光纤光栅传感技术和其在电力系统中应用

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1、光纤光栅传感技术和其在电力系统中应用　　摘要：光纤光栅传感技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、可微型化、检测精度高、可实现无源在线监测等特点，适合在电力系统中应用。对光纤光栅传感技术的传感原理和特点进行介绍，对其在电力系统中的应用进行研究，对光纤光栅传感技术在电力系统中的应用前景和未来发展方向进行展望。关键词：光纤光栅；电力系统；应用；发展方向作者简介：杨洪磊（1987-），男，河南商丘人，昆明理工大学云南电网公司研究生工作站硕士研究生；梁仕斌（1974-），男，云南昆明人，云南电网公司电力研究院，高级工程师。（云南昆明650217）中图分类号：TM7文献标识码：A文章编号：100

2、7-0079（2013）29-0226-0312光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤内形成空间相位光栅，在纤芯内成为窄带透射或反射滤波器，使光的传播行为得以改变和控制。[1]光纤光栅传输特性的基本参数包括反射率、透射率、中心波长、反射带宽及光栅方程等。[2]光纤光栅传感器以其抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围大、便于复用成网、可微型化等优点，得到了世界范围内的广泛关注，成为传感领域内发展最快的技术之一，在电力、土木工程、航空航天、石油化工、医疗、船舶工业等领域取得了广泛应用。[3]一、光纤光栅的分类和特点随着光纤光栅制作技术的发展，人们制出不同结构的光纤光栅，主要可以分为

3、均匀周期光纤光栅和非均匀周期光纤光栅两类。其中均匀周期光纤光栅又具体分为：Bragg光栅（FiberBraggGrating，FBG）、长周期光栅和倾斜光栅。非均匀周期光纤光栅具体可分为：啁啾光栅、变迹光栅、相移光栅、发迹光栅和取样光栅等。[4]Bragg光栅是一种栅格周期为0.2～0.5微米的光栅。该种光栅波矢方向与光纤的轴向一致，具有较窄的反射谱和较高的反射率，其反射带宽和反射率可以根据需要通过改变写入条件加以调节。该种光栅结构简单，具有良好的温度和应变灵敏度，是目前主流的传感光栅。[5]12长周期光栅是指栅格周期达到几百微米的均匀周期光纤光栅，是一种透射型光栅，其作用是将特定波

4、长的光耦合到包层中损耗掉，从而在投射谱中形成宽带损耗峰，因此它是一种理想的掺铒光纤放大器（EDFA）的增益平坦元件。此外，长周期光栅的投射损耗峰会因外界的应变和温度等因素的影响而改变，而且与FBG相比具有更高的灵敏度，也可作为一种理想的传感元件。近年来，由于长周期光栅的制作技术发展，具有更多传感特性，如弯曲、扭转等新型长周期光栅正处于研究的热点。[6]倾斜光栅又称闪耀光栅。该种光栅的周期与折射率调制深度虽均为常数，但其光栅的波矢量方向与光栅的轴线方向不一致，具有一定的夹角。此类光栅可用于EDFA的增益平坦，当光栅法线与光纤轴向倾角较小时也可作为空间模式耦合器，由于倾斜光栅类似FBG和

5、长周期光栅，也可以用于传感领域，如温度、应变和弯曲等的检测。[7]啁啾光栅的栅格间距是沿着光纤轴向变化的，由于不同的栅格周期对应不同的反射波长，所以啁啾光栅能够产生较宽的反射谱。常用的线性啁啾光栅能产生较大的反射带宽和稳定的色散，因此被广泛应用于光纤通信系统的色散补偿，也用于宽带滤波器和FBG解调系统。[8]相移光栅是在均匀周期光栅的某些位置发生相位跳变来改变光谱的分布。相移的作用是在响应的反射谱汇总产生一个投射窗口，使光栅具有更高的波长选择性，在波分复用通信系统中的波长解复用器方面有着潜在的应用价值。相移型长周期光纤光栅具有丰富的谱特征，通过选择合适的相移点位置与相移量，能够使长周

6、期光纤光栅更好地满足EDFA增益平坦的需要。[9]12变迹光栅的折射率调制深度沿光纤轴向为一特定的变迹函数，常用的变迹函数有高斯函数、升余弦函数和双曲正切函数等。该类光栅对均匀光栅的反射谱的边模振荡具有很强的抑制作用，选择不同的发迹函数能起到不同的抑制效果。[10]取样光栅也称为超结构光纤光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，这种光栅的反射谱具有多个反射峰，可以作为梳状滤波器，在光纤通信领域内可用于多通道色散补偿，同时因其多个反射峰对外界参量的不同响应，故也可作为一种多参量的传感元件。[11]光纤光栅不仅具有易于光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高等特点，而且作为传感元件

7、，感应的信息为波长编码的绝对测量，排除了光功率的波动及损耗的影响。在一根光纤中连续制作多个光栅，运用相关复用技术可实现准分布式的多点检测。目前Bragg光栅作为研究和应用的重点已得到了大量实际的应用。二、光纤Bragg光栅的传感原理光纤Bragg光栅是一种折射率呈固定周期调制分布的新型传感器件，其调制深度与光栅周期均为常数，适合用于检测静态和动态参量，抗干扰能力强，其传感方程如下：式中，是光栅的中心波长漂移量，是光栅的应变灵敏系数，是光栅的应变量，是光栅的