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Published Online September 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/ad7322293.html,/journal/oe
https://https://www.doczj.com/doc/ad7322293.html,/10.12677/oe.2018.83014
Development in Fiber Bragg Grating
Sensing Technology
Shanchao Jiang
School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu
Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018
Abstract
In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology.
Keywords
FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology
光纤光栅传感技术发展综述
蒋善超
盐城工学院电气工程学院，江苏盐城
收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日
摘要
为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。
关键词
光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
蒋善超Copyright ? 2018 by author and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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1. 引言
光纤光栅传感技术因其本身防电磁扰动、抗腐蚀、测量精确、复用能力强、便于组网等特性备受关注。短短几十年时间，光纤光栅传感技术已经成为发展最为迅猛的监测技术手段，且在航空航天、土木工程、风力发电、石油化工、复合材料、食品检测等行业取得了广泛的应用。随着光纤光栅传感技术的发展，其可实现参数测量种类、数量愈来愈多。本文针对光纤光栅传感技术在光谱分析、传感参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的研究现状进行总结，为光纤光栅传感技术进一步发展提供基础数据支持。
2. 光纤光栅光谱特性研究现状
目前，光栅光谱特性研究方法主要可分成如下两个阶段：理论仿真计算分析及试验测试。1973年及1976年，A. Yariv和H. Kogelnik分别采用耦合模理论及数值分析方法分析了均匀光纤光栅与非均匀的光纤光栅的光谱特性，其中理论数值分析方法存在计算量大、所需计算时间长的缺点[1][2]；1995年，F. Bilodeau等人通过实验对比分析了光纤光栅的理论及试验光纤光栅光谱数据[3]；1997年，T. Erdogan等人通过数值计算与仿真对比详细分析了本征参数变化对均匀光纤光栅及非均匀光纤光栅反射及透射光谱特性变化的影响[4]；2001，张东生等人通过改变影响光栅谐振波长与波长的参数对光纤光栅光谱形状控制方法进行了相关研究，这对于光栅的多样化刻蚀起到一定的指导作用[5]；同年，杜戈等人以光纤光栅反射光谱作为研究对象，对比分析了FC与APC接头对光纤光栅光谱的影响，数据分析结果显示：APC 接头实现光纤耦合对光纤光栅反射光谱的影响，添加一定量的折射率匹配溶液可以有效的消减端面的反射光对光谱的影响，在实际工程应用中可以作为一种较好连接方式[6]；2008年，姚海凤等人基于光纤光栅耦合模理论及传输矩阵理论研究了光纤耦合器对串联及并联光纤光栅串反射光谱的影响，得并联光纤光栅受光纤耦合器的影响较为明显[7]；2009年，贺园等人以耦合模理论作为基础理论仿真绘制各异参数下光纤光栅的反射光谱，进而分析并获得光栅光谱反射率、带宽与光栅栅区长度、栅格周期、折射率微扰之间的最佳组合，可以以此为理论依据制作优良的光纤光栅[8]。2014年，李晓丽等人基于薛定谔方程及一维热稳态方程分析了强光作用下非线性效应及光热效应对光纤布拉格光栅光谱变化情况的影响[9]。上述光纤光谱特性的研究对于光栅多样化刻蚀、器件研发及其实际使用起到了较大的促进作用。
为便于实现光纤光栅检测元器件的研制与优化，研究学者对轴向、径向及应力作用下的光纤光栅光谱特性进行了相关的研究。1989年，Morey等人研究并证实光纤光栅的应变及温度检测性能[10]。2000年，R. Gasfi等人研究了光纤光栅径向负载对于光纤的有效折射率的变化影响，结果显示光纤布拉格光栅反射光谱在径向负载作用下其光谱发生分裂[11]；2002年，Federco Bosia等人对光纤光栅在径向负载作用下光谱变化开展了试验验证研究，数据线束径向负载作用下光纤布拉格光栅反射光谱发生变形[12]；2004年，Jingxi Zhao通过试验的方式分析了光纤布拉格光栅径向力作用下的双折射现象[13]；2007年，滕峰成在其博士论文中较为详细的研究了轴向均匀应力与非均匀(栅区线性)应力及横向(即径向)均匀应力与非均匀应力(栅区线性)对光纤光栅反射光谱的影响，构建了被测量与因变量之间的对应关系[14]；2009年，陈哲敏分析了轴向非均匀(非线性)应力对光纤光栅反射光谱的影响并针对光纤光栅实现动态应力测量的解调方式，如边缘滤波、DWDM滤波器等进行了研究[15]；2014年，王正方在光纤光栅应变模
蒋善超
型的基础上研究了非均匀光纤光栅(啁啾光纤光栅、相移光纤光栅)轴向及径向应力作用下其反射光谱的变化特性[16]；同年，王静等人较为详细的研究了动态应力(传播速度、幅值等)对啁啾光纤光栅反射光谱的影响并通过构建试验平台进行了验证[17]。
3. 光纤光栅传感器发展现状
自光纤光栅温度应变特性于1989年被研究验证以来，由于其本身特性，如本质安全、检测精度高、抗电磁干扰、传输距离远等，光纤光栅检测元件的开发利用已拓展到应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等方面的应用。
3.1. 应变检测
自M. A. Davis与Libo Yuan等人分别于1997年[18]及2001年[19]实现结构件内部应变的测量开始，随着光纤光栅应变检测元件的发展，为满足更高精度、实用性等要求，其封装方式得到丰富的发展，主要有材料(复合材料、金属等)基体封装、环氧树脂表面粘接等方式。2005年，P. Moyo等人以复合材料碳纤维板作为基体材料实现光纤光栅应变传感单元的复合材料基体封装[20]；2008年，黄广龙等人应用光纤光栅与金属封装实现了深基坑钢筋应变的测量，给出其轴力的合理性[21]；2013年，马收等人研究光纤光栅表贴式传感器粘接剂的表面应变传递效率，试验结果证实在保证粘接质量的前提下，应用环氧树脂粘接可以获得较好的应变及温度响应特性[22]；2015年，Shanchao Jiang等人应用不同结构参数的椭圆环增敏方式实现了光纤光栅共原点的三维应变测量并应用有限元仿真分析软件实现了传感单元的优化设计[23]；同年，王达达等人为满足传感器与光缆连接需求，利用自锁紧螺帽、不锈钢管、法兰盘及光纤光栅等原件研制了一种自锁紧式光纤光栅应变传感器[24]。
3.2. 位移检测
1998年，Lih-Wuu Chang等人应用光纤光栅双波长干涉原理实现位移的测量[25]；1999年，关柏鸥等人应用等截面悬臂梁开发了新型具有测量量程大(大于200 mm)、线性度高的光纤光栅位移传感器[26]；
2003年，李伟刚等人通过改进悬臂梁的结构提出了一种可以实现双向位移检测的光纤光栅位移传感器
[27]；2007年，李丽在其博士论文中为消除温度影响研究了基于等腰悬臂梁结构的微位移光纤光栅传感
器[28]；2010年，何俊等人通过将光纤光栅粘接于等强度悬臂梁上下两个表面研制适用于工程应用的、具有自温补特性的光纤光栅位移传感器[29]；2012年，丁腾蛟通过悬臂梁、弹簧等实现外界被测量对光纤光栅波长的调制，提出了测量量程为0~1000 mm的大量程光纤光栅位移传感器[30]；2013年，蒋善超等人通过弹簧、不锈钢管等研制适用于地质工程模型试验的微型光纤光栅位移传感器[31]；同年，张艳晓为解决因光纤光栅直接粘接于悬臂梁表面可能导致的波长展宽问题，研制了基于环形结构的光纤光栅位移传感器[32]；2015年，Shanchao Jiang等人基于螺旋锥试件提出变测量精度、大量程范围的光纤光栅位移传感器[33]。
3.3. 压力检测
1996年，M. G. Xu等人通过空心的玻璃球实现了光纤光栅压力敏感系数增敏[34]；1998年，郑云启等人使用弹簧管对光纤光栅压力敏感系数进行增敏处理，研制了弹簧管式光纤光栅压力传感器[35]；2002年，张颖等人应用聚合物及金属罐体对光纤裸光栅进行封装提出了高精度的光纤光栅压力传感单元并对其压力测试性能进行了相关的研究[36]；2005年，曹晔等人应用轮辐结构将光纤光栅垂直于轮辐结构的正反面提出了温度不灵敏的光纤光栅压力传感器[37]；2008年，张文涛等人应用杠杆结构转变金属膜片
蒋善超
的挠度，提出一种新型的光纤光栅压力传感单元[38]；2011年，罗斐通过分析金属薄片的力学特性，提出了一种新颖的光纤光栅压力传感元件[39]；2013年，蒋善超等人在总结现有光纤光栅压力增敏方式(聚合物、膜片、金属结构等)的基础上选用金属结构对膜片中心挠度进行转变提出了适用于模型试验的光纤光栅压力传感器[40]；2015年，何少灵等人通过将光纤光栅直接于弹性膜片粘接并增设温补光栅提出了可以实现温度实时补偿的光纤光栅压力传感器[41]。
3.4. 流速检测
2001年，J. Lim等人通过将两个光纤光栅粘接于膜片上基于差压法提出了光纤光栅流速传感器[42]；2005年，Yong Zhao等人基于悬臂梁的结构提出了靶式光纤光栅流速传感元件[43]；2006年，陈建军等人利用汾丘里管获取流体速度的差压提出光纤光栅高精度流速传感元件[44]；同年，禹大宽等人使用耐高温胶将光纤光栅粘接于铝片表面实现了管道流速的光纤光栅测量[45]；2009年，杨淑连等人将流速差异导致汾丘里管压差作用于粘接于悬臂梁的光纤光栅，实现0~200 mm/s流速的光纤光栅测量[46]；2011年，钟诚等人利用锥形结构实现管道流速调整实现不同流速下的压强光纤光栅波长调节，提出了变测量精度及量程的光纤光栅流速传感器[47]；2012年，王正方等人应用有限元分析软件分析不同形状靶片的基础上提出了光纤光栅靶片式光纤光栅流速传感器并在模型实验中获得成功的应用[48]；2013年，杨淑连等人提出了基于啁啾光纤光栅光谱分析温度鲁钝的光纤光栅流速传感元件[49]；2015年，Jia Cheng等人通过光纤纤芯设置偏移及光纤光栅表面镀银实现了气流量的检测[50]。
3.5. 锚索或锚杆检测
光纤光栅在锚杆锚索检测元件中的研究相对于应变、位移等参量起步较晚。2005年，柴敬等人以光栅作为敏感元件开发可实现锚杆的应力监测的系统[51]；2009年，李毅等人设计油缸式光纤光栅锚杆测力计，有效的解决了粘接式光纤光栅锚杆测力系统施工复杂、一次性等的缺陷[52]；同年，Hui Li等人通过将光纤光栅内置于玻璃纤维棒中实现桥梁斜拉索的有效在线检测[53]；2014年，张桂花等人通过光纤光栅对锚杆受力表面应力分布规律进行了研究[54]；2015年，梁敏福等人基于光纤光栅设计锚杆测力计并对其进行了试验研究，试验结果与理论计算一致，可实现锚杆的在线、高精度测量[55]。
3.6. 倾斜检测
2002年，Y. Yoshida等人光纤光栅开发检测边坡形变的光纤检测系统[56]；2006年，Y. T. Ho等人提出光纤光栅分段变形传感器，通过获得相对变形获得整个管道倾斜度的测量[57]；2010年，Hualong Bao 等人提出了两种温度不敏感、实现大量程测量的二维光纤光栅倾斜传感器[58][59]；2011年，倪凯等人通过将4根刻有光纤光栅的光纤等间隔固定于一圆盘上，提出了温度鲁钝、检测精度可达0.2?的光栅倾斜传感单元[60]；2015年，Chenxi Guo等人基于倾斜光纤光栅提出了一种新型的光纤光栅倾斜仪，在0?~25?测量范围内获得检测精度可达4.16 dB/deg [61]。
随着光纤光栅检测元件多样化、实用化的发展，其在如折射率[62]、湿度[63]、磁场[64]等方面也得到发展应用。
4. 光纤光栅复用技术发展现状
目前，光纤光栅检测技术最基本的常用复用技术为：波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)、时分复用(Time Division Multiplexing, TDM)、空分复用(Space Division Multiplexing, SDM)及混合复用技术等。
蒋善超
4.1. 波分复用(WDM)
波分复用是将波长不同的光纤光栅检测元件以串联的方式连接于一根光纤实现信号传输、解调的复用技术。因光纤光栅检测元件波长的不同，这种复用方式可以充分发挥光源的波长带宽且解调信号信噪比较高。可以实现光纤光栅中心波长的波分复用的解调方式主要有：M-Z干涉法、Sagnac干涉法、可调谐Fabray-Perot滤波器法等。其中可调谐的Fabray-Perot滤波器方法应用最为广泛。单根光纤可容纳光纤光栅检测元件的数量由两个方面的因素决定：1) 光纤光栅解调仪光源的波长带宽；2) 检测元件实现被测量测量所需波长带宽。例如，假设光源波长范围为1510~1590 nm，采用裸光纤光栅实现?180?C~?140?C 的测量。考虑到裸光栅对温度的敏感系数为10 pm/?C及裸光栅所在的室温(20?C~30?C)存储制备等环境，此时为实现被测量的测量裸光栅检测元件所需带宽范围为2 nm~2.1 nm。不考虑光纤光栅3 dB带之间的相互影响及反射光功率等因素的前提下，此时单根光纤可复用的检测元件数量为19~20个。
4.2. 时分复用(TDM)
时分复用是通过高速光开关来获取由于光纤检测元件在光纤位置不同导致其反射光源脉冲信号所存在的时间延迟信号，按照时间戳的不同来区别不同位置的测点信息(位置、因变量等)的光纤复用技术。1992年，A. D. Kersey等人利用信号编码技术对时分复用中由于光源脉冲周期增加导致的信号信噪比降低进行了改善[65]；1994年，M. A. Davis给出了较为详细的时分复用光纤框架图[66]；同年，R. S. Weis等人利用M-Z干涉法解调方式，采用光纤延时线实现信号延时成功实现了4个光纤光栅检测元件的时分复用[67]。
光纤时分复用技术由于不受光纤检测元件波长的影响，引起其可复用期间不受波长的影响，其主要的受限因素为脉冲光源的获取及信号延迟串扰问题。采用宽带光源获取脉冲信号，其反射功率太低，这给信号的解调带来一定的难度。为解决这一难题，C. C. Chan等人于2000年采用可调谐激光器作为脉冲光源发生器[68]；其后，B. Dong等人于2006年通过将光纤光栅粘接于悬臂梁来实现激光器的可调谐[69]。针对信号延时串扰问题，L. C. G Velente等人于2002年采用普通商用OTDR与弱反射率光纤检测元件实现了单根光纤上50个检测单元的时分复用[70]；Y. M. Wang等人于2011年在分析传感单元反射效率及复用数量之间关系的基础上，采用弱反射光栅实验证实了时分复用技术可以实现1000个光纤检测元件的访问[71]。然而，光纤检测元件发射率的降低会导致检测信号信噪比的降低。
4.3. 空分复用(SDM)
空分复用技术是基于并行拓扑结构提出的可实现大规模光纤检测元件的解调，满足检测元件之间独立性、可互换代替性的光纤复用技术，其复用结构框图被R. J. Yao等人于1995年给出[72]。随后，R. J. Yao 等人在1996年对混合复用技术(波分+ 时分+ 空分复用)进行了相关研究[73]；国内，饶云江等人于2006年应用混合复用技术构建大型光纤应变监测网络[74]。
基于上述光纤复用技术，多种其他的复用技术，如副载波复用、调频连续波复用、光时域反射计、环形腔半导体放大技术等[75]被研究。在利用数学算法实现光纤复用方面，巨红兵[76]采用遗传算法对光纤信号进行解调处理，实现了光纤光栅重叠光谱下的中心波长的解析。该算法有效的实现光源光谱的复用，可大大提高光纤监测系统传感单元的复用数量。
5. 总结
为总结光纤光栅传感技术发展现状，本文主要做如下工作：
1) 总结光纤光栅光谱特性的研究发展现状，对于光栅多样化刻蚀、器件研发及其实际使用起到了较
大的促进作用。
蒋善超
2) 着重概述光纤光栅检测技术在应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等参数检测方面的发展现状，促进光纤光栅检测元件的多参数、多样化发展。
3) 分析汇总光纤光栅检测技术最基本的常用复用技术(波分复用、时分复用、空分复用及混合复用技术)等，为构建光纤光栅检测网络提供组网保障，促进其实用化发展。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(61803325)，江苏省教育厅面上项目(18KJB510046)。
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光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一
光纤光栅及其技术在电力行业上的应用 摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感 技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可 调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各 种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术 难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未 来的发展趋势。 关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
目录 第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 (1) 1.2 光纤光栅定义及分类 (1) 1.2.1光纤光栅的分类 (2) 1.3光纤光栅制作方法 (6) 1.3.1光敏光纤的制备 (6) 1.3.2成栅的紫外光源 (7) 1.3.3成栅方法 (7) 第二章光纤光栅技术应用 (10) 2.1 光纤光栅传感器的工作原理 (10) 2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理 (11) 2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 (11) 2.2.4在电力工业中的应用 (12) 2.3 光纤光栅在光通信领域的应用 (12) 2.3.1.光纤光栅滤波器中的应用 (12) 2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (14) 第三章光纤光栅的应用前景 (20) 3.1 光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用 (20) 3.2 波分复用/解复用器 (20) 3.3 光纤滤波器 (21) 第四章光纤光栅结论 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23)
第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是用488nm 可见光波长的氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来梅尔茨等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-2)，这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。 1.2 光纤光栅定义及分类 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生
光纤光栅制作方法 XXX （XX大学XX学院，武汉湖北430000） 摘要：光纤光栅是一种新型的光无源器件,在光纤通信、光纤传感及光纤光学等光纤技术领域中有着广泛的应用前景,近年来成为了一个全球性的研究热点,获得了较大的发展与进步,因此了解光纤光栅制作知识和寻求光纤光栅的最佳制作方法具有重要的意义。 关键词：光无源器件；制作方法；意义；通信 中图分类号：TU375.1 文献标识码：A 文章编号： Fiber Optic Fiber Fabrication Method XXXXXXX (College of mechanical and electric engineering, XXX University, Wuhan 430000, China) Abstract: Fiber Bragg grating is a new kind of optical passive components, such as optical fiber communication, optical fiber sensing and optical fiber optical fiber technology has a broad application prospect in the field of, in recent years has become a global research hot spot, obtained greater development and progress, so fiber grating production knowledge and seeking the best method of making fiber grating of has the vital significance Key words:Optical passive components. Production method; Meaning; communication 1 全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。 作为一名光电信息工程的学生，我认为在光纤光栅这个器件上还有更多的东西值得挖掘，光纤光栅主要分为：均匀光纤光栅，均匀长周期光纤光栅，切趾光纤光栅，相移光纤光栅，取样光纤光栅。 光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。但是我国在这个方面的水平与国际先进水平还有一段距离，不过只有后辈努力才能使中国在这个方向上赶上国际先进水平。更好的造福人类。 收稿日期：2015-06-xx 作者简介：XXX(19XX-), 男, 学士 XXXX000@https://www.doczj.com/doc/ad7322293.html,；1光纤光栅制作前期处理办法 光纤光栅是利用光纤的光敏性制作,所谓光敏性是指光纤受激后产生永久性的折射率变化的特性。光栅的制作即是利用紫外光照射光敏光纤,在纤芯形成一种周期性的折射率改变,普通商用光纤光敏特性很差,饱和折射率变化一般不超过3哈10-5,因此如果不对光纤作前期的增敏处理,很难制作出高质量的光纤光栅,目前常用下面几种方案增加光纤的光敏性。 1.1高锗掺杂 提高光纤中锗的含量可以使光纤中的锗相关缺陷浓度更高从而有效地提高光纤的光敏特性,在含锗11mo%l的光纤上可获得高达1.8哈10-3的折射率变化量[3]。但高锗含量光纤不仅需要特殊制备,而且数值孔径较大,与常规光纤熔接时会因模场匹配不好而造成额外损耗。 1.2掺硼 光纤中掺硼也可以有效提高锗硅光纤的光敏特性。Dong[4]在实验中发现掺硼后的相同锗含量光纤折变幅度比不掺杂硼时增加了4倍。同时,掺硼可以减小光纤数值孔径,允许增大锗含量。
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
布拉格光栅的研究 1 概述 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用[1]。 在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等[2]，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。 在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息[3]，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。 由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对光纤光栅传感的应变检测机制进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在应变检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析光纤光栅应变检测的原理，对光纤光栅应变检测进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。 2 应变检测原理 根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长λB 与有效折射率n eff 和光 栅周期Λ满足如下的关系[4] Λ=eff B n 2λ (2-1) 光纤光栅的反射波长取决于光栅周期Λ和有效折射率n eff ，当光栅外部产生应变变化时，会导致光栅周期Λ和有效折射率n eff 的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长偏移量的检测可以获得应力的变化情况。由于课上已经讲过，故不多做赘述，只是简要的回顾一下。接下来主要讨论应变对光纤光栅作用的模
“现代传感与检测技术”课程学习汇报 光纤光栅传感器及其在医学上的应用 学院：机电学院 专业：仪器科学与技术 教师：刘增华 学号： S201201134 姓名：王锦 2013年03月
目录 第一章光纤光栅简介 (3) 1.1 光纤的基本概念 (3) 1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3) 1.3 光纤光栅的加工工艺 (4) 1.4 光纤光栅的类型 (5) 第二章光纤光栅传感器 (7) 2.1光纤光栅温度传感器 (7) 2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8) 第三章光纤光栅传感器的应用 (10) 3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10) 3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10) 3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11) 第四章总结 (12) 参考文献 (12)
第一章光纤光栅简介 1.1 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。 光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径 一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。 光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。 1.2 光纤光栅器件的基本概念 加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），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（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。
光纤光栅制作方法<2> 3）chirp光纤光栅的制作a）两次曝光法这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤上并不形成光栅，而是仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个chirp光栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。b）光纤弯曲法这是在均匀光栅中引人光纤的机械变形，形成chirp光栅的一种方法，由于光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的chirp量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。c）锥形光纤法这是利用锥形光纤形成chirp光栅的一种方法。可以在锥形光纤两端施加应力发生形变，然后写人均匀周期的光栅，应力释放后，由于锥体各部分的伸长形变不同，造成光栅周期的轴向发生均匀变化，形成chirp光栅。也可以先在锥形光纤上写人均匀光栅，然后再施加应力，可以得到相同的效果。d）应力梯度法与锥形光纤法原理相同，只是光纤中应力大小是通过将光纤粘在底座上的胶含量来调节。它的优点是可以分别调节中心波长和光栅的带宽，这对于制作高性能的色散补偿器具有重要的意义。e）复合chirp光栅法将一列不同周期的均匀光栅顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀光纤光栅的工艺简单性，具有很大的灵活性。f）chirp光栅的全总干涉法制作这种制作chirp光栅的基本原理是通过在双光束全息光路系统中加入往面镜，使两束光的干涉角度沿着光纤轴向发生连续变化，从而造成光纤的纤芯折射率发生周期性渐变，形成chirp光纤光栅。4）新的光纤光栅制作方法a）直接写入法直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥去光纤的涂覆层而直接在纤芯上写人光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的光纤涂覆层有采用丙烯酸酯或general electric rtv615硅胶，通过加大紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤氢载等方法可以有效提高光纤光栅的写入时间。这种方法解决了以往传统方法中必须采用课光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。b）在线成栅法这是最新出现的一种成栅方法。南安普敦大学的ldong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了光纤拉制过程中写人光纤光栅的实验。它是在光纤拉制过程中在探光纤上直接写入光栅。通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，能连续大批量地制造光纤光栅，提高了光栅性能的稳定性，它的技术关键是要对所使用的准分子激光光束截面进行改进才能满足实用化的要求。c）光纤刻槽拉伸法用精密切割机对光纤进行周期性机械刻槽，用氢气火焰对v型槽区域的光泽进行拉伸退火，熔融玻璃表面应力的影响，以及v型槽一边的光纤的纤芯不平衡等因素，纤芯产生周期性的畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。利用此方法已经成功研制成的长周期光纤光栅，具有很好的宽阻带特性（30nm），可应用于宽阻带滤波器的波分复用系统。这种方法的缺点是机械加工的精度要求较高，目前很少被采用。d）微透镜阵列法这种写入长周期光纤光栅方法的关键技术是采用一种微透镜阵列，将一平行的宽柬难分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，其中相邻微透镜之间无间隙，其中心间距决定了写人光栅的空间周期。这种方法写入一个长周期光纤光栅仅需10s，大大提高了写入效率。通过控制写入时间和写入光栅的总长度，可以用同一块微透镜模板写入不同波长、不同透射率的长周期光栅。这种方法的缺点是做透镜模板制作非常困难，使它的应用受到了限制。e）用聚焦二氧化碳激光器写入lpg 采用10.6μm自由空间二氧化碳激光器对光纤直接曝光，通过计算机控制平移台，实现光纤的准直和固定及曝光间距的控制，可以写入不同周期的长周期光栅。这种方法无须采用紫外光，对光纤可以不用载氢处理，这种方法具有很好的应用前景。f）移动平台法利用一个周期不变的相位掩膜，可以写入调瞅、波长任意的光纤bragg光栅，通过改变光束的聚焦，可以写入阶跃chirp光栅。实验结构的主体包括两个移动平台，相位掩膜与光纤固定在一起，可以移动。改变两个透镜之间的距离就可以改变写入光纤的布拉格波长，控制每个基本光栅的曝光时间可控制切趾光栅剖面，这对于抑制反射谱中旁瓣的影响具有重要的意义。g）用聚焦离子束写入光纤光栅利用聚焦离子束（focused ion beam：fib）可以写入任意的光纤光栅结构，fib既可以采用研磨方式，也可以采用沉积方式。光栅研磨出的槽离纤芯只有几μm，研磨15～20个槽即可获得高的反射率，槽数越多反射越大。研磨方法简单但实现不易，常用的方法是用氟化氢腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，糟的深宽比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。3结束语对光纤通信而
光纤光栅传感技术的特点 桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，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是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 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效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、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。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，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，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，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，并在每一个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（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG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。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
天津理工大学2004届毕业设计 第一章绪论 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作 用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。作为一种新型的光学器件，光纤光栅已 经在诸多方面得到了不同的应用。相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。 1.1光纤光栅的发展历史 光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技 术领域中的支柱性高新技术。然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。因此光纤光栅应运而生。 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。从此开创了光纤光栅发展的历史。这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。 直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100% 反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化, 专家们预言, 从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想, 可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。 光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究 都取得了相当快的进展。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。尤其是它易于集成的特性，使得全光 纤一维光子器件集成成为可能。此外, 作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用——即3S 1
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/ad7322293.html,/journal/oe https://https://www.doczj.com/doc/ad7322293.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好; (2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作; (4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康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健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、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.。
光纤布拉格光栅写制技术研究 摘要：光纤光栅广泛应用于光纤传感和光纤通信领域，不同的应用场合对光纤光栅的特征参量提出了不同的要求。本文通过调节光纤光栅相位掩模法制作参数，测定不同参数对光纤光栅光谱特性的影响规律并分析其原因，进而通过写制参数控制光纤光栅的光谱形状，对制作确定光谱参数的光纤光栅具有指导意义。 关键词：光纤光学；光纤光栅；制作技术 中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0092-03 1 引言 相位掩模法[1]是制作光纤布拉格光栅最常用的方法，在商业化的大批量生产中，一般通过制作大量光纤光栅，从中选取符合设计要求的使用。对于大规模光纤光栅传感阵列[2-4]，需要在单根光纤上制作多个具有确定性能的光纤光栅，这需要精确控制制作参数以保证写制光纤光栅的性能符合设计要求。光纤光栅新型器件[5-12]的制作需要将光纤光栅写在不同的波导结构上，同样需要对光栅写制参数的精确控制，因此，研究光纤光栅写制参数对其性能的影响规律具有重要的实用价值。 本文通过分析影响光纤光栅光谱特性的主要参数，搭建
光栅写制实验测试平台，通过调节准分子激光器的重复频率、脉冲能量、曝光时间及改变待刻栅光纤两端的预应力，测试写制参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，为写制确定光谱特性的光纤光栅以及光纤光栅写制过程中的调整提供 指导。 2 写制参数控制实验 实验采用248nm准分子激光器曝光相位掩模板写入法，图1就是相位掩模法制作光纤光栅的示意图。 通过相位掩模法制作光纤光栅的工艺过程分析，有一些工艺制作因素对实际制作的光纤光栅性能影响颇为明显，我们选取准分子激光器的脉冲能量、重复频率和曝光时间、施加在光纤两端的预应力等写制参数作为研究对象，搭建光纤光栅制作系统，测试上述参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，实验测试及分析过程如下： 2.1 曝光能量 ?x用载氢三周的普通抗弯光纤作为研究对象，写入光栅长度6mm，设定准分子激光器脉冲重复频率10Hz，光纤两端施加恒定0.5N的预拉力，用同一块相位掩模板，依次调节激光器输出能量为19kv、22kv、26kv、30kv，测试不同脉冲能量下写入光栅的特性差异。 从写制过程可看出，随着脉冲能量增大，刻写相同反射率光纤光栅所需的曝光时间减少，所能达到的最大反射率增