光纤光栅传感器技术的研究与应用

www�ele169�com󰀁󰀁|󰀁󰀁65应用技术

0 引言随着社会和经济的发展，我们国家的各项基础设施日益完备，在长时间的稳定运行过程中，设施难免会出现老化、磨损等问题，如何在其正常运转情况下进行检测，及时发现问题，是研究者非常关注的事情。光纤光栅传感器是一种绝缘体无源物质，对被测物体不会产生影响，且耐高压、耐腐蚀，能在恶劣的环境下工作，相比于传统传感器，其具有尺寸小，质量轻，能抗电磁干扰，使用寿命长，绝缘性能良好的特点。在设备检测尤其是在应变检测方面，光纤布拉格光栅呈现出特有的优势，由于其自身形态的多边性，可做成应变检测探头用来监测外界应力应变的改变。1 国内外研究综述光纤光栅传感器应用广泛，以桥梁工程结构为例，近年来国内使用光纤光栅传感技术在桥梁结构上开展了非常成熟的应用，哈尔滨工业大学针对桥梁结构表面等健康监测开展了应变传感器和温度传感器的研制，同时申请了国家的发明专利。对于桥梁结构的应变监测国外也开展了大量的研究工作。新墨西哥Las cruces 10 号洲际高速公路桥梁结构的状态监测中，在整个桥梁结构的表面共布贴了传感器100余支，通过对光纤光栅传感器信号的解调，从而能够进行实时的动态的健康监测，并且能够实时的反映出结构的载荷的变化状态，从而推测出结构的使用寿命。此外，在俄勒冈州哥伦比亚河峡谷上的orsetail Falls 桥上也进行了大量的光纤光栅传感器的布贴，在此桥梁结构表面共布贴 28个光纤光栅传感器，并且通过监测传感器不同布贴方式下结构的应力和应变的改变从而实现对土木结构的健康监测。

在实际的监测中，光纤光栅传感器在感知应变的同时也

会对温度的变化做出响应，所以要对其进行解耦，工程上常用的解耦方法主要通过光纤光栅传感器的布贴来解决温度和应变的解耦问题。此外，由于其自身柔软的特性，加上其波分复用的特性，可以在一个光纤上传入多个光纤布拉格光栅传感器，同时实现应力应变和温度的监测，除此之外，随着光纤光栅传感器解调技术的进步，传感器的波长信息也可以进行编码。

龙源期刊网

光纤光栅传感技术应用研究

作者：马强

来源：《合作经济与科技》2012年第18期

［提要］ 光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门新技术。本文在分析光纤光栅传感技术优势的基础上，综述光纤光栅传感技术的应用，讨论光纤光栅传感器在应用研究过程中需要解决的关键问题，并对其应用前景做了展望。

关键词：光纤光栅；传感技术；应用研究

中图分类号：F49 文献标识码：A

收录日期：2012年6月8日

光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其他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。光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性，在光纤的纤芯上产生空间周期性或非周期性折射率变化而制成的。光纤光栅传感器是近几年发展最快、最先进的光纤无源器件之一，光纤光栅传感器产业已被国内外公认为是最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

一、光纤光栅传感的优势

作为光纤传感器的一种，近年来发展十分迅速，它之所以有这样迅猛的发展，是因为它与传统的电传感器等相比有其独特的优点。

1、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，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。抗干扰能力强，这一方面是因为普通光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。

2、光纤轻巧柔软，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技术相结合，实现多点、分布式传感。便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用技术构成分立式或分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的、同时的多点测量。这对于大型土木结构的健康检测等方面有着重要的应用。因此，人们十分重视该领域的研究，并且它已成为传感领域的重要组成部分。

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

光纤光栅传感器的研究与应用

0 引言

近年来。随着光纤通信技术向着超高速、大容量通信系统的方向发展，以及逐步向全光网络的演进．在光通信迅猛发展的带动下，光纤光栅已成为发展最为迅速的光纤无光源器件之一。光纤在紫外光强激光照射下，利用光纤纤芯的光敏感特性．光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。这样，在光纤轴向上就会形成周期性的折射率波动，即为光纤光栅。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。为此。本文从光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅等光纤光栅的原理出发，综述了光纤布拉格光栅对温度、应变同时测量技术的应用。

1 光纤传感器的工作原理

1．1 光纤光栅传感器的结构

光纤布拉格光栅FBG于1978年发明问世。它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。

在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50～100 μW。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。

光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外．还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。

1．2 光纤布拉格光栅原理

光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件

式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周期。

当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时，会引起n和A的相应改变，从而导致λB的漂移；反过来，通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示为：