光纖光柵傳感器及其發(fā)展趨勢

1、【摘要】光纖光柵是現(xiàn)代光纖傳感中應(yīng)用最廣泛的器件與技術(shù)。自1978年加拿大渥太華研究中心利用光纖的光敏效應(yīng)成功制成第一根光纖光柵以來，光纖光柵傳感器便因?yàn)轶w積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)及其具有本征自相干能力強(qiáng)和能在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測量的獨(dú)特優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。本文先對光纖光柵傳感器的工作原理及其分類進(jìn)行論述，接著簡述光纖光柵傳感器的一些重要應(yīng)用，然后對光纖光柵傳感器的研究方向進(jìn)行簡單分析，最后是小結(jié)和展望。【關(guān)鍵詞】傳感器；光纖光柵傳感器；光纖光柵傳感技術(shù)一、光纖光柵傳感器的工作原理及

2、其分類光纖光柵是利用光致折射率改變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵傳感器目前研究的主要有三種類型：一是利用光纖布喇格光柵（FBG）背向反射特征制作的傳感器；二是利用長周期光纖光柵（LPG）同向透射特征制作的傳感器；三是利用啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償特征制作的傳感器。下面將對這三種傳感器的傳感機(jī)理進(jìn)行簡單概述。1.1 光纖布喇格光柵傳感原理光纖布喇格光柵纖芯軸向的折射率呈現(xiàn)周期性變化，其作用的實(shí)質(zhì)相當(dāng)于是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡。如圖1-1所示，當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布喇格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長將透過光纖光柵繼續(xù)往前傳

3、輸。圖1-1 光纖布喇格光柵原理圖光纖布喇格光柵反射譜的中心波長滿足其中，為有效折射率，為光纖光柵柵距。光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界條件諸如溫度、壓力等的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之改變，從而導(dǎo)致反射光波長產(chǎn)生變化。反射譜中心波長的變化與溫度T、應(yīng)變的關(guān)系為 （1）其中，為熱膨脹系數(shù)，為熱光系數(shù)，為彈光系數(shù)。因此在光纖光柵受到軸向應(yīng)力或者自身溫度發(fā)生變化前后，檢測其反射光中心波長的變化，就可通過式（1）得到光纖光柵受到的軸向應(yīng)力或自身溫度的變化情況。光纖布喇格光柵傳感器主要研究是對溫度、應(yīng)變和應(yīng)力的檢測。1.2 長周期光纖光柵傳感原理相對光纖布喇格光柵而言

4、,長周期光纖光柵的周期要長很多，可從幾十微米到幾百微米。與光纖布喇格光柵傳感器的工作原理不同，長周期光纖光柵傳感器主要檢測其透射波長的變化。其數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，是以空氣為外包層的三層階躍耦合結(jié)構(gòu)，主要是基模與同向包層模之間的耦合，其損耗峰較寬，有寬阻帶濾波特性。長周期光纖光柵傳感器具有后向反射率低、帶寬寬等特性，對應(yīng)力、溫度、外部折射率變化都有響應(yīng)，而且對應(yīng)力、溫度變化的響應(yīng)靈敏度比光纖布喇格光柵傳感器要高得多，對橫向應(yīng)力也有感應(yīng)，是現(xiàn)在光纖光柵傳感器的研究重點(diǎn)。1.3啁啾光纖光柵傳感原理與光纖布喇格光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界條件的作用下，啁啾光纖光柵傳感器除了的變化以外，還會(huì)引起光

5、譜的展寬。啁啾光纖光柵傳感器在應(yīng)變和溫度共同作用的情況下有著明顯的優(yōu)勢，由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化對反射信號(hào)的影響則源于光纖折射率的溫度依賴性，僅影響其重心的位置。通過同時(shí)測量光譜位移和展寬，就可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變和溫度的同時(shí)測量。二、光纖光柵傳感系統(tǒng)光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號(hào)解調(diào)等組成，如圖2-1所示。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應(yīng)外界被測量的信息，外界被測量的信息則通過信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映出來。寬帶光源的寬帶光經(jīng)過耦合器進(jìn)入光纖光柵傳感器，傳感器的反射波再經(jīng)過耦合器進(jìn)入可調(diào)諧濾波解調(diào)系統(tǒng)，可調(diào)諧濾波解調(diào)

6、系統(tǒng)對傳感器的反射波進(jìn)行解調(diào)。圖2-1 光纖光柵傳感系統(tǒng)在光纖光柵傳感中，光源必須滿足帶寬較寬、輸出功率強(qiáng)與穩(wěn)定性好等條件，以滿足分布式傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測量的需要。常用的光源的有LED，LD和摻雜不同濃度、不同種類的稀土離子的光源。信號(hào)解調(diào)主要完成光信號(hào)波長信息到電參量的轉(zhuǎn)換，及對通過電參量進(jìn)行運(yùn)算處理提取外界信息。光纖光柵傳感解調(diào)的方法主要有匹配光纖光柵解調(diào)法、FP腔長濾波解調(diào)法、干涉法等。三、光纖光柵傳感器的應(yīng)用 光纖光柵傳感器具有傳輸距離遠(yuǎn)、不受電磁環(huán)境干擾、不產(chǎn)生電磁干擾、不對易燃?xì)怏w構(gòu)成危險(xiǎn)以及能在高溫、腐蝕性等惡劣環(huán)境下進(jìn)行工作等優(yōu)勢，在諸如石油、化工、電力、土木工程、交通、醫(yī)

7、學(xué)、航海航空、地質(zhì)斟探、通訊、自動(dòng)控制、計(jì)量測試等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在電力系統(tǒng)中，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，傳統(tǒng)傳感器由于易受強(qiáng)電磁場的干擾無法在這些場合中使用，光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實(shí)現(xiàn)長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。在民用工程中，適用于民用結(jié)構(gòu)的傳感器應(yīng)具備穩(wěn)定、較高的靈敏度與適應(yīng)范圍、線性響應(yīng)、單端口、對結(jié)構(gòu)無影響等特點(diǎn)。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測，或由多個(gè)光纖光柵傳感器串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測，用以實(shí)現(xiàn)橋梁、礦井、隧

8、道、大壩、建筑物等的應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋、振動(dòng)、腐蝕等狀況的監(jiān)測。在石油化工系統(tǒng)中，由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖光柵傳感器則由于其體積小，重量輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好等優(yōu)勢，特別適合于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，因此在油井參數(shù)測量中發(fā)揮著不可替代的作用。在環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)檢測、食品安全檢測等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，使用傳統(tǒng)傳感器達(dá)不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，而采用光纖光柵傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度，因此在這些領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。四、光纖光柵傳

9、感器技術(shù)的研究方向光纖光柵傳感及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展?jié)M足了各類控制裝置及系統(tǒng)對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高，目前光纖光柵傳感器技術(shù)的研究方向是多用途、提高可靠性和穩(wěn)定性、使其能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，下面將用實(shí)例做一一說明。（1）多用途，即表示光纖光柵傳感器不僅僅只針對于某一單一的物理量，還能實(shí)現(xiàn)對多個(gè)物理參量的同時(shí)測量。通過將光纖光柵傳感器與其他傳感器組成混合傳感器系統(tǒng)，利用光纖光柵傳感器與其他傳感器對不同物理參量的靈敏度差異，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)物理參量的同時(shí)測量，近幾年來有人針對此設(shè)想陸續(xù)提出了不少研究成果。例如, 2014年提出一種如圖4-1所示的混合傳感器系統(tǒng)1，由基

10、于丙烯酸酯涂覆層保偏光子晶體光纖的偏振式光纖傳感器、剝?nèi)ネ扛矊拥谋Ｆ庾泳w光纖傳感器、光纖布喇格光柵傳感器組合而成，其中光纖布喇格光柵傳感器用于測量溫度，基于丙烯酸酯涂覆層保偏光子晶體光纖傳感器用于測量軸向應(yīng)變，剝?nèi)ネ扛矊拥谋Ｆ庾泳w光纖傳感器用于測量熱應(yīng)變，由此可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料應(yīng)變、溫度和熱應(yīng)變的同時(shí)測量，可用于對復(fù)合材料的實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖4-1 實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料應(yīng)變、溫度和熱應(yīng)變同時(shí)測量的混合傳感器系統(tǒng)2016年也就是最近幾天有人提出一種可用于同時(shí)測量溫度和張力的混合傳感器系統(tǒng)2，如圖4-2所示，該系統(tǒng)將利用拼接兩段摻Ge/B光敏光纖的過程中形成的氣泡作為法布里-帕羅干涉儀FPI（在-70

11、°C-20°C間溫度靈敏度為0.67pm/°C，壓力靈敏度為3.76 pm/），并直接將拼接后的光纖暴露于248nmKrF準(zhǔn)分子激光器刻蝕布喇格光柵FBG（在0500間溫度靈敏度和壓力靈敏度分別為8.40pm/°C、 1.40pm/）于其上，通過FP腔與FBG對于溫度、壓力的靈敏度差異來實(shí)現(xiàn)對溫度和張力的同時(shí)測量。圖4-2 實(shí)現(xiàn)對溫度和張力同時(shí)測量的混合傳感器系統(tǒng)（2）實(shí)用化，顧名思義，就是使得光纖光柵傳感器技術(shù)能更深入地滲透于人們的生活日常中，為人們帶來更多的便利。例如，假肢肢槽接觸面的壓力分布對日常生活中假肢使用者假肢移動(dòng)的靈活性與舒適度有著十分重要

12、的影響，2016年有人提出了基于光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)假肢肢槽接觸面壓力測量的襯墊3，光纖光柵測量的精確度和可重復(fù)性是該傳感器相較于其它壓力傳感器的主要優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)過程如圖4-3所示。圖4-3 基于光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)假肢肢槽接觸面壓力測量的襯墊實(shí)驗(yàn)測量2016年有人研究被刻蝕成不同口徑的單模塑料光纖光柵4來增強(qiáng)傳感器的靈敏度及生物相容性以便將傳感器應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，并在此基礎(chǔ)上分別提出了測量血壓和測量腳壓的兩種塑料光纖光柵傳感器。2016年有人提出了利用五個(gè)薄膜壓力傳感器結(jié)合檢測它們工作狀態(tài)的光纖光柵傳感器構(gòu)成的用于測量航天燃料的混合傳感器5，該混合傳感器系統(tǒng)在乘噴氣式飛機(jī)A1上進(jìn)行燃料容量測試呈現(xiàn)良

13、好的線性關(guān)系，具有靈敏度高和可重復(fù)測量等優(yōu)勢?，F(xiàn)今的實(shí)用化研究朝著實(shí)用性、產(chǎn)業(yè)化及降低成本三個(gè)方向并行努力著。（3）提高可靠性跟穩(wěn)定性，可靠性跟穩(wěn)定性一直是衡量光纖光柵傳感器性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，直到現(xiàn)今仍是光纖光柵傳感技術(shù)努力的方向之一。例如，光纖布喇格光柵傳感器是液體中如石油、液化天燃?xì)獾冗M(jìn)行檢測如壓力、振動(dòng)等物理參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，2016年有人對傳感器在液體中位置對壓力靈敏度的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究6，如圖4-4所示，以找出傳感器最佳的定位從而提高對如石油、液化天燃?xì)獾戎悄鼙O(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性。圖4-4 光纖光柵傳感器的位置對應(yīng)變靈敏度影響的實(shí)驗(yàn)裝置2016年有人提出了在長周期光纖光柵上鍍200n

14、m氧化鋁薄膜并進(jìn)行硅橡膠封裝以提高傳感器溫度靈敏度7，該傳感器溫度靈敏度高達(dá)0.77nm/°C。2011年有人提出了基于摻雜BDK（2，2-二甲氧基-2-苯基苯丙酮）塑料光纖布喇格光柵的高靈敏度溫度傳感器8。由式（1）可看出當(dāng)隔絕壓力影響時(shí)布喇格光纖光柵反射峰中心波長的移動(dòng)與熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)存在線性關(guān)系。塑料光纖的熱光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)均比普通的石英光纖要高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此溫度的變化對塑料光纖光柵傳感器反射峰中心波長的影響要較石英光纖光柵傳感器要大得多，溫度靈敏度相較而言要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。（4）使其能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境，我們知道在惡劣的環(huán)境條件（諸如高溫、高壓、高輻射、化學(xué)腐蝕

15、等）下，進(jìn)行某些必要的監(jiān)測是十分困難的，有些在目前技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)，而有些則技術(shù)成本過于昂貴，而光纖光柵傳感技術(shù)由于其體積小、重量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，而提高其惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力也是目前努力的方向之一，而一些新型材料的出現(xiàn)也為某些光纖光柵傳感技術(shù)的研究提供了可能性。例如，在2016年有人剛提出一種同步輻射X射線光刻的長周期光纖光柵9，其光刻系統(tǒng)如圖4-5所示，該光纖光柵對于伽馬輻射具有很強(qiáng)的耐輻射性，可作為光纖光柵傳感器應(yīng)用于高劑量核輻射環(huán)境（諸如核廢料儲(chǔ)存設(shè)備和核電站安全殼等）下。圖4-5 同步輻射X射線光刻長周期光纖光柵的光刻系統(tǒng)五、小結(jié)與展望現(xiàn)今，光纖光

16、柵傳感技術(shù)已經(jīng)相對成熟，幾乎涵蓋了國民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域，滲透進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，每一年都?huì)有大量可以預(yù)見將會(huì)給人們生活帶來極大便利的研究成果出現(xiàn)，然而實(shí)際的需求是多種多樣的，現(xiàn)今光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以能夠滿足人們的實(shí)際需求，更何況雖然現(xiàn)今光纖光柵傳感器的研究碩果累累，但只有其中的少數(shù)真正應(yīng)用于人們的日常生活中。所以，光纖光柵傳感器的未來發(fā)展趨勢必將是朝著更微型化、智能化、低功耗、便攜式及產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】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,