作者：韩红远，朱翔宇，王建农
朗文交互来源：《科技创新与生产力》 2012年第12期
韩红远，朱翔宇，王建农
（太原市电子研究设计院，山西 太原 030002）
摘 要：从光纤光栅的基本原理出发，综述了光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅在温度、应变等方面的关联特性及光纤光栅传感器的构造、主要特点、技术参数等，并介绍了常见的光纤光栅传感器在各个领域的具体应用。 关键词：布拉格光栅；长周期光纤光栅；传感器
中图分类号：F49 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2012.12.089
光纤光栅传感器是近年发展起来的新型传感器，它是利用光在光纤中传播受到某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件。目前，光纤光栅传感技术的研究主要集中在3个方面：一是利
用FBG光纤光栅对其轴向应变和温度变化，引起其中心波长变化的高灵敏度、高分辨率特点，在多行业、多领域进行多种类型的实用新型光纤光栅传感器研究；二是利用长周期光栅（LPFG）、为啁啾光栅（chirp光栅）与FBG光纤光栅不同的特点，研究制作FBG光纤光栅无法实现或比其精度更高的光纤光栅传感器；三是进行分布式光纤光栅传感解调技术实用性研究，使之实用、产品化。由于光纤光栅传感技术具有分布式、本质安全、抗电磁干扰能力强、体积小、耐腐蚀、灵敏度高、性能稳定强、可在恶劣环境中工作等优点，所以，在光纤光栅传感系统整体制作成本降低、产品化之后， 将会在我国各个行业、 领域得到广泛应用。
1 光纤光栅基本原理
光纤光栅有很多种类，目前，主要研究的有3种类型：一是FBG光栅又称短周期光栅，主要利用它的背向反射特征制作传感器；二是LPFG光栅又称长周期光栅，主要利用它的同向透射特征制作传感器；三是chirp光栅又称啁啾光栅，主要利用它的散补偿特征制作光纤传感和光源的器件。光纤光栅分为周期性和非周期性的、长周期和短周期的、散补偿型光栅和滤波型的。文中主要介绍的是FBG光栅，并对LPFG光栅进行简单介绍。
1.1 光纤布拉格光栅（FBG）原理
布拉格光纤光栅（简称FBG光栅）的制作方法很多，最早是1978年，加拿大渥太华通讯研究中心的
K.O.Hill等人首次在参锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，采用逐波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1]。在石英光纤上写入光栅，使之在光纤上形成周期性的光栅，通常周期小于0.5 μm，称为布拉格光纤光栅，见图1。
布拉格光纤光栅波长λB计算公式为
λB = 2nΛ，（1）
式中，λB为光栅波长，n为有效折射率，Λ为光栅周期。
当光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化以及其他因素影响，会引起光栅的周期Λ或纤芯折 射率n发生变化，从而造成λB反射光波长发生变化。在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前、后，检测其反射光波长λB的变化，就可以计算出光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化数值。布拉格光纤光栅主要研究是温度、应变和应力的检测[1]。
一位母亲与家长会阅读答案 温度和轴向应力发生变化，会导致的光栅中心波长λB发生变化。表达式为
△λB = 2nΛ{1 - n2/2[P12 - v（P11 + P12）]}ε +
2nΛ[α +（1/n）（dn/dT）]△T，（2）
式中，ε为应变，P[i，j]为光压系数，v为泊松比，α为热胀系数，△T为温度变化量。
由式（2）可知，若温度和轴向应力任何一项发生变化，会导致的光栅中心波长λB发生变化。所以，必须对测量数据进行特殊计算和对传感器设计进行特殊技术处理，才能实现应变、应力和温度的精确测量。
1.2 长周期光纤光栅（LPFG）
长周期光纤光栅（LPFG）是相对FBG光纤光栅而言的，它比FBG光纤光栅的周期长很多，其周期可从几十微米到几百微米。它与FBG光纤光栅的工作原理不同，主要检测其透射波长的变化。它的数
学模型比较复杂，是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构，主要是基模与同向包层模之间的耦合，它的损耗峰较宽，有宽阻带滤波特性。具有后向反射率低、带宽宽等特性，它对应力、温度、外部折射率变化都有响应，而且对应力、温度变化的响应灵敏度比FBG光纤光栅高得多，对横向应力也有反应，是现在光纤光栅传感器的研究重点，利用其特点可研制出温度、振动、加速度、磁场、液体、气体等传感器，应用前景广泛。
2 光纤光栅传感系统
光纤光栅具有与传统电类传感器不可比拟的优点，具有分布式特点，可在1根光纤上连接多个光纤光栅传感器，分布式光纤光栅传感系统可以实现分布式多点准确定位、实时测量。所以，在对光纤光栅传感器进行进一步研究之外，还对光纤光栅传感系统的分布形式进行研究。分布式光纤光栅传感系统是在1根光纤上串接、并接多个光纤光栅传感器，每个光纤光栅传感器的工作波长必须不同，并且有一定间隔，不能重叠。
分布式光纤光栅传感系统又称准分布式光纤传感系统，可以实现多通道分布式实时监测。
光纤光栅传感系统主要由ASE宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调系统等组成。工作原理为：ASE宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的反射波再经过耦合器，进入可调谐滤波解调系统，可调谐滤波解调系统对所有光纤光栅传感器反射波进行解调、计算、处理，
得出每个光纤光栅传感器中心波长的变化数值，进而确定了空间分布的每个光纤光栅传感器的实际数据，在计算机屏幕上显示，见图2。
3 常见光纤光栅传感器
光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力多参数的准分布式测量上。温度和应力可分别制成2个光纤光栅传感器，分别对温度和应力参数进行测量，也可制成一个光纤光栅传感器对温度和应力参数进行同时测量。实现应变和温度参数同时测量的方案很多，但是从原理上分析，基本都是基于双波长矩阵法、双参量矩阵法、温度参考光栅法、温度（应力）补偿法和光强测温法等几种技术[2]。
3.1 光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感器用来测量温度在（-30 ℃～ ＋150 ℃）范围内的发热物体，可适用于各种测温场合，分辨率可以达到0.1 ℃，见图3；可应用于船舶、电力、核电站、水利、航空航天、煤矿、医学、消防等领域。具有本征安全、抗电磁干扰、精度高、分辨率高、可靠性高等优点。
3.2 光纤光栅应变传感器
防范风险
何处寻真相 该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，适合大应变的较大范围监测，可埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内，如基础、桩、桥梁、隧道、衬砌等以便长期观测结构内部的应变量变化，也可用于病害工程凿孔（槽）埋入混凝土中观测病害的发展情况，见图4。该传感器的主要性能指标：量程根据需要可大于5 000 με；测试精度（2～3 ）με；重复性误差小于0.6％ ；线性度误差小于0.9％ 。
无痛人工流产术 3.3 光纤光栅钢筋计
光纤光栅钢筋计可测量基础、泥浆墙、预制桩、船坞、闸门、隧道衬砌等内部应力，可长期埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内，测量结构内部的钢筋应力，也可测量锚杆的应力，见图5。具有精度高、测试准确、性能稳定、布设方便、串联成网、便于长期监测等优点。最大拉应力：200 MPa；最大压应力：100 MPa；分辨率：≤0.1%；精度＜1％；使用温度范围：（-30 ℃～+70 ℃）。
3.4 光纤光栅渗压计
光纤光栅渗压计可埋设在水工建筑物、基岩内，或安装在测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器内，测量孔隙水压力或水位，见图6。压力范围：1～15 MPa；分辨率：≤0.05%；精度：＜1％；使用温度范围：-30 ℃～＋80 ℃。
3.5 光纤光栅加速度计
光纤光栅加速度计用于铁道桥高层建筑、钢结构等土木结构的振动检测/监测，见图7。量程：1～2 g；分辨率：≤0.1%；精度：＜1％；使用温度范围：-30 ℃～+70 ℃。
另外，光纤光栅压力传感器可根据需要，制作成各种各样结构，来适合不同的用途。例如：光纤光栅智能地秤 、光纤光栅智能锚头、光纤光栅智能拉索等。
4 光纤光栅的应用
光纤光栅传感具有传输距离远，不受电磁环境干扰，不产生电磁干扰，本质安全，不对易燃气体构成危险的特点，从而可在多领域中进行应用。一是在大型工程建设中，实现安全性能监测。如在桥梁中预埋光纤光栅传感器可实现温度、应力、形变等多参数监测。也可用于隧道顶板的岩石变形、压力变化、相对位移、层间压力的测量。二是可应用于地质活动监测。在地震与火山活动研究中可使用光纤光栅传感器测量岩石变形和震动，由于光纤光栅的无源特性，同时由于其传输距离远，较其他方法相比更有优势。三是在海陆空大型交通装置上进行温度、应力、振动及水位、油位的监测，保障设备安全，由于其测量过程中无电磁特点，既不会对其他系统构成干扰，也不会产生电磁泄露暴露目标，
企业改革与管理可应用于飞机、舰艇、火车、大型货车和大型客车中。四是在医疗领域中应用超小型光纤光栅传感器测量腹腔，关节，颅内的应力为医生诊断提供信息。同时由于光纤的非电磁特性，可与CT、核磁等检测手段同时进行[3]。
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