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1、2001年第15卷第4期华北工学院测试技术学报Vol.15No.42001(总第38期)JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGY(SumNo.38)文章编号:1008-6374(2001)04-214-07光纤光栅(FBG)传感技术及其应用张记龙,曾光宇(华北工学院电子信息工程系,山西太原030051)摘要:目的综述光纤光栅传感器的原理和应用.方法分析了光纤光栅传感器在温度和应力测试中的应用.结果与结论光纤传感器的应用方兴未艾,具有广泛的应用前景.关键词:光纤光栅;
2、传感器;原理;应用中图分类号:O439文献标识码:A0引言光纤可用做传递信息的光信道,也可用作传感器.光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的、以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测量信号的新型传感器.光纤之所以能用做传感器在于它的光束参数.诸如幅度、相位、波长、频率、偏振状态对温度、压力、电磁场、振动和位移等环境因素的敏感性.作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤,具有一系列独特的,其它媒质难以比拟的优点,光波不产生电磁干扰,也不怕电磁干扰,易为各种光电检测
3、器接收,可方便地进行光电或电光转换,易与高度发展的现代电子装置和计算机相区配,光纤传感器的优点是不导电、重量轻、体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好、硬腐蚀,这些优点使它适合于易燃、易爆、空间受限及强电磁干扰的恶劣环境下使用.因此,光纤传感器一问世便受到极大地重视,几乎在各个领域得到研究和应用,成为现代传感器的先导,推动着传感技术的蓬勃发展.光纤传感器按照调制区与光纤的关系可分为功能型(FF)(本征型)和非功能型(NFF)(非本征型)两类.根据外界信号调制光波参数的情况,光纤传感器又分为强度调制、光频率调
4、制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型.光纤光栅传感器是波长调制型传感器,它对波长敏感而对光强不敏感,因此,其对光波的波动,光波的极化和传输损耗不敏感.另外光纤光栅传感器具有线性响应,易于集成和插入损耗小的优点,使得它能用作多路传输,能埋于被测材料中便于测出材料的内部应力和温度场,光纤光栅传感器的发明在光传感领域和光纤通迅中是一件大事.光纤光栅传感器可以应用的领域包括应力、温度、压力和液体高度的测试,而其最有前途的应用领域应是多点多参数的应力和温度测试,可被应用于智能材料和复合材料内部收稿日
5、期:2001-11-15作者简介:张记龙(1964-),男,副教授,博士.从事专业:测试技术.(总第38期)光纤光栅(FBG)传感技术及其应用(张记龙等)215损伤中.本文首先简述光纤光栅传感器的原理,然后指出其一些典型应用,最后指出其应用中需要解决的问题.[1,2,4]1光纤光栅传感原理光纤光栅(FBG)是利用掺杂光纤的光敏性,通过某种工艺方法(通常是向Ge磁芯光纤照射240nm左右的紫外线)使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化,在纤芯内形成
6、空间相位光栅,如图1所示.Bragg栅(Ge磁芯光纤照射图1光纤光栅示意图240mm左右的紫外线形成)只起反射Bragg波长光的Bragg(布拉格)反射滤波片作用,[1]Bragg波长与外界温度、压力变化成正比.因此,可作成温度、应力分布式传感器.光纤光栅必须满足相位匹配条件21-2==(1)为光栅周期;1,2为耦合模的传播常数,前向传播为正,后向传播为负,为耦合模之间的传播常数差.根据的长短不同,周期性的光纤光栅分为短周期和长周期的光纤光栅两类.对于短周期的光纤光栅,当广谱光
7、波(宽带)在其中传播时,两个反向传播的芯模(导模)LP01之间产生能量耦合,形成特定波长的B的反射波,对于前向传播的LP01模1=0,对于后向传播的LP01模1=-01,两耦合模的传播常数差,=2B01较图2光纤光栅中光波的传输特性大,将这种光栅称为布喇格光栅(FBG-FiberBraggGrating),反射光的中心波长B称为特征波长,如图2所示.FBG的反射光波中心波长为B=2neff(2)反射光带宽(半峰值宽度)22nB=B+(3)Ln12neffL反射率为Rm
8、ax=tanhB式中neff为纤芯的有效折射率;L为光栅长度;n为纤芯折射率起伏;n1为纤芯折射率;FBG中光波的传输特性如图3所示.由(2)式可知,FBG的波长取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率neff,任何引起两个量改变的物理过程都将引起B的变化,在外界216华北工学院测试技术学报2001年第4期图3光纤光栅中光波的传输特性信号如温度、应力场的作用下,光纤将产生轴向应变(弹性形变)和折射率变化(光弹效应).由(2)微分得B=2eff
