光纤光栅传感器及其发展趋势

1、【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能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而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术一、光纤光栅传感器的工作原理及

2、其分类光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。1.1 光纤布喇格光栅传感原理光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传

3、输。图1-1 光纤布喇格光栅原理图光纤布喇格光栅反射谱的中心波长满足其中，为有效折射率，为光纤光栅栅距。光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之改变，从而导致反射光波长产生变化。反射谱中心波长的变化与温度T、应变的关系为 （1）其中，为热膨胀系数，为热光系数，为弹光系数。因此在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前后，检测其反射光中心波长的变化，就可通过式（1）得到光纤光栅受到的轴向应力或自身温度的变化情况。光纤布喇格光栅传感器主要研究是对温度、应变和应力的检测。1.2 长周期光纤光栅传感原理相对光纤布喇格光栅而言

4、,长周期光纤光栅的周期要长很多，可从几十微米到几百微米。与光纤布喇格光栅传感器的工作原理不同，长周期光纤光栅传感器主要检测其透射波长的变化。其数学模型较为复杂，是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构，主要是基模与同向包层模之间的耦合，其损耗峰较宽，有宽阻带滤波特性。长周期光纤光栅传感器具有后向反射率低、带宽宽等特性，对应力、温度、外部折射率变化都有响应，而且对应力、温度变化的响应灵敏度比光纤布喇格光栅传感器要高得多，对横向应力也有感应，是现在光纤光栅传感器的研究重点。1.3啁啾光纤光栅传感原理与光纤布喇格光栅传感器的工作原理基本相同，在外界条件的作用下，啁啾光纤光栅传感器除了的变化以外，还会引起光

5、谱的展宽。啁啾光纤光栅传感器在应变和温度共同作用的情况下有着明显的优势，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，而温度的变化对反射信号的影响则源于光纤折射率的温度依赖性，仅影响其重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以实现对应变和温度的同时测量。二、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，如图2-1所示。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，外界被测量的信息则通过信号解调系统实时地反映出来。宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器，传感器的反射波再经过耦合器进入可调谐滤波解调系统，可调谐滤波解调

6、系统对传感器的反射波进行解调。图2-1 光纤光栅传感系统在光纤光栅传感中，光源必须满足带宽较宽、输出功率强与稳定性好等条件，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。信号解调主要完成光信号波长信息到电参量的转换，及对通过电参量进行运算处理提取外界信息。光纤光栅传感解调的方法主要有匹配光纤光栅解调法、FP腔长滤波解调法、干涉法等。三、光纤光栅传感器的应用 光纤光栅传感器具有传输距离远、不受电磁环境干扰、不产生电磁干扰、不对易燃气体构成危险以及能在高温、腐蚀性等恶劣环境下进行工作等优势，在诸如石油、化工、电力、土木工程、交通、医

7、学、航海航空、地质斟探、通讯、自动控制、计量测试等领域得到广泛的应用。在电力系统中，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，传统传感器由于易受强电磁场的干扰无法在这些场合中使用，光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。在民用工程中，适用于民用结构的传感器应具备稳定、较高的灵敏度与适应范围、线性响应、单端口、对结构无影响等特点。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，或由多个光纤光栅传感器串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，用以实现桥梁、矿井、隧

8、道、大坝、建筑物等的应力、应变、裂纹、振动、腐蚀等状况的监测。在石油化工系统中，由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点，使得传统传感器难以在井下很好地发挥作用。然而光纤光栅传感器则由于其体积小，重量轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好等优势，特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因此在油井参数测量中发挥着不可替代的作用。在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用传统传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，而采用光纤光栅传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，因此在这些领域得到广泛的应用。四、光纤光栅传

9、感器技术的研究方向光纤光栅传感及其相关技术的迅速发展满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，目前光纤光栅传感器技术的研究方向是多用途、提高可靠性和稳定性、使其能够适应恶劣环境，下面将用实例做一一说明。（1）多用途，即表示光纤光栅传感器不仅仅只针对于某一单一的物理量，还能实现对多个物理参量的同时测量。通过将光纤光栅传感器与其他传感器组成混合传感器系统，利用光纤光栅传感器与其他传感器对不同物理参量的灵敏度差异，实现对多个物理参量的同时测量，近几年来有人针对此设想陆续提出了不少研究成果。例如, 2014年提出一种如图4-1所示的混合传感器系统1，由基

10、于丙烯酸酯涂覆层保偏光子晶体光纤的偏振式光纤传感器、剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤传感器、光纤布喇格光栅传感器组合而成，其中光纤布喇格光栅传感器用于测量温度，基于丙烯酸酯涂覆层保偏光子晶体光纤传感器用于测量轴向应变，剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤传感器用于测量热应变，由此可以实现对复合材料应变、温度和热应变的同时测量，可用于对复合材料的实时监测。图4-1 实现对复合材料应变、温度和热应变同时测量的混合传感器系统2016年也就是最近几天有人提出一种可用于同时测量温度和张力的混合传感器系统2，如图4-2所示，该系统将利用拼接两段掺Ge/B光敏光纤的过程中形成的气泡作为法布里-帕罗干涉仪FPI（在-70

11、°C-20°C间温度灵敏度为0.67pm/°C，压力灵敏度为3.76 pm/），并直接将拼接后的光纤暴露于248nmKrF准分子激光器刻蚀布喇格光栅FBG（在0500间温度灵敏度和压力灵敏度分别为8.40pm/°C、 1.40pm/）于其上，通过FP腔与FBG对于温度、压力的灵敏度差异来实现对温度和张力的同时测量。图4-2 实现对温度和张力同时测量的混合传感器系统（2）实用化，顾名思义，就是使得光纤光栅传感器技术能更深入地渗透于人们的生活日常中，为人们带来更多的便利。例如，假肢肢槽接触面的压力分布对日常生活中假肢使用者假肢移动的灵活性与舒适度有着十分重要

12、的影响，2016年有人提出了基于光纤光栅传感器实现假肢肢槽接触面压力测量的衬垫3，光纤光栅测量的精确度和可重复性是该传感器相较于其它压力传感器的主要优势，实验过程如图4-3所示。图4-3 基于光纤光栅传感器实现假肢肢槽接触面压力测量的衬垫实验测量2016年有人研究被刻蚀成不同口径的单模塑料光纤光栅4来增强传感器的灵敏度及生物相容性以便将传感器应用于生物医学，并在此基础上分别提出了测量血压和测量脚压的两种塑料光纤光栅传感器。2016年有人提出了利用五个薄膜压力传感器结合检测它们工作状态的光纤光栅传感器构成的用于测量航天燃料的混合传感器5，该混合传感器系统在乘喷气式飞机A1上进行燃料容量测试呈现良

13、好的线性关系，具有灵敏度高和可重复测量等优势。现今的实用化研究朝着实用性、产业化及降低成本三个方向并行努力着。（3）提高可靠性跟稳定性，可靠性跟稳定性一直是衡量光纤光栅传感器性能的两个重要指标，直到现今仍是光纤光栅传感技术努力的方向之一。例如，光纤布喇格光栅传感器是液体中如石油、液化天燃气等进行检测如压力、振动等物理参数的关键技术，2016年有人对传感器在液体中位置对压力灵敏度的影响进行实验研究6，如图4-4所示，以找出传感器最佳的定位从而提高对如石油、液化天燃气等智能监测的可靠性和稳定性。图4-4 光纤光栅传感器的位置对应变灵敏度影响的实验装置2016年有人提出了在长周期光纤光栅上镀200n

14、m氧化铝薄膜并进行硅橡胶封装以提高传感器温度灵敏度7，该传感器温度灵敏度高达0.77nm/°C。2011年有人提出了基于掺杂BDK（2，2-二甲氧基-2-苯基苯丙酮）塑料光纤布喇格光栅的高灵敏度温度传感器8。由式（1）可看出当隔绝压力影响时布喇格光纤光栅反射峰中心波长的移动与热膨胀系数、热光系数存在线性关系。塑料光纤的热光系数、热膨胀系数均比普通的石英光纤要高出至少一个数量级，因此温度的变化对塑料光纤光栅传感器反射峰中心波长的影响要较石英光纤光栅传感器要大得多，温度灵敏度相较而言要高出一个数量级。（4）使其能够适应恶劣的环境，我们知道在恶劣的环境条件（诸如高温、高压、高辐射、化学腐蚀

15、等）下，进行某些必要的监测是十分困难的，有些在目前技术条件下难以实现，而有些则技术成本过于昂贵，而光纤光栅传感技术由于其体积小、重量轻、抗腐蚀能力强、抗电磁干扰能力强等等优点而备受关注，而提高其恶劣环境的适应能力也是目前努力的方向之一，而一些新型材料的出现也为某些光纤光栅传感技术的研究提供了可能性。例如，在2016年有人刚提出一种同步辐射X射线光刻的长周期光纤光栅9，其光刻系统如图4-5所示，该光纤光栅对于伽马辐射具有很强的耐辐射性，可作为光纤光栅传感器应用于高剂量核辐射环境（诸如核废料储存设备和核电站安全壳等）下。图4-5 同步辐射X射线光刻长周期光纤光栅的光刻系统五、小结与展望现今，光纤光

16、栅传感技术已经相对成熟，几乎涵盖了国民经济的所有领域，渗透进人们日常生活的方方面面，每一年都会有大量可以预见将会给人们生活带来极大便利的研究成果出现，然而实际的需求是多种多样的，现今光纤光栅传感技术的发展仍然远远不足以能够满足人们的实际需求，更何况虽然现今光纤光栅传感器的研究硕果累累，但只有其中的少数真正应用于人们的日常生活中。所以，光纤光栅传感器的未来发展趋势必将是朝着更微型化、智能化、低功耗、便携式及产业化的方向发展。【参考文献】1 M. Ramakrishnan, G. Rajan, Y. Semenova, G. Farrell, “Hybrid Fiber Opt

17、ic Sensor System for Measuring the Strain, Temperature, and Thermal Strain of Composite Materials”, IEEE sensors journal, vol. 14, no. 8, pp. 2571-2578, 2014.2 Y. Pan, T. Liu, J. Jiang, K. Liu, S. Wang, J. Yin, “Simultaneous Measurement of Temperature and Strain Using Spheroidal-Cavity-Overlapped FB

18、G”, Jinling Yan. IEEE photonics journal, vol. 7, no. 6, pp. 1943-0655, 2015.3 E. A. Al-Fakih, N. A. A. Osman, F. R. M. Adikan, A. Eshraghi, P. Jahanshahi, “Development and Validation of Fiber Bragg Grating Sensing Pad for Interface Pressure Measurements Within Prosthetic Sockets”, IEEE Sensors Journ

19、al, vol. 16, no. 4, pp. 965-974, 2016.4 K. Bhowmik, E. Ambikairajah, G. D. Peng, Y. Luo, G. Rajan, “High-sensitivity polymer fibre Bragg grating sensor for biomedical applications”, IEEE Sensors Applications Symposium, Vol. 20, No. 4, pp. 1-5, 2016.5 C. Marques, A. Pospori, D. Sa

20、ez-Rodriguez, K. Nielsen, O. Bang, D. Webb, “Aviation fuel gauging sensor utilizing multiple diaphragm sensors incorporating polymer optical fiber Bragg gratings”, IEEE Sensors Journal, Vol. pp, No. 99, pp. 1, 2016.6 J. Johny, R. Prabhu, W. K. Fung, J. Watson, “Investigation of positioning of FBG sensors for smart monitoring of oil and gas subsea structures”, OCEANS 2016 - Shanghai, Vol. 10,