光纖光柵傳感器技術及其應用

• 日期：2007-01-09 14:48    

作者Email: hongxinglu600010@sina.com

概述光纖光柵傳感器的基本原理及實際應用，介紹了光纖光柵傳感器在地球動力學、航天器及船舶航運、民用工程結構、電力工業、醫學、和化學傳感中的應用。

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現光纖的光敏效應，並採用駐波寫入法製成世界上第一根光纖光 柵。1989年，美國聯合技術研究中心的G·Meltz等人實現了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側面寫入技術，使光纖光柵的製作技術實現了突破 性進展。隨着光纖光柵製造技術的不斷完善，其應用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領域都將由於光纖光柵的實用化而發生革 命性的變化，光纖光柵技術是光纖技術中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術之後的又一重大技術突破。

光纖光柵是利用光纖中的光敏性製成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的特性。而在纖芯 內形成的空間相位光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可製造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具 有反射帶寬範圍大、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，不受環境塵埃影響等一系列優異性能。光纖光柵的種類很多，主要分兩大 類：一是Bragg光柵(也稱為反射或短週期光柵)；二是透射光柵(也稱為長週期光柵)。光纖光柵從結構上可分為週期性結構和非週期性結構，從功能上還可 分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非週期光柵，又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。目前光纖光柵的應用主要集中在光纖通信領域和光纖傳感 器領域。

二、    光纖光柵傳感器的工作原理

我們知道，光柵的Bragg波長λB由下式決定:

λB=2nΛ                   (1)

1、    啁啾光纖光柵傳感器的工作原理

上面介紹的光柵傳感器系統，光柵的幾何結構是均勻的，對單參數的定點測量很有效，但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時，就顯得力不從心。一種較好的方法就是採用啁啾光纖光柵傳感器。

啁啾光纖光柵由於其優異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統中。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啁啾 光纖光柵除了△λB的變化外，還會引起光譜的展寬。這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由於應變的影響導致了反射信號的拓寬和 峰值波長的位移，而溫度的變化則由於折射率的溫度依賴性(dn／dT),僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。

2、    長週期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理

　　長週期光纖光柵(LPG)的週期一般認為有數百微米，LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進包層：λi=(n0-niclad)·Λ。式中， n0為纖芯的折射率，niclad為i階軸對稱包層模的有效折射率。光在包層中將由於包層／空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG 可能在一個很寬的波長範圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振 中產生大的波長位移，通過檢測△λi，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應通常有不同的幅度，因而LPG適用於多參數傳感 器。

三、    光纖光柵傳感器的應用

1、在地球動力學中的應用

2、在航天器及船舶中的應用

先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對於快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來越多地被用於製造航空航海工具(如飛機的機翼)。

為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對於普通船體大約需要100個傳感器，因此波長復用能力極強 的光纖光柵傳感器最適合於船體檢測。光纖光柵傳感系統可測量船體的彎曲應力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復用系統 成功實現了在帶寬為5kHz範圍內、分辨率小於10nε/(Hz)1/2的動態應變測量。

另外，為了監測一架飛行器的應變、溫度、振動、起落駕駛狀態、超聲波場和加速度情況，通常需要100多個傳感器，故傳感器的重量要儘量輕，尺寸儘量小，因 此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實際上飛機的復合材料中存在兩個方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現多點多軸向應變和溫度測量的 理想智能元件。　　　　

3、在民用工程結構中的應用

民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。力學參量的測量對於橋梁、礦井、隧道、大壩、建築物等的維護和狀況監測是非常重要的。通過測量 上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及狀況。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行衝擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢 測等，以監視結構的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網絡，對結構進行准分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。

光纖光柵傳感器可以檢測的建築結構之一為橋梁。應用時，一組光纖光柵被粘于橋梁復合觔的表面，或在梁的表面開一個小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進 凹槽得以保護。如果需要更加完善的保護，則最好是在建造橋時把光柵埋進復合觔，由於需要修正溫度效應引起的應變，可使用應力和溫度分開的傳感臂，並在每一 個樑上均安裝這兩個臂。

兩個具有相同中心波長的光纖光柵代替法布里－珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里－珀羅干涉儀(FFH)，利用低相幹性使干涉的相位噪聲最小 化，這一方法實現了高靈敏度的動態應變測量．用FFPI結合另外兩個FBG，其中一個光柵用來測應變，另一個被保護起來，免受應力影響，以測量和修正溫度 效應，所以FFP～FBG實現了同時測量三個量：溫度、靜態應變、瞬時動態應變。這種方法兼有干涉儀的相幹性和光纖布拉格光柵傳感器的優點。已在5mε的 測量範圍內，實現了小於1µε的靜態應變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小於1nε/(Hz)1/2的動態應變靈敏度。

4、在電力工業中的應用

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。

5、在醫學中的應用

光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中，醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房，並注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對於心臟監測是非常重要的。