一、 前语
1978年加拿大渥太华通讯研讨中心的K.O.Hill等人初次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并选用驻波写入法制成国际上第一根光纤光栅。1989年，美国联合技能研讨中心的G.Meltz等人完成了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光旁边面写入技能，使光纤光栅的制作技能完成了打破性开展。跟着光纤光栅制作技能的不断完善，其运用的效果日益增多，从光纤通讯、光纤传感到光核算和光信息处理的整个范畴都将因为光纤光栅的实用化而发生革命性的改动，光纤光栅技能是光纤技能中继掺铒光纤放大器（EDFA）技能之后的又一严重技能打破。
光纤光栅是运用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光经过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间散布发生相应改动的特性。而在纤芯内构成的空间相位光栅，其效果的本质便是在纤芯内构成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。运用这一特性可制作出许多功用共同的光纤器材。这些器材具有反射带宽规模大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器材兼容成一体，不受环境尘土影响等一系列优异功用。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，从功用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）。现在光纤光栅的运用首要会集在光纤通讯范畴和光纤传感器范畴。
在光纤传感器范畴，光纤光栅传感器的运用远景十分宽广。因为光纤光栅传感器具有抗电磁搅扰、尺度小（规范裸光纤为125um）、分量轻、耐温性好（作业温度上限可达400℃-600℃）、复用才能强、传输间隔远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高活络度、无源器材、易形变等长处，早在1988年就成功地在航空、航天范畴中作为有用的无损检测技能，一起光纤光栅传感器还可运用于化学医药、资料工业、水利电力、船只、煤矿等各个范畴，还在土木工程范畴（如建筑物、桥梁、塘坝、管线、地道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状况，然后树立灵活结构，并进一步完成智能建筑。
二、 光纤光栅传感器的作业原理
咱们知道，光栅的Bragg波长λB由下式决议：λB=2nΛ （1）
式中，n为芯模有用折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所在环境的温度、应力、应变或其它物理量发生改动时，光栅的周期或纤芯折射率将发生改动，然后使反射光的波长发生改动，经过丈量物理量改动前后反射光波长的改动，就可以取得待测物理量的改动状况。如运用磁场诱导的左右旋极化波的折射率改动不同，可完成对磁场的直接丈量。此外，经过特定的技能，可完成对应力和温度的别离丈量，也可一起丈量。经过在光栅上涂敷特定的功用资料（如压电资料），还可完成对电场等物理量的间接丈量。
1、 啁啾光纤光栅传感器的作业原理上面介绍的光栅传感器体系，光栅的几许结构是均匀的，对单参数的定点丈量很有用，但在需求一起丈量应变和温度或许丈量应变或温度沿光栅长度的散布时，就显得无能为力。一种较好的办法便是选用啁啾光纤光栅传感器。
啁啾光纤光栅因为其优异的色散补偿才能而运用在高比特长途通讯体系中。与光纤Bragg光栅传感器的作业原理根本相同，在外界物理量的效果下啁啾光纤光栅除了△λB的改动外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合对错常有用的，啁啾光纤光栅因为应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的改动则因为折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的方位。经过一起丈量光谱位移和展宽，就可以一起丈量应变和温度。
2、 长周期光纤光栅（LPG）传感器的作业原理
长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有用折射率。光在包层中将因为包层／空气界面的损耗而敏捷衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长规模上有许多的共振，LPG共振的中心波长首要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率改动而发生的任何改动都能在共振中发生大的波长位移，经过检测△λi，就可取得外界物理量改动的信息。LPG在给定波长上的共振带的呼应一般有不同的起伏，因而LPG适用于多参数传感器。
三、 光纤光栅传感器的运用
1、在地球动力学中的运用
在地震检测等地球动力学范畴中，地表突变等现象的原理及其风险性的估定和猜测对错常杂乱的，而火山区的应力和温度改动是现在为止可以提醒火山活动性及其要害活动规模演化的最有用手法心。光纤光栅传感器在这一范畴中的运用首要是在岩石变形、笔直震波的检测以及作为地势检波器和光学地震仪运用等方面。活动区的应变一般包含静态和动态两种，静态应变（包含由火山发生的静态变形等）一般都定坐落与地质变形源很近的间隔；而以震源的震波为代表的动态应变则可以在与震源较远的地球周边环境中检测到。为了得到适当精确的震源或火山源的方位，更好地描绘源区的几许形状和演化状况，需求运用密布摆放的应力－应变丈量仪。光纤光栅传感器是能完成远间隔和密布摆放复用传感的宽带、高网络化传感器，契合地震检测等的要求，因而它在地球动力学范畴中无疑具有较大的潜在用处。有报导指出，光纤光栅传感器已成功检测了频率为0.1-2Hz，巨细为10-9ε（应变）的岩石和地表动态应变。
2、在航天器及船只中的运用
先进的复合资料抗疲劳、抗腐蚀功用较好，并且可以减轻船体或航天器的分量，关于快速航运或飞翔具有重要意义，因而复合资料越来越多地被用于制作航空帆海东西（如飞机的机翼）。
为全面衡量船体的状况，需求了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的打击力，关于一般船体大约需求100个传感器，因而波长复用才能极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感体系可丈量船体的弯曲应力，并且可丈量波浪对湿甲板的打击力。具有干与勘探功用的16路光纤光栅复用体系成功完成了在带宽为5kHz规模内、分辩率小于10nε/（Hz）1/2的动态应变丈量。
别的，为了监测一架飞翔器的应变、温度、振荡、起落驾驭状况、超声波场和加速度状况，一般需求100多个传感器，故传感器的分量要尽量轻，尺度尽量小，因而最灵活的光纤光栅传感器是最好的挑选。别的，实践上飞机的复合资猜中存在两个方向的应变，嵌人资猜中的光纤光栅传感器是完成多点多轴向应变和温度丈量的抱负智能元件。
3、在民用工程结构中的运用
民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活泼的范畴。力学参量的丈量关于桥梁、矿井、地道、大坝、建筑物等的维护和状况监测对错常重要的。经过丈量上述结构的应变散布，可以预知结构部分的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的外表或预先埋入结构中，对结构一起进行冲击检测、形状操控和振荡阻尼检测等，以监督结构的缺点状况。别的，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准散布式检测，可以用核算机对传感信号进行长途操控。
光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。运用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的外表，或在梁的外表开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以维护。假如需求愈加完善的维护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，因为需求批改温度效应引起的应变，可运用应力和温度分隔的传感臂，并在每一个梁上均装置这两个臂。
两个具有相同中心波长的光纤光栅替代法布里－珀罗干与仪的反射镜，构满足光纤法布里－珀罗干与仪（FFH），运用低相干性使干与的相位噪声最小化，这一办法完成了高活络度的动态应变丈量。用FFPI结合别的两个FBG，其间一个光栅用来测应变，另一个被维护起来，免受应力影响，以丈量和批改温度效应，所以FFP～FBG完成了一起丈量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种办法兼有干与仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的长处。已在5mε的丈量规模内，完成了小于1με的静态应变丈量精度、0.1℃的温度活络度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变活络度。
4、在电力工业中的运用
光纤光栅传感器因不受电磁场搅扰和可完成长间隔低损耗传输，然后成为电力工业运用的抱负挑选。电线的载分量、变压器绕线的温度、大电流等都可运用光纤光栅传感器丈量。
在电力工业中，电流转换器可把电流改动转化为电压改动，电压改动使压电陶瓷（PZT）发生形变，而运用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很简单得知其形变，然后得知电流强度。这是一种较为廉价的办法，并且不需求杂乱的电阻隔。别的，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发风险事情，因而在线检测电线压力十分重要，特别是关于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载分量，其原理为把载分量的改动转化为紧贴电线的金属板所受应力的改动，这一应力改动被粘于金属板上的光纤光栅传感器勘探到。这是运用光纤光栅传感器完成远间隔恶劣环境下丈量的实例，在这种状况下，相邻光栅的距离较大，故不需快速调制和解调。
5、在医学中的运用
医学顶用的传感器多为电子传感器，它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医治中，因为电子传感器中的金属导体很简单受电流、电压等电磁场的搅扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致过错读数。为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（包含超声手术、过高热医治、碎结石手术等）中所用的超声确诊仪器的功用。近年来，运用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以替代外科手术越来越遭到医学界的重视，并且传感器的小尺度在医学运用中对错常重要的，因为小的尺度对人体安排的损伤较小，光纤光栅传感器是现在为止可以做到的最小的传感器。光纤光栅传感器可以经过最小限度的损害办法丈量人体安排内部的温度、压力、声波场的精确部分信息。到现在为止，光纤光栅传感体系现已成功地检测了病变安排的温度和超声波场，在30℃－60℃的规模内，取得了分辩率为0.1℃和精确度为±0.2℃的丈量成果，超声场的丈量分辩率为10-3atm／Hz1/2，这为研讨病变安排供给了有用的信息。
光纤光栅传感器还可用来丈量心脏的功率。在这种办法中，医师把嵌有光纤光栅的热稀释导管刺进患者心脏的右心房，并打针人一种冷溶液，可丈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，这关于心脏监测对错常重要的。
6、在化学传感中的运用
光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的改动而改动，而光栅间倏失波的相互效果以及环境中的化学物质的浓度改动都会引起折射率的改动。
长周期光栅（long period fiber grating，LPFG）与布拉格光纤光栅相同，也是由光纤轴向上发生周期性的折射率调制而构成，其周期一般大于100μm.它的耦合机理是：向前传输的纤芯基模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层模，包层模很快损失掉，所以LPFG根本上没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。LPFG对光纤包层资料折射率的改动比上述的光纤布拉格光栅更为活络，包层资料折射率的任何改动都会改动传输光谱的特性，使吸收峰发生改动，所以长周期光栅折射率丈量体系的分辩率可完成10－7的活络度。现在现已用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度，包含蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原则上，任何具有吸收峰谱并且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅进行勘探。
四、结束语
除上述运用外，光纤光栅传感器还在其他范畴得到了运用，并且在许多方面的功用都比传统的机电类传感器更安稳、更牢靠、更精确。光纤光栅传感器可以用于应力、应变或温度等物理量的传感丈量，具有较高的活络度和丈量规模。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以一起测定若干部位相应物理量及其改动，完成准散布式光纤传感。总归，光纤光栅传感器的运用是一个方兴未已的范畴，有着十分宽广的开展远景。
现在对光纤光栅传感器的研讨方向首要有三个方面：一是对传感器自身及能进行横向应变感测和高活络度、高分辩率、且能一起感测应变和温度改动的传感器研讨；二是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；三是光纤光栅传感器的实践运用研讨，包含封装技能、温度补偿技能、传感器网络技能。
现在约束光纤光栅传感器运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，但可以实践运用的解调产品并不多，并且价格较高。其次，光纤光栅传感器运用中的其他问题也十分重要，如：1、因为光源带宽有限，而运用中一般要求光栅的反射谱不能堆叠，因而可复用光栅的数目遭到约束；2、怎么完成在复合资猜中一起丈量多轴向的应变，以再现被测体的多轴向应变描摹；3、怎么完成大规模、高精度、快速实时丈量；4、怎么正确地分辩光栅波长改动是由温度改动引起的仍是由应力发生的应变引起的等。有用地处理上述问题关于完成廉价、安稳、高分辩率、大丈量规模、多光栅复用的传感体系具有重要意义，这些都有待开展。
