光纤光栅技术与应用-课件(PPT·精·选)

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。

光纤光栅原理及应用光纤光栅是一种能够利用光波与光波之间的相互作用来改变光传输特性的设备。

它由光纤材料构成，其中包含了周期性的折射率变化结构。

光纤光栅可以通过改变光纤中折射率的周期性分布来控制光波的传输和分散特性。

光波在光纤光栅中传输时，会与光栅结构发生相互作用，导致光波的部分传播方向改变，从而实现光的分散和耦合。

光纤光栅的原理可以分为两个方面：折射率的周期性变化和布拉格条件。

在光纤中引入折射率的周期性变化可以通过多种方式实现，例如通过分子扩散法、电子束曝光法和激光干涉法等。

当光波射入具有这种周期性折射率变化的光纤中时，它会受到布拉格条件的限制。

布拉格条件是指光波在光纤中的传播距离等于光栅周期的整数倍，这样才能出现相长干涉的现象。

当满足布拉格条件时，入射光波会被反射或透射，而不满足布拉格条件的光波会被耗散。

光纤光栅具有很多应用，以下是几个典型应用的介绍。

1.光纤传感光纤光栅可以用于构建高灵敏度的光纤传感器。

通过光栅的周期性变化，可以控制光波在光纤中的传播特性，从而实现对外界环境的测量。

例如，通过测量光栅传感区域中光波的透射光强，可以实现温度、压力、应力等物理量的测量。

2.光纤通信光纤光栅在光纤通信中也有重要的应用。

通过在光纤中引入光纤光栅，可以实现在光纤中选择性耦合和过滤光波的功能。

光纤光栅可以用于实现光纤放大器和光纤滤波器等光学器件，从而提高光纤通信系统的性能和功能。

3.光纤激光器光纤光栅还可以用于光纤激光器的制备。

通过在光纤中引入光纤光栅，可以实现光纤内部的反射和增益介质的选择性放大，从而实现光纤激光器的工作。

光纤激光器具有小巧、高效、稳定的特点，广泛应用于通信、医学和工业等领域。

4.光纤光栅传输系统光纤光栅也可以用于构建光纤光栅传输系统。

这种传输系统通过在光纤中引入光纤光栅，可以实现光波的模式转换和耦合。

通过光纤光栅传输系统，可以实现高效的光波分配和耦合，从而提高光纤传输系统的性能和可靠性。

信息显示与光电技术B61114075 方华杰光纤光栅原理及其主要应用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相应变化的特性。

而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

光纤光栅的种类很多，主要分两大类：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，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。

目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125μm）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃~600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988 年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、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态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能建筑。

本文对光纤光栅传感器的原理及应用作简单介绍。

1 光纤光栅传感器的工作原理。

1.1 光纤Bragg 光栅传感器的工作原理我们知道，光栅的Bragg波长λ B 由下式决定：λ B = 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。