下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
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锗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能得以改变和控制。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 10 -6 ~10 -2 四个数量级线性响应的绝对测量和良好的重复性主要优势。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形、串联、并联和环形连接等优点，是光纤传感器中的研究亮点。光纤光栅的常见分类如下：
（1）按光纤光栅的周期分类
根据光栅周期的长短，把周期小于 1 μm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）；而把周期为几十到几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅（Long-Period Grating，LPG）。FBG中传输方向相反的两个模式之间发生耦合，因此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。LPG中耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层模之间，包层模很快损失，因此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。LPG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，是掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）增益平坦和光纤传感器的理想元件。
（2）按光纤光栅的轴向折射率分布分类
①均匀光纤光栅（Uniform Fiber Grating）。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纳米，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 -1 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）。也称为倾斜光纤光栅（Tilted Fiber Grating）。在光栅制作过程中，光栅波矢方向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，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增益平坦和空间模式耦合器。
③啁啾光纤光栅（Chirped Bragg Grating）。它的周期不是常数，而是沿轴向单调变化的，可分为线性啁啾光纤光栅和非线性啁啾光纤光栅两种。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）。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。
⑤相移光纤光栅（Phase-Shifted Fiber Grating）。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，可以把它看作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，可以用这个特点构造多通道滤波器件，更好地满足EDFA增益平坦的需要。
⑥超结构光纤光栅（Superstructure Fiber Grating）。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啁啾光纤光栅的折射率调制上又加了一个调制函数，即可将其看作光纤布拉格光栅或啁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。
光纤光栅传感器的制作过程一般包括以下 4 个步骤：
（1）制备光纤光栅
首先需要准备光纤光栅的制备装置，一般采用的是光栅制备设备。将一根单模光纤插入设备中，调整设备参数，使用激光光束通过光纤光栅制备设备中的光纤，制造出光栅结构。在这个过程中，需要精确控制激光光束的能量和频率，以确保制备出高质量的光纤光栅。
（2）调整光纤光栅参数
根据传感器的要求，对光纤光栅的参数进行调整。这些参数包括光栅周期、光栅长度、折射率变化的程度等，调整这些参数可以使光纤光栅传感器对不同的物理量变化具有不同的敏感度和工作范围。
（3）固定光纤和连接电源
使用光纤固定夹具将光纤光栅固定在适当的位置，确保其稳定性和可靠性，将光源和光谱仪分别连接到制作好的光纤光栅两端。
（4）测试和校准
在完成传感器的制作之后，需要进行测试和校准。根据测试数据进行校准，以确保传感器的准确性。
光纤光栅传感器具有下列优点。
①抗干扰能力更强，有很高的可靠性和稳定性。FBG传感器是以反射光的波长变化来感知被测参量的变化的，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，因而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、耦合损耗等都不会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，而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，因此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，能自标定，可用于对外界参量的绝对测量。对于FBG传感器，由于拉、压应力都能对其产生Bragg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，动态范围大和线性度好。此外，FBG传感器避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和需要固定参考点的问题，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。FBG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Bragg光栅。图 2.1 所示为光纤光栅传感器在一根光纤内实现多点测量的示例，如FBG应用系统可同时测量多达 4 路 512 个FBG传感器，扫描范围为 50 nm，分辨率为 1 pm，测量频率可达 244 Hz。FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独特的优点，可同时完成温度和应力的双参量测量，为FBG的应用开辟了更为广阔的前景。
图 2.1 利用单根光纤实现多点的分布式测量
⑤便于远距离（达 5 km以上）监测桥梁等建筑物，能预/报警，从而使系统实现智能化。在光纤光栅应变测试系统中，光纤光栅超声波传感器获取稳定、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相关管理部门，从而可实现结构在线健康监测的信息化管理。此外，在桥梁等现场结构到解调仪之间仅需一根光缆连接，其距离可达 5 km以上，能实现工程结构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，且适合各种应用场合。此外，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Bragg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发生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很多，如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料（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），便于做成智能传感器。
光纤传感技术以光纤为媒介感知外界环境变化，其基本原理是利用外界效应对光纤中光波的传输特性进行调制，从而经信号解调后测量出相应量的变化。光纤传感技术包括对被测信号的“感知”及“传输”两部分。“感知”指光源发出的光入射至光纤内，外部环境参量（如温度、应变、振动、折射率等）按其变化规律对光纤内所传输光波的物理特征参量（如波长、偏振态、振幅等）进行改变，即调制技术。“传输”指光纤内被调制光波的传输及探测，并通过数据采集卡等工具记录，其后将相应的信息从光波信号中提取并分析，即解调技术。光纤传感原理如图 2.2 所示。
图 2.2 光纤传感原理
光纤传感技术从 20 世纪 70 年代后期开始迅速发展，主要包括对温度、压力、应变、折射率、电流、电压、阻抗、湿度、声波等物理量的测量。早期对光纤传感技术的研究主要针对外界物理变化所引起的光纤中传输光强度的变化检测这一问题，类型多为结构单一的传光型传感器。20 世纪 80 年代后，光纤理论模型得到发展，相应地，光纤传感技术随之迅速发展，形成基于诸如传输光相位、偏振态、振幅、频率等的多种传感技术。其中比较突出的光纤光栅传感技术被广泛应用于火灾监测、温度监测、安全监测、地震物理模型成像等。
光纤光栅传感器技术作为一种光纤传感技术，已成为当前传感器领域的研究热点，且经过几十年的发展，有些传感器已被成功应用于水下声波探测、地震物理模型成像、桥梁挠度检测等。
光纤光栅传感器在工程结构监测中有以下几个方面的应用。
（1）在地球动力学中的应用
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用途。
（2）在航天器及船舶中的应用
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质量，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、甲板所受的冲击力，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，还可测量海浪对湿甲板的冲击力。
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，故传感器的质量要尽量轻，尺寸尽量小，因此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。
（3）在民用工程结构中的应用
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，一组光纤光栅被粘在桥梁复合筋的表面，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，则最好是在建造桥梁时便把光栅埋进复合筋。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，并在每一片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，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。用光纤法布里-珀罗干涉仪结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测量应变，另一个被保护起来免受应力影响，以测量和修正温度效应，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。
光纤光栅传感器在民用工程中的主要应用内容有如下几个方面：
①桥梁监测。通过将光纤光栅传感器安装在桥梁上，可以监测桥梁的振动、形变和裂缝等，并及时发现和定位结构的损伤和缺陷。
②岩土工程监测。在岩土工程中，光纤光栅传感器可以用于监测土壤和岩石的应力、应变和变形。通过将光纤光栅传感器安装在土体和岩石中，可以实时监测工程的变化和影响。
③隧道监测。在隧道建设中，光纤光栅传感器可以用于监测隧道的应力、应变和变形。通过将光纤光栅传感器安装在隧道壁上，可以实时监测隧道的变化和影响，并及时采取措施。
④建筑结构监测。在土木工程中，建筑物的结构稳定性是至关重要的。通过将光纤光栅传感器安装在建筑物结构中，可以实时监测建筑物的应力、应变和变形，并及时发现和定位结构的损伤和缺陷。
（4）在电力工业中的应用
由于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、发电机定子等位置的温度和位移等参数的实时测量，电类传感器无法使用在上述环境中，而光纤光栅传感器在高电压和大电流下，具有高绝缘性和强抗电磁干扰的能力，因此它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。
（5）在医学中的应用
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。为了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，它能够以最低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。到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度，在 30~60℃获得了分辨率为0.1℃和精确度为±0.2℃的测量结果，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出量，这对于心脏监测是非常重要的。
（6）在化学传感中的应用
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长周期光纤光栅制成各种化学物质的光纤光栅传感器。
长周期光纤光栅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 10 -7 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、己醇、十六烷、CaCl 2 、NaCl等。理论上，任何具有吸收峰谱并且其折射率在 1.3~1.45 的化学物质，都可用长周期光纤光栅进行探测。
（7）在核工业中的应用
核工业具有高辐射性，核泄漏对人类和其他生物及其生存的环境是一个极大的威胁，因此对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，蒸汽管道的应变传感，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广泛的应用，并且在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、可靠、准确。
2.1 光纤传感器按轴向折射率分布分类，可以分为几类？
2.2 简要说明光纤光栅传感器的原理是什么？
2.3 简要说明光纤光栅传感器的制作步骤有哪些？
2.4 光纤光栅传感器具有哪些优点？