光纤光栅应力传感器工作原理

第1页——共17页 光纤布拉格光栅温度应力传感器

崔丽

10401067

摘要：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。

关键词：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器

1. 引 言

光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1,2]开始，直到1989年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术[3]，才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后，1993年，K. O. Hill等人提出了相位掩膜制造法，光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展[4]，使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道[5]将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣[6-9]。光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。作为一种波长调制型的光纤传感器，它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型”[10]和“干涉型”[11]光纤传感器相比,还具有自身独特的优点[12-14]：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯第2页——共17页 曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关，因此它具有很强的抗干扰能力；并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感；同时测量对象广泛，易于实现多参数传感测量，所以广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量[15-16]。并且随着光纤光栅的发展，又出现了一些利用崭新原理来实现传感的方法，比如利用反射带宽展宽的方法[17]等，这样进一步扩展了其在传感领域的发展空间。正是由于这些独特的优点，使得光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。图1给出了显微镜下的嵌入式光纤Bragg光栅的合成结构图[18]。

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；

第1页——共17页 光纤布拉格光栅温度应力传感器

崔丽

10401067

摘要：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。

关键词：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器

1. 引 言

光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1,2]开始，直到1989年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术[3]，才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后，1993年，K. O. Hill等人提出了相位掩膜制造法，光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展[4]，使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道[5]将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣[6-9]。光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。作为一种波长调制型的光纤传感器，它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型”[10]和“干涉型”[11]光纤传感器相比,还具有自身独特的优点[12-14]：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯第2页——共17页 曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关，因此它具有很强的抗干扰能力；并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感；同时测量对象广泛，易于实现多参数传感测量，所以广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量[15-16]。并且随着光纤光栅的发展，又出现了一些利用崭新原理来实现传感的方法，比如利用反射带宽展宽的方法[17]等，这样进一步扩展了其在传感领域的发展空间。正是由于这些独特的优点，使得光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。图1给出了显微镜下的嵌入式光纤Bragg光栅的合成结构图[18]。

第３７卷第３ｌ期　２　０　１　１年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．３１　Ｎｏｖ．２０１１　・１６３・　

文章编号：１００９—６８２５（２０１１）３１－０１６３—０２　

双周期光纤光栅传感器原理及工程应用　

于庆革南锟　

摘要：对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅组成的复合型光纤光栅传感器的原理和特性进行了简要的介绍，并对该种　

传感器的实际工程应用作了说明，实践证明应用该传感器的测量结果与理论计算结果吻合较好。　

关键词：长周期光纤光栅，光纤布拉格光栅，结构健康监测，应变传感　

中图分类号：Ｕ４４６．３　文献标识码：Ａ　

０　引言　

自从加拿大通信研究中心的Ｈｉｌｌ等人在１９７８年首次利用驻　

波法在掺鳍光纤中研制出第一个永久性的可实现反向模式间耦　

合的光纤布拉格光栅后…，光纤光栅技术得到了广泛的重视并展　

开了深入的研究。最后形成两大基本结构——光纤布拉格光栅　

（ＦＰＧ）和长周期光纤光栅（ＬＰＦＧ）。在这两种光栅的基础上，人　

们先后研制出了很多具有特殊结构的光栅。其中以光纤光栅为　

敏感元件的光纤传感器正成为复用型传感器市场中新兴的重要　

成员　。　

布拉格光栅（ＦＰＧ）可用于测量光纤周围介质的温度、应力和　

折射率等多个参量的变化，但是它有解调技术复杂且所需采用的　

化学腐蚀技术会降低光纤的强度破坏光纤结构的完整性等缺点　

以及应变温度的交叉灵敏问题。长周期光栅是近几年随光纤光　栅的研究而发展起来的一类特殊光栅。它的出现简化了ＦＰＧ型　

传感器的信号解调技术，制造较为简便。ＦＰＧ，ＬＰＦＧ的基模和包　

层模在耦合时，温度和应变的灵敏度不同，因此易于复用。本文　

将对复合型传感器理论及其在工程检测中的应用进行简要介绍。　

１　光纤光栅的传感原理　

根据光纤耦合理论可知，满足反射条件的谐振波长Ａ　表达　

准确的地质钻探，其次是现场提前做了充分的准备。　

１）根据桩孔的地质资料讨论具体溶洞处理应急措施，加强现