光纤光栅的原理.doc

1 引 言传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位,各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。光纤光栅是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件,在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用。自1989年Morey首次提到将光纤光栅用作传感器以来，光纤布拉格光栅传感器FBGS（Fiber 光纤 Grating Sensors）受到了世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。以光纤光栅为传感基元研制的新型传感器,其感测过程可通过外界参量对光纤光栅中心波长或带宽的调制来实现,波长调制(或波长编码) 是其最大的优点。用紫外激光写入的光纤光栅,可在外力或是温度等其它因素作用下引起光栅周期和有效折射率的发生改变, 从而使光栅的 光纤中心反射波长发生移动,产生应变传感效应。光纤光栅传感器以波长编码的特点,克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗, 以及光源输出功率起伏的弱点;在波分或时分多参数传感应用中, 易于制作灵巧结构的光纤传感器网络;其敏感部分写入在芯区, 无需光纤连接器、 机械装配、 研磨工艺和对准工艺。除此之外, 光纤光栅还以其特有的灵敏度高、 动态范围大、 易于光纤耦合、 插入损耗低、对被测介质影响小（这对于医药生物领域的应用极为有利）、结构简单和体积小等优点。目前，国外FBGS已经在大型结构工程（如桥梁、大坝、隧道、高层建筑、矿井巷道、运动场馆、岩土工程等）、电力、航空航天、船舶、生物医学、核工业、石化、水利、石油勘探以及军事武器装备等领域获得了应用。2 光纤光栅传感器的原理当一束光进入光纤光栅时,它能对波长满足光纤反射条件的入射光产生反射。这种反射是一种窄带反射, 其反射谱在光纤光栅中心波长处出现峰值, 近似于一个以共振波为中心的窄带滤波器,对于光纤布拉格光栅，波长为入射光通过光纤布拉格光栅反射波波峰处波长,也即中心波长; (1)式中, 为相位掩膜光栅的周期; 为光纤纤芯的有效折射率。又反射光的中心波长受布拉格光栅所受到的轴向应变和温度的影响。从式(1)可以看出，光纤光栅反射中心波长（短周期光纤光栅）或透射中心波长（长周期光纤光栅）与介质的有效折射率和光栅周期有关，在温度、应力、应变等参数发生改变时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或是透射中心波长的变化，从而间接的检测到外界环境参数的改变。光纤光栅的工作原理如图1所示：光纤光栅结构图透射光入射光反射光光栅包层光纤纤芯输入光源光谱反射光谱传输光谱光通过光栅时的能量分配图图1 光纤光栅工作原理图2.1 温度的测量当外界因素只有温度变化的情况下，温度变化所产生的热光效应会引起光纤光纤光栅有效折射率的改变，同时由于热膨胀产生的热膨胀效应也会导致栅距的改变，在不考虑波导效应的恒定力场中，当温度改变时，对式（1）两边微分可知，光纤光纤光栅的中心波长发生漂移量为： (2)在(2)式两边分别除以式（1），即得： (3)令(3)式中，热光系数；，热膨胀系数。则上式可简化为： (3.1)或 (3.2)其中，为光纤光栅的温度影响系数。由此可知，对于同种材料的光线光纤光栅，其对温度的传感特性系数也相同。这就从理论上保证了光线光纤光栅作为温度传感器有很好的线性输出，因而可以很方便的将光线光纤光栅中心波长的漂移量转换成温度的增量。2.2 应变的测量当外界因素只有应变或是应力发生变化时，例如，当光线光纤光栅受到了均匀的轴向应力时，由于光栅周期的伸缩以及弹光效应导致的光栅有效折射率的变化，引起了光纤波长的漂移。不考虑波导效应，即不考虑径向变形对折射率的影响，只考虑轴向变形的弹光效应的前提下，对光纤光纤光栅方程两边微分得： (4)将(4)式两端分别除以(1)式得： (5)由应变的定义可知，令，外加应变，也即轴向应变。光纤在轴向弹性下的有效折射率变化为： (6)式中：为光弹性张量的普克尔压电系数（也即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化）， 为横向形变系数（即泊松比）。再将(6)式及代入（5）式中得：令，则上式可简化为： (7)或 (7.1)式中：是指光纤的弹光系数; 是指光纤光栅的应变影响系数，也即测量应变的灵敏度。同样可知，对于同种材料的光线光纤光栅，其对应力或应变的传感特性系数也相同。从理论上也就保证了光线光纤光栅作为应变传感器具有很好的线性输出，因而可以很方便的将光线光纤光栅中心波长的漂移量转换成应力或应变的增量。2.3 温度和应变交叉敏感问题实际的待测环境中往往会同时存在温度和应力、应变的变化，当光线光纤光栅作为某一特定的传感器来测量某一未知量时，不可避免的会受到另一参量的影响，这就涉及到所谓的交叉敏感问题。近年来，解决温度和应变交叉敏感问题一直是光纤光栅研究的一个热点。假设应变和温度对光纤中心波长的影响是相互独立的，若两者同时作用，根据线性叠加原理可将二者所产生的波长漂移直接相加。将式(3.2)与式(7.1)相加即得： (8)式中：和分别是反射光的初始中心波长和中心波长的变化量，也即中心波长的漂移量；和分别是光纤光栅所受到的应变、温度的改变量，分别是布拉格光栅的应变系数和温度系数，可以通过标定的方法确定。 从式（1）、（2）可以看出, 改变光栅的有效折射率或光栅周期,就能使光纤光栅反射中心的波长发生改变。即、和、T存在关系，有，当光栅所受应变（应力）或