光纤光栅传感器原理内容详解

　　在我国关于光纤光栅传感器的研讨比起其他国家是稍晚了，我国的光纤传感器还没有做到真实的产业化，规划化，产出量还不足以满意国民经济展开的需求。

　　光纤光栅的品种许多，首要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅对错周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。

　　剖析光纤光栅解调的基本原理和常用解调办法的作业机理、功能和特色，从光纤传感技能的优势动身，介绍了光纤光栅传感智能结构的长处，对波长解调办法如匹配解调法、可调谐激光器法、干与法、滤波法等做了具体的评论，论述了相应的体系设计计划，并对各种办法的优、缺陷进行了剖析和评论。提出光纤光栅传感器在实践使用中所面对的首要技能难题，剖析现有的处理计划，评论光纤光栅传感器在进一步实用化中需求处理的难题及其未来的展开趋势。

　　跟着经济的展开，我国基础设施建造的规划不断加大，新建的楼房、路途、桥梁、大坝简直遍地开花。关于这些建筑物健康状况的传感、测控成为一项重要课题。加拿大通讯中心的Hill K O等人在1978年初次在掺锗光纤中选用驻波写入法制成光纤Bragg光栅（ FBG）。使得光纤光栅传感器和传感技能成为科学研讨和技能开发的热门。

1 光纤光栅具有几个杰出首要长处：

　　1）光的频率数量级为THz，其频带规模很宽，动态规模很大，不受电磁场搅扰;

　　2）信号选用波长编码，不受光源强度的崎岖、光纤微弯损耗引起的随机崎岖和耦合损耗等要素的影响，对环境搅扰不活络；

　　3）光纤光栅的资料是二氧化硅，具有较强的耐腐蚀才能；

　　4）自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;芯径细且柔韧，易于布设;

　　5）易于完成大面积散布式丈量。因而，光纤光栅传感器具有推进光纤光栅传感器进入前沿展开的潜力。

　　我国对光纤光栅传感器的研讨相对晚一些，现在我国的光纤传感器的产业化和大规划推广使用方面还远不能满意国民经济展开的需求。因而，近期的光纤传感技能研讨和产业化特色是以老练的光纤通讯技能向光纤传感技能转化为要点，现在对光纤光栅传感器的研讨方向首要有以下几个方面：

　　1、对传感器自身及进行横向应变感测和高活络度、高分辨率、且能一同感测应变和温度改动的传感器研讨；

　　2、对光栅反射信号或透射信号剖析和测验体系的研讨，方针是开发低成本、小型化、牢靠且活络的勘探技能；

　　3、对光纤光栅传感器的实践使用研讨，包含封装技能、温度补偿技能、传感器网络技能。

　　4，展开各使用领域的专业化成套传感技能的研制，如航空航天、帆海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业及化学和环境等。

　　现在约束光纤光栅传感器使用的最首要妨碍是传感信号的解调，正在研讨的解调办法许多，但能够实践使用的解调产品并不多，且价格较高。光纤光栅的信号解调，即波长细小移位的检测问题，是光纤光栅传感器能否实用化的要害。

　　2 光纤光栅传感原理

　　温度、应变和应力的改动会引起光纤光栅的栅距和折射率的改动，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生改动。经过检测光纤光栅反射谱或透射谱的改动，就能够取得相应的温度、应变和压力信息，这便是用光纤光栅丈量温度、应变和压力的基本原理。由耦合模理论可知，均匀的、非闪烁光纤Bragg光栅可将其传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而构成窄带反射，峰值反射波长为（Bragg波长）：式中为导模的有用折射率，为光栅周期。光纤光栅的Bragg波长是和顺而改动的，因而Bragg波长关于外界力、热负荷等极为活络。应变和压力影响Bragg波长是因为光栅周期的弹性以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是因为热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生改动时，Bragg波长的改动可表示为。

　　2.1温度活络度

　　温度影响Bragg波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假定均匀压力场和轴向应力场坚持稳定，由热膨胀效应引起的光栅周期改动为。

　　式中为光纤的热膨胀系数。Bragg波长的改动与温度之间的改动有杰出的线性联系。

　　2.2 应变（力）活络度

　　应变（力）影响Bragg波长是因为光栅周期的弹性和弹光效应引起的。

　　假定光纤光栅仅受轴向应力效果，温度场和均匀压力场坚持稳定。轴向应力引起光栅的栅距改动，即：

　　由应变引起的Bragg波长改动可表示为。

　　2.3 压力活络度

　　压力影响也是由光栅周期的弹性和弹光效应引起的。假定温度场和轴向拉力坚持稳定，光纤处于一个均匀压力场P中，轴向应变会使光栅的栅距改动，即：

　　有用折射率的改动为：

　　其压力活络度为：

　　因为掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力活络度不同较大。

　　3 解调原理

　　3.1 匹配光栅解调原理

　　使用一个与传感光栅呈匹配联系的参阅光栅，完成参阅光栅对传感光栅信号的解调法如图一所示。输出信号的位相是与被丈量成份额的载波。为了测出传感光栅的信号，丈量时调谐参阅光栅，经过丈量最大反射功率或最小透射功率便可测出传感光栅的波长移动量，从而推知待丈量。该传感办法结构简略、造价低价，测验成果不受光源谱线包络或许存在的精细结构叠加的影响。其静态轴向应变分辨率约为

　　图一匹配光栅法解调原理图

　　3.2 非平衡M-Z干与解调法

　　相干解调法具有最高精度，用这种办法解调能够大大提高传感分辨率。1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干与解调法，如图二所示：

　　图二非平衡M-Z干与仪解调FBG波长原理图

　　宽带光源宣布的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送入非平衡M-Z干与仪，经过干与仪把Bragg波长漂移量转化为相位改动式中n为光纤的折射率，d为干与仪的两臂长度差。由上式可见，只要用相位计勘探出相位的改动，便可得知波长的移动量，别的，为了抵消直流零点漂移，能够使用一锯齿型电压（由图中的信号源发生）操控压电陶瓷，以调理干与仪的一个臂，使干与仪输出为一调制光，以信号源为参阅用相位计检测输出信号的相位，因相位计可检测±1800，故波长可检测规模宽。

　　试验标明，此计划具有低于纳级相对应变的传感分辨率，当所检测的应变振源频率为10HZ时，分辨率为2n/ ，振源频率为500Hz时，分辨率为0.6n。

　　此计划具有宽带宽、分辨率高级长处，但其随机相移的影响决议了该计划只能适应于动态解调体系中。

　　3.3 根据迈克耳逊干与仪的解调法

　　迈克耳逊干与解调原理如图三所示：

　　图三迈克耳逊干与仪解调原理图

　　宽带光源宣布的光由耦合器进入传感光栅，经其反射后进入由两镜面及光纤构成的迈克耳逊干与仪，由3dB耦合器一端输出干与光，再经光电转化、扩大、滤波处理后的信号（干与信号）与信号发生器的信号（参阅信号）一同进入相位计检测其相位，调整驱动信号（由图中信号发生器宣布的）的幅值及其直流电平的巨细，使干与信号改动的频率与参阅信号的频率一起，此刻相位计所显现值与传感光栅的波长移动量出现必定的联系。波长改动引起的相位改动可表示为