资源描述：
《光纤光栅及传感技术发展.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、光纤光栅传感技术的发展及应用单嵩北京工业大学应用数理学院000612班指导教师：王丽摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。关键词光纤，光栅，传感器一、引言光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线
2、性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期
3、光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目
4、前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向:一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随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，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受
5、，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。二、光纤光栅传感技术原理1、光纤Bragg光栅的应变响应机理轴向应变对光栅的影响表现在：一是使光栅栅距、光纤纤芯和包层半径变化,另一方面将通过光弹效应改变光纤的折射率。两者综合作用结果使得光纤Bragg光栅反射波中心波长发生漂移。光纤Bragg光的响应峰值波
6、长为λ=2nΛ(1)Beff式中,λ为Bragg波长,n为光栅有效折射率(折射率调制幅度大小的平均效应),Λ为光栅周期Beff(折射率调制的空间周期)。以上为折射率调制周期为均匀的情况,如果芯层折射率调制周期不均匀,特别是调制周期沿光纤轴线变化,则反射光为宽带光,这种光纤光栅称之为啁啾光纤光栅。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Λ的相应改变,从而导致λ的漂移。反过来，通过检测λ的漂移,可得知被测物理量的信息。光纤Bragg光栅传感器的研BB究工作主要集中在温度和应力的准分布式测量上。温
7、度和应力的变化所引起的λ的漂移可表示为BΔλ=2nΛ(1-P)ε(2)Beffe式中，ε为应变,P=(n/2)[P-υ(P+P)]为光纤有效弹光系数,P为光纤材eeff121112ij,料的弹光张量分量，υ为横向变型系数(泊松比)。2、长周期光纤光栅传感基本原理长周期光纤光栅是一种基于把纤芯中传输的基模(LP模)能量耦合到同向传输的包层模01(HE模)中的损耗型光纤光栅。根据相位匹配条件可以求得长周期光纤光栅的谐振波长1mpλ=(n-n)Λ（3）rescorecldp式中n为纤芯中基模的有效折射率；n为p阶包层模的有
8、效折射率;Λ为光栅的周期。同时,corecld在谐振峰值波长处的透射率T可以通过解同向传输耦合模方程得出,它满足下面关系式2T=cos(kL)(4)其中L为光栅的长度,k为基模和包层模的耦合系数,它与基模及包层模在纤芯内的重叠因子有关。长周期光纤光栅对弯曲特别敏感,光栅微小的弯曲就会使其耦合特性发生很大的改变。弯曲对于长周期光纤光栅耦合特性的影
