光纖布拉格光柵傳感器

光纖布拉格光柵傳感器光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating,FBG）傳感器是一種近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型光纖傳感器。其基本原理是將光纖特定位置制成折射率周期分布的光柵區(qū)，于是特定波長(zhǎng)（布拉格反射光）的光波在這個(gè)區(qū)域內(nèi)將被反射。反射的中心波長(zhǎng)信號(hào)跟光柵周期和纖芯的有效折射率有關(guān)。

5/21/20231將光柵區(qū)用作傳感區(qū)，當(dāng)被傳感物質(zhì)溫度、結(jié)構(gòu)或是位置發(fā)生變化的時(shí)候，光柵的周期和纖芯模的有效折射率將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而改變

Bragg中心波長(zhǎng)。通過(guò)光譜分析儀或是其它的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)對(duì)反射光的Bragg波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)就可以獲得待測(cè)參量的變化情況（見(jiàn)圖2）。

5/21/20232

將FBG傳感器用于工程監(jiān)測(cè)，其最大優(yōu)勢(shì)在于可以將具有不同柵距的布拉格光柵間隔地制作在同一根光纖上，用同一根光纖復(fù)用多個(gè)FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)分布式的測(cè)量。FBG傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

5/21/20233光纖Bragg光柵在橋梁、通訊、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航海、航天、礦業(yè)等領(lǐng)域都能發(fā)揮重要作用，所以具有廣闊的應(yīng)用前景。它具有體積小、重量輕、與光纖兼容、插入損耗低、性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。特別適合在易燃，易爆，和強(qiáng)電磁等惡劣環(huán)境下使用。

FBG技術(shù)的特點(diǎn)：測(cè)量精度高——FBG應(yīng)力測(cè)量精度可以達(dá)到1με，溫度測(cè)量精度可以達(dá)到0.1℃。響應(yīng)時(shí)間短——單個(gè)FBG傳感器響應(yīng)時(shí)間小于0.01s。（時(shí)間與FBG傳感器距離監(jiān)控器實(shí)際距離有關(guān)）測(cè)量范圍大——應(yīng)變測(cè)量可以超過(guò)10000με。

5/21/202348.3.1傳感原理光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)是隨光柵的周期和纖芯模的有效折射率變化的，因此Bragg波長(zhǎng)對(duì)于外界力、熱負(fù)荷等極為敏感。應(yīng)變和壓力影響B(tài)ragg波長(zhǎng)是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應(yīng)引起的，而溫度影響B(tài)ragg波長(zhǎng)是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。當(dāng)外界的溫度、應(yīng)力和壓力等參量發(fā)生變化時(shí)，Bragg波長(zhǎng)的變化可表示為ΔλB=2ΔneffΛ

+2neffΔΛ(8.3-2)

5/21/202355/21/202365/21/202375/21/202388.3.2解調(diào)技術(shù)

5/21/202398.3.3封裝增敏和復(fù)用技術(shù)由于裸的光纖光柵直徑只有125μm，在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷，只有對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性的封裝（如埋入襯底材料中），才能賦于光纖光柵更穩(wěn)定的性能，延長(zhǎng)其壽命傳感器才能交付使用。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)封裝的結(jié)構(gòu)，選用不同的封裝材料，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，應(yīng)力和溫度的增敏等功能，這類“功能型封裝”的研究正逐漸受到重視。布拉格光纖光柵復(fù)用傳感技術(shù)具有減少昂貴的傳感元件、降低系統(tǒng)成本、節(jié)省能量和使用空間等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)布拉格光纖光柵受到應(yīng)力作用或環(huán)境溫度改變時(shí)，它的布拉格波長(zhǎng)按照一定的規(guī)律發(fā)生漂移，也就是說(shuō)布拉格光纖光柵傳感器是波長(zhǎng)唯一編碼的。當(dāng)各個(gè)光柵光譜空間必須互不重疊時(shí)，我們可以方便地將波分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于FBG傳感系統(tǒng)中。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)編碼是FBG的一個(gè)重要特征，所以波分復(fù)用在復(fù)用技術(shù)中占有重要地位