光纖光柵傳感器技術(shù)及其應(yīng)用49873

1、 光纖光柵傳感器技術(shù)及其應(yīng)用 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 GMeltz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

2、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

3、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?。?biāo)準(zhǔn)裸光纖為 125um）、重量輕、耐溫性好（工 作溫度上限可達(dá)400C600C）、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(cè)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

4、、容器、高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道等）的 混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測(cè)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。 光纖光柵傳感器的工作原理 我們知道，光柵的Bragg波長入B由下式?jīng)Q定： 入 B=2nA 式中，n為芯模有效折射率，A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(cè)量物理量變化前后反射光波長的變化， 就可 以獲得待測(cè)物理量的變化情況。 如利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不 同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。此外，通過特定的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的 分別測(cè)量，也可同

5、時(shí)測(cè)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(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。 Fdtae .、 八 、- 刖言 一） 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(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè) 量很有效，但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)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啁啾光纖光柵傳感器。 啁啾光纖光柵由于其優(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啁啾 光纖光柵除了入B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(chǎng)合是非常

6、有用的， 啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)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(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。 （二）長周期光纖光柵（LPG傳感器的工作原理 長周期光纖光柵（LPG的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米，LPG在特定的波長上把 纖芯的光耦合進(jìn)包層：入i= （nOniclad ） A。式中，nO為纖芯的折射率， niclad 為 i 階軸對(duì)稱包層模的有效折射率。 光在包層中將由于包層 / 空氣界面的 損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長范圍 上有許多的共振，LPG共

7、振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差， 由應(yīng)變、 溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移， 通過 檢測(cè)入i，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(yīng)通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。 三、光纖光柵傳感器的應(yīng)用 一） 在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用 在地震檢測(cè)等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中， 地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定 和預(yù)測(cè)是非常復(fù)雜的， 而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng) 性及其關(guān)鍵活動(dòng)范圍演變的最有效手段心。 光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用 主要是在巖石變形、 垂直震波的檢測(cè)以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方 面

8、?；顒?dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種， 靜態(tài)應(yīng)變（包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài) 變形等）一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離； 而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài) 應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測(cè)到。 為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或 火山源的位置， 更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況， 需要使用密集排列的應(yīng) 力應(yīng)變測(cè)量儀。光纖光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、 高網(wǎng)絡(luò)化傳感器， 符合地震檢測(cè)等的要求， 因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有 較大的潛在用途。有報(bào)道指出，光纖光柵傳感器已成功檢測(cè)了頻率為 O.1 2Hz， 大小為109 （應(yīng)變）的巖石和地表動(dòng)態(tài)應(yīng)變。 二） 在航天器及船舶中的應(yīng)用 先

9、進(jìn)的復(fù)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(duì)于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義， 因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航 空航海工具（如飛機(jī)的機(jī)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(duì)于普通船體大約需要 100個(gè)傳感器，因此波長復(fù)用能力極強(qiáng)的 光纖光柵傳感器最適合于船體檢測(cè)。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力， 而且可測(cè)量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測(cè)性能的 16 路光纖光柵復(fù)用系 統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了在帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10n& / （Hz） 1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變 測(cè)量。 另外，為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振

10、動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng) 和加速度情況， 通常需要 1 00多個(gè)傳感器， 故傳感器的重量要盡量輕， 尺寸盡量 小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。 另外，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料 中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變， 嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和 溫度測(cè)量的理想智能元件。 三） 在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。 力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于 橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的。通過測(cè)量 上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布， 可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀況。 光纖光柵傳感器可以貼 在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中， 對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測(cè)、 形狀控制

11、和振動(dòng)阻 尼檢測(cè)等， 以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。 另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè) 傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí)，一組光纖光柵被 粘于橋梁復(fù)合筋的表面， 或在梁的表面開一個(gè)小凹槽， 使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn) 凹槽得以保護(hù)。 如果需要更加完善的保護(hù)， 則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合 筋，由于需要修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變， 可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂， 并在 每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。 兩個(gè)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，利用低相干性使干

12、涉的相位噪聲最小化， 這一方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量用 FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG其中一 個(gè)光柵用來測(cè)應(yīng)變， 另一個(gè)被保護(hù)起來， 免受應(yīng)力影響， 以測(cè)量和修正溫度效應(yīng)， 所以FFP-FBG實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量三個(gè)量：溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。這種方 法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)。已在 5m的測(cè)量范圍 內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小于1 y的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度、0.1 C的溫度靈敏度和小于1n& /（ Hz） 1/2 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。 四） 在電力工業(yè)中的應(yīng)用 光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾和可實(shí)現(xiàn)長距離低損耗傳輸， 從而成為電 力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。 電線的載重量、 變壓器繞線的溫度、

13、大電流等都可利用 光纖光柵傳感器測(cè)量。 在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使壓電 陶瓷（PZT產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知 其形變，從而得知電流強(qiáng)度。 這是一種較為廉價(jià)的方法， 并且不需要復(fù)雜的電隔 離。另外，由大雪等對(duì)電線施加的過量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件， 因此在線檢 測(cè)電線壓力非常重要， 特別是對(duì)于那些不易檢測(cè)到的山區(qū)電線。 光纖光柵傳感器 可測(cè)電線的載重量， 其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力 的變化，這一應(yīng)力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測(cè)到。 這是利用光纖 光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例，

14、在這種情況下， 相鄰光柵的間距 較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。 （五） 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器， 它對(duì)許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的， 尤其是 在高微波 （輻射）頻率、超聲波場(chǎng)或激光輻射的過高熱治療中，由于電子傳感器 中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、 電壓等電磁場(chǎng)的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱 效應(yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。 為測(cè)定高頻輻射或微波場(chǎng)的安全性， 需用超聲波傳 感器檢測(cè)一系列醫(yī)療（包括超聲手術(shù)、過高熱治療、碎結(jié)石手術(shù)等）中所用的超 聲診斷儀器的性能。 近年來， 使用高頻電流、 微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外 科手術(shù)越來越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注， 而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常

15、重要 的，因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小， 光纖光柵傳感器是目前為止能夠做到 的最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式測(cè)量人體組織內(nèi) 部的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng) 成功地檢測(cè)了病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，在 30C60C的范圍內(nèi)，獲得了分 辨率為0.1 C和精確度為土 0.2 C的測(cè)量結(jié)果，超聲場(chǎng)的測(cè)量分辨率為 10 3atm/Hz1/2 ，這為研究病變組織提供了有用的信息。 光纖光柵傳感器還可用來測(cè)量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖 光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房， 并注射人一種冷溶液， 可測(cè)量肺動(dòng)脈 血液的溫度， 結(jié)合

16、脈功率就可知道心臟的血液輸出量， 這對(duì)于心臟監(jiān)測(cè)是非常重 要的。 （六） 在化學(xué)傳感中的應(yīng)用 光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感， 因?yàn)楣鈻诺闹行牟ㄩL隨折射率的變化而變 化，而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度變化都會(huì)引起折射 率的變化。 長周期光柵（long period fiber grating ，LPFG與布拉格光纖光柵一樣， 也是由光纖軸向上產(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制而形成，其周期一般大于 100卩m。它 的耦合機(jī)理是：向前傳輸?shù)睦w芯基模被耦合入幾個(gè)特定波長的向前傳輸?shù)陌鼘?模，包層模很快損失掉， 所以LPFG基本上沒有后向反射， 在其透射譜中有幾個(gè) 特定波長的吸收峰。LPFG對(duì)

17、光纖包層材料折射率的變化比上述的光纖布拉格光 柵更為敏感， 包層材料折射率的任何變化都會(huì)改變傳輸光譜的特性， 使吸收峰發(fā) 生改變，所以長周期光柵折射率測(cè)量系統(tǒng)的分辨率可實(shí)現(xiàn) 107的靈敏度。目前 已經(jīng)用長周期光柵測(cè)出了許多化學(xué)物質(zhì)的濃度， 包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、 CaCl2、NaCl 等，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在 1.3 和 1.45 之間 的化學(xué)物質(zhì)都可用長周期光柵進(jìn)行探測(cè)。 四、結(jié)束語 除上述應(yīng)用外，光纖光柵傳感器還在其他領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且在許多方面 的性能都比傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器更穩(wěn)定、 更可靠、更準(zhǔn)確。 光纖光柵傳感器可以 用于應(yīng)力、 應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測(cè)量

18、， 具有較高的靈敏度和測(cè)量范圍。 在 光纖若干個(gè)部位寫入不同柵距的光纖光柵， 就可以同時(shí)測(cè)定若干部位相應(yīng)物理量 及其變化， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感。 總之，光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未 艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。 目前對(duì)光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個(gè)方面： 一是對(duì)傳感器本身及能 進(jìn)行橫向應(yīng)變感測(cè)和高靈敏度、 高分辨率、 且能同時(shí)感測(cè)應(yīng)變和溫度變化的傳感 器研究；二是對(duì)光柵反射信號(hào)或透射信號(hào)分析和測(cè)試系統(tǒng)的研究， 目標(biāo)是開發(fā)低 成本、小型化、可靠且靈敏的探測(cè)技術(shù)；三是光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用研究， 包括封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 目前限制光纖光柵傳感器應(yīng)用的最主要障礙是傳感信號(hào)的解調(diào)， 正在研究的 解調(diào)方法很多，但能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多，而且價(jià)格較高。其次，光纖 光柵傳感器應(yīng)用中的其他