光纤光栅传感技术研究现状及发展前景

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1、光纤光栅传感技术研究现状及发展前光纤光栅原理及应用-当代杰出青年科学文库丛书标题：当代杰出青年科学文库作者：饶云江光纤光栅原理及应用•当代杰出青年科学文库内容简介本书系统地介绍了光纤光栅的基本原理、理论及应用。光纤光栅原理及应用•当代杰出青年科学文库相关图书光纤光栅传感技术研究现状及发展前景空曹晔2丄*刘波开桂云董孝义（南开大学光学所，天津300071）摘要：自1989年Morey等人实现了光纤光栅紫外侧面写入技术之后，光纤光栅传感技术得到了空前迅猛的发展。它以其独特的抗电磁干扰、可靠性高、便于实现分布式传感等优势越来越被人们所重视。近几年来各国学者在光纤光栅

2、传感器的高速高精度解调、分布式传感等方面做了大量工作，取得了一些进展，预示着光纤光栅传感技术广阔的发展前景。但该技术距离大规模实用，还有一段距离，还有很多工作也做。关键词：光纤布拉格光栅；传感技术；解调；分布式传感0・引言光纤Bragg光栅是一种新型的无源光子器件，可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛的应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；2•与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高

3、；3.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，适合在恶劣环境中工作；4.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系统和结合，实现分布式传感；5.测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力；6.高灵敏度、高分辩力。正是由于具有这么多的优点，近年来，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测方面、在能源化工等领域得到了广泛的应用。1.光纤光栅传感技术研究及应用现状1.1光纤光栅传感技术研究现状作为一种新

4、型的光子器件，光纤光栅的研制应用近年来受到普遍关注。目前，已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩（扭应力）、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其屮一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。通常，温度、应变和压力是直接影响光纤光栅波长独立变化的物理量，1989年，W.W.Momy等人在发展紫外光侧面写入光敬光栅技术的同时，首次对光纤光栅的温度和应变传感特性进行了研究，得到了光栅反射波长温度和应变的灵敏度分别为1.lX10_2nm/°C和1.2X10讣in/回。1993年,M.G.Xu等人分析了光纤光栅

5、在受到各方均匀压力吋的传感特性，发现波长随压力变化的灵敏度为-3.0X10_3nm/Mpao可见，裸光栅对温度、应变和压力响应的灵敏度都很低，因此，光纤光栅传感器要想在实际中得到广泛应用，必须对其增敏。另外，光纤光栅传感器存在交叉敏感问题，即光纤光栅对于应变和温度都是敏感的，当光纤光栅用于传感测量时，应变和温度的变化都会引起光栅中心波长的漂移，因此克服温度应变交叉敏感问题是光纤光栅传感器从实验室走向实际应用必须解决的问题。国内外学者在此方面做了许多工作，提出了一些方法，目前区分应变和温度的方法主要有两大类：一是温度补偿FBG方法，二是其他对温度与应变敏感的传感

6、器与FBG的组合测量方法。利用FBG进行传感，传感信息是波长编码的，因此准确测量阮昭g波长的漂移至关重要。目前解调方法很多，有M-Z干涉仪解调法、光纤环镜解调法、边沿滤波法、匹配光栅法等，这些方法各有优缺点，对新的解调方法的探索仍在不断的进行中。2000年，SeungwooKin/11等人提出了一种新颖的利用高双折射光纤进行波长解调的解调方法。在该方案中，解调部分由一个偏振光束分光计(PBS:polarizingbeamsplitter)、一个偏振控制器(PC:polarizitioncontroller)和一个写制在高双折射光纤中的卩周啾光纤光栅(CFG:c

7、hirpedfibergrating)组成。该CFG的栅格周期是线性调制的，在入光的方向上由小到大。传感光栅的反射光进入解调系统后，先经PBS被分成两个偏振方向的光，一部分送到光电接收装置，另一部分则经过PC后被CFG反射。由于不同波长的光在CFG中的反射位置不同，因此它们在CFG中的光程不同，相位的改变也不同。CFG的反射光再经PC入射到PBS,被分成两部分，其中一部分与原来直接送到光电接收装置的光偏振方向相同，干涉后被光电接收装置接收。这样就使得接收到的光强和传感光栅的屮心反射波长有关，达到解调的冃的。该系统CFG的3dB带宽是6.2nm,能检测的最人应变

8、量是3500X10_6o在外界对传感头