光栅布拉格波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有：光纤热光效应、光纤热膨胀效应、光纤内部热应力引起的弹光效应。从光栅布拉格方程式（5-18）出发，当外界温度改变时，对式（5-19）展开，可得到温度变化时所引起的光纤光栅布拉格波长的移位。通过理论推导证实，当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数是与材料系数相关的常数，这就从理论上保证了釆用光纤光栅作为温度传感能得到很好的输出线性。因此，对于纯熔融石英光纤，当不考虑外界因素的影响时，其温度灵敏度系数基  

本上取决于材料的折射率温度系数，而弹光效应与波导效应将不对光纤光栅的波长移位造成显著影响。故可得到下列表达式，即

 式中，an为热光系数；aΛ为线性热膨胀系数。对于熔融石英光纤，an=0.86xl05/°C,而aΛ=5.5x10VC„由式(5-22)可看出，反射波长的变化与温度变化△T成正比，即由反射波长的变化可以得到相应的温度变化量。对1.55μm波长，可得到单位温度变化下引起的波长移位为10.8pm/°Ca

       光纤光栅传感器除具有一般光纤传感器的优点外，还具有下列突出的优点。

       (1)抗干扰能力更强，有很高的可靠性和稳定性。FBG传感器以反射光的波长变化来感知被测参量的变化，只需要探测到光纤中光栅波长的移动，而与光强无关，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。FBG传感器是用波长编码的传感器，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而该传感系统具有很高的可靠性和稳定性。

       (2)测量灵敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重复性。FBG传感器明显优于普通光纤传感器的地方是它的传感信号为波长调制"其测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响，所以测量结果具有良好的重复性。目前对FBG波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率，因而具有比传统光纤传感器的测量灵敏度高、精度高的特点。

       (3)动态范围大、线性好，能自定标，可用于对外界参量的绝对测量。光纤布拉格光栅传感器，由于拉、压应力都能对其产生布拉格波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大(达10000x106ε)和线性度好。并且，光纤布拉格光栅传感器避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要，在对光纤布拉格光栅进行自标定后，能实现对外界参量变化的长期绝对测量。

       (4)能在同一根光纤内集成多个传感器复用，便于构成各种形式的光纤传感网络。光纤布拉格光栅传感非常适于做成多路复用式和分布式的光纤传感器，因为在一根光纤上的不同位置可以写入不同反射波长的布拉格光栅。图5-16所示即为光纤光栅传感器在一根光纤内实现多点测量的示例。如美国的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG应用系统Si425,可同时测量多达4路512个FBG传感器，扫描范围50nm、分辨率1pm、测量频率可达244Hz。

图5-16利用单根光纤实现多点的分布式测量 

        FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独到的优点，可同时完成温度和应力的双参量测量，为FBG应用开辟了更为广阔的前景。图5-17介绍了釆用WDM/TDM解调的FBG阵列的拓扑结构。显然，这种光纤光栅传感器，便于构成各种形式的光纤传感网络。

图5-17釆用WDM/TDM的FBG阵列的拓扑结构

       (5)便于远距离(5km以上)监测桥梁等建筑物，能预/报警而使系统实现智能化。在光纤光栅应变测试系统中，光纤光栅传感器获取的稳定、高精度的波长信号，通过光缆远程传输送入调制调解器，然后直接输入计算机信息处理系统计算出对应的应变量。这样，可利用桥梁等建筑物结构状况评估的专家系统，对桥梁等结构作出安全(正常)和不安全就预/报警的评价，而使系统实现智能化。同时，还能将评估报告或桥梁等的健康状况信息通过互联网及时传输至桥梁等管理部门，从而可实现结构在线健康监测的信息化管理。并且，桥梁等现场到解调仪之间仅需一根光缆连接，其距离可达5km以上，能实现桥梁的分布测量和集中监测处理。

       (6)结构简单、寿命长，便于维护保养、便于扩展与安装。传感探头结构简单、尺寸小，因其外径和光纤本身等同，也便于扩展与安装，并适合各种应用场合，并且传感系统自身运行可靠、传感元件寿命长，其解调器及后续的处理设备可置于集中监控室，避免了仪器在现场难于保护的缺点，便于保养和维修，从而提高了监测系统的可靠性和易维护性。

        (7)光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产。目前，光纤布拉格光栅通过紫外写入的方法已较成熟，这种紫外写入使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，从而较容易在纤芯内形成空间相位光栅，因而也便于形成规模生产。

        (8)便于做成智能传感器，应用非常广泛。光纤光栅传感器可拓展的应用领域有许多，如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，而便于做成智能传感器。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件基体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自动化编织。图5-18展示了一件嵌入光纤和电导线的背心。其中光纤和电导线的嵌入均已实现了自动化，为智能型服装的商业化解决了又一难题。 

        当前，光纤光栅传感器被普遍认为是实现光纤灵巧结构、光纤机敏材料的理想器件，它可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测，其光栅也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度等传感中。

        在地震检测等地球动力学领域中,地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段。光纤光栅传感器则可应用在岩石变形、垂直震波的检测，以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的应变通常包含静态和动态两种：静态应变（包括由火山产生的静态变形等）一般都定位于与地质变形源很近的距离；而以震源的震波为代表的动态应变，则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或火山源的位置，更好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力-应变测量仪。光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途，有报道指出，光纤光栅传感器已成功检测了频率为0.1〜2Hz,大小为10〜9£（应变）的岩石和地表动态应变。

        先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具（如飞机的机翼）。为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤  光栅复用系统成功实现了在带宽为5kHz范围内、分辨率小于10ne/Hzl/2的动态应变测量。

       此外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况,通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。实际上，飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。

       民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域，力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。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等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。

        光纤光栅传感器用于检测桥梁时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。

       两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里-珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里-珀罗干涉仪（FFH）,利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP-FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点，已在5mo的测量范围内，实现了小于1四的静态应变测量精度、O.I'C的温度灵敏度和小于1n£/Hz,/2的动态应变灵敏度。

       电力工业中的设备大都处在强电磁场中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量，电类传感器无法使用，而光纤光栅传感器在高电压和大电流中，具有高绝缘性和强抗电磁干扰的能力，因此适合在电力行业应用。用常规电流转换器、压电元件和光纤光栅组成的综合系统对大电流进行间接测量，电流转换器将电流转变成电压，电压变化使压电元件形变，形变大小由光纤光栅传感器测量。封装于磁致伸缩材料的光纤光栅可测量磁场和电流，可用于检测电机和绝缘体之间的杂散磁场通量。

       医学中用的电子传感器，对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波（辐射）频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中。因为电子传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致错误读数。为测定高频辐射或微波场的安全性，需用超声波传感器检测一系列医疗（包括超声手术、过高热治疗、碎结石手术等）中所用的超声诊断仪器的性能。近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注，而且传感器的小尺寸在医学应用中非常重要。因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，显然光纤光栅传感器是目前为止能够做到的最小的传感器，它能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到冃前为止，光纤光栅传感系统己经成功地检测了病变组织的温度和超声波场，在30〜60°C的范围内，获得了分辨率为0.1©和精确度为±0.2°C的测量结果，超声场的测量分辨率为103atm/Hz'/2,这为研究病变组织提供了有用的信息。

       光纤光栅传感器还可用来测量心脏，如医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输岀量，这对于心脏监测是非常重要的。

       光纤光栅传感器可用于化学传感，光栅的中心波长随外界折射率的变化而变化，而环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化，进而通过波导模式的倏逝场影响光栅的共振波长。利用该原理，可通过对FBG进行特殊处理或直接用LPG制成各种化学物质的光纤光栅传感器。

       LPFG对光纤外界折射率的变化比光纤布拉格光栅更为敏感，长周期光栅折射率测量系统的分辨率最高可实现1(P的灵敏度。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度，包括蔗糖、乙醇、十六烷、CaC12、NaCI等。原则上，任何具有吸收峰谱并且其折射率在1.3〜1.45之间的化学物质，都可用长周期光纤光栅进行探测。

       核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于光纤光栅传感器具有耐辐射的能力，可以对核电站的反应堆建筑或外壳结构进行变形监测，蒸气管道的应变传感，以及地下核废料堆中的应变和温度等。

        除上述应用外，光纤光栅传感器还在其他领域得到了应用，并且在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。如可利用光纤布拉格光栅传感器智能检测汽车超载与组建周界围栏入侵报警系统，这将在安防应用中论述。总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。