解析光纖光柵傳感器的原理及其應(yīng)用

        近年來，隨著光纖通信技術(shù)向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，以及逐步向全光網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)．在光通信迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，光纖光柵已成為發(fā)展最為迅速的光纖無光源器件之一。光纖在紫外光強(qiáng)激光照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性．光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣，在光纖軸向上就會(huì)形成周期性的折射率波動(dòng)，即為光纖光柵。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發(fā)，綜述了光纖布拉格光柵對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。

        1 光纖傳感器的工作原理
        1．1 光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)
        光纖布拉格光柵FBG于1978年發(fā)明問世。它利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。圖l所示是其光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)。 

        在圖1所示的光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)中，光源為寬譜光源且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號(hào)良好的信噪比。一般選用側(cè)面發(fā)光二極管ELED的原因是其耦合進(jìn)單模光纖的光功率至少為50～100 μW。而當(dāng)被測(cè)溫度或壓力加在光纖光柵上時(shí)。由光纖光柵反射回的光信號(hào)可通過3 dB光纖定向耦合器送到波長鑒別器或波長分析器，然后通過光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、儲(chǔ)存，并按用戶規(guī)定的格式在計(jì)算機(jī)上顯示出被測(cè)量的大小。
光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部優(yōu)點(diǎn)外．還具有在一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用的特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量功能。 

        1．2 光纖布拉格光柵原理 

        光纖布拉格光柵通常滿足布拉格條件 
       
        式中，λB為Bragg波長，n為有效折射率，A為光柵周期。

        當(dāng)作用于光纖光柵的被測(cè)物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起n和A的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致λB的漂移；反過來，通過檢測(cè)λB的漂移。也可得知被測(cè)物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的λB漂移可表示為： 
       
        式中，ε為應(yīng)力，P[i，j]為光壓系數(shù)，v為橫向變型系數(shù)(泊松比)，α為熱脹系數(shù)，△T為溫度變化量。一般情況下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因子的典型值為0．22，可以推導(dǎo)出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG溫度和應(yīng)力相應(yīng)條件值為：
        
        利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。如通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。 

        1．3 長周期光纖光柵 

        長周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長周期光柵的透射峰波長主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為： 
       
        式中。Λ為光柵周期，*****分別為纖芯和包層的折射率。*****為第P階包層模的透射波長。當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，被測(cè)因素的變化將對(duì)光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測(cè)出LPG透射譜線的變化，即可推知被測(cè)變量的變化，這就是LPG傳感的基本原理。 

        1．4 分布式光纖光柵傳感系統(tǒng) 

        目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統(tǒng)也是一個(gè)重要的研究重點(diǎn)。分布式FBG傳感系統(tǒng)是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，每個(gè)光柵的工作波長相互分開，在經(jīng)過3 dB耦合器取出反射后，再用波長探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)光柵的波長偏移進(jìn)行測(cè)量，從而檢測(cè)出相應(yīng)被測(cè)量的大小和空間分布。 

        分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以從整體上對(duì)被測(cè)對(duì)象的有關(guān)物理量的變化時(shí)間、位置進(jìn)行監(jiān)控。通過對(duì)分布式光纖傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合，可形成一個(gè)智能結(jié)構(gòu)。目前，分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有拉曼型、布里淵型和FBG型三種類型。

        2 溫度和應(yīng)變交叉敏感分離技術(shù) 

        實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法和光強(qiáng)測(cè)溫法等幾種技術(shù)。 

        2．1 雙波長矩陣法
雙波長矩陣法是出現(xiàn)較早而且目前應(yīng)用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過一定方式在一個(gè)傳感頭中獲得兩個(gè)不同的布拉格波長，并通過檢測(cè)這兩個(gè)布拉格波長的位移來實(shí)現(xiàn)溫度不敏感測(cè)量或應(yīng)變及溫度的同時(shí)測(cè)量。如果λ1、λ2同時(shí)對(duì)兩被測(cè)量比較敏感。且波長漂移隨溫度和應(yīng)變的變化為線性，溫度和應(yīng)變變化獨(dú)立或只有微弱擾動(dòng)，則由下式可得： 
       
        式中，kTi為布拉格波長的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與光纖泊松比、彈光系數(shù)和纖芯有效折射率有關(guān)；kTi為布拉格波長的溫度靈敏系數(shù)，它與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。目前，雙波長矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量方面主要有參考光柵法、雙波長重疊FBG法和雙直徑FBG法等。 

        2．2 雙參量矩陣法 

        雙參量矩陣法是運(yùn)用各種方法將溫度和應(yīng)力對(duì)同一光波的影響分別作用于該光波的不同參量上，然后推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的區(qū)分測(cè)量。近年來，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問題解決方案。如混合FBG／長周期光柵法、二次諧波法、超結(jié)構(gòu)光柵法等。 

        2．3 溫度參考光柵法 

        該方法是選用2個(gè)相同參數(shù)的FBG對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，是用兩個(gè)相互相鄰且中心波長相同的FBG組成一個(gè)傳感探頭，其中FBGl的長度L1大于FBG2的長度L2，為了區(qū)分兩光柵的反射信號(hào)，圖2給出了該方法的雙FBG傳感探頭示意圖。 
       
        圖2中的FBGl裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)，兩端與玻璃管固定，以使其僅受外界溫度的影響；而FBG2不裝在玻璃管內(nèi)，因而會(huì)同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響。由于光纖和玻璃管具有相同的熱膨脹性。因此，F(xiàn)BGl和FBG2的溫度敏感系數(shù)相同。 

        2．4 溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法 

        其實(shí)，目前研究較多的還是溫度補(bǔ)償法。該方法主要通過某種方法或裝置先將溫度擾動(dòng)引起的波長漂移剔除掉，從而使應(yīng)變測(cè)量不受溫度的影響。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者提出了關(guān)于FBG交叉敏感的問題，主要考慮實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的溫度補(bǔ)償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類。 

        2．5 光強(qiáng)測(cè)溫法 

        光強(qiáng)測(cè)溫法是通過光強(qiáng)與待測(cè)點(diǎn)溫度的關(guān)系來確定溫度值，故可消除溫度對(duì)波長移動(dòng)的影響。該方法需要特殊結(jié)構(gòu)的FBG，而且需要利用特殊材料，同時(shí)對(duì)解調(diào)方案也有相應(yīng)的要求。

        3 光纖光柵的應(yīng)用 

        由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自G．Meltz等人首次報(bào)道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 

        3．1 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 

        光纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視以及用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測(cè)提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。德國的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量(～1mm)的優(yōu)勢(shì)，并已有實(shí)例應(yīng)用于對(duì)生長中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)。 

        3．2 智能橋梁建筑材料應(yīng)用 

        智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、以及故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將光纖應(yīng)用于橋梁測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測(cè)量和測(cè)控，從而構(gòu)成智能橋梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對(duì)應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；我國的繆延彪教授建立了一種新的波長干涉儀試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對(duì)距離測(cè)量。 

        3．3 航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用
上世紀(jì)90年代，Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了I-FOG原理，同時(shí)通過采用消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢(shì)，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度／剪切應(yīng)力傳感器，來分辨溫度和剪切應(yīng)力引起的布拉格波長偏移，從而廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)備。 

        3．4 工礦企業(yè)系統(tǒng) 

        基于光纖的彈光效應(yīng)，F(xiàn)BG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)中。在許多特殊場(chǎng)合，如核工業(yè)、化工、石油鉆探等都應(yīng)用了監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，2001年，美國CiDRA公司采用光纖布拉格光柵傳感器在加利福尼亞的Baker油田進(jìn)行了壓力測(cè)試，測(cè)程為0～103 MPa，準(zhǔn)確度為±41．3 kPa，分辨率為2．06 kPa，可見其具有非常高的精度。法國Alstom公司鐵路部的Transport S．A．領(lǐng)導(dǎo)研制了一種安裝有FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。

        4 結(jié)束語 

        近年來，隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術(shù)得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用。由于其擁有獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必會(huì)受到越來越多行業(yè)的重視，也必將在傳感領(lǐng)域中呈現(xiàn)出非常重要的地位。但是，許多光纖傳感中的關(guān)鍵技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，距商業(yè)實(shí)用化階段還有一定的距離，因此，還需集中力量為光纖光柵研究成果的產(chǎn)業(yè)化繼續(xù)努力，更重要的是要促進(jìn)民族光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。