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光纤光栅传感器应用技术研究
作者:张锦龙王葵如余重秀张大鹏来源:光纤在线
摘要:分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点,从光纤传感
技术的优势出发,介绍了光纤光栅传感智能结构的优点,对波长解调方法如匹配解调法、可
调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论, 阐述了相应的系统设计方案,并对各
种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术
难题,分析现有的解决方案,讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未
来的发展趋势。
关键词:光纤光栅,传感解调,干涉,XPM
1 引言
随着经济的发展,我国基础设施建设的规模不断加大,新建的高楼、道路、桥梁、大坝几乎
遍地开花。对于这些建筑物健康状况的传感、测控成为一项重要课题。加拿大通信中心的
Hill K O 等人在 1978 年首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤 Bragg 光栅( FBG)。使
得光纤光栅传感器和传感技术成为科学研究和技术开发的热点。光纤光栅具有几个突出主要
优点: 1)光的频率数量级为 THz,其频带范围很宽,动态范围很大,不受电磁场干扰; 2)信
号采用波长编码,不受光源强度的起伏、光纤微弯损耗引起的随机起伏和耦合损耗等因素的
影响,对环境干扰不敏感;3)光纤光栅的材料是二氧化硅,具有较强的耐腐蚀能力;4)自定
标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;芯径细且柔韧,易于布设; 5)易于实现大面积
分布式测量。因此,光纤光栅传感器具有推动光纤光栅传感器进入前沿发展的潜力。
我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广
应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。因此,近期的光纤传感技术研究和产业化特点
是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点,目前对光纤光栅传感器的研究方向主
要有以下几个方面:
1、对传感器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变
化的传感器研究;
2、对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究,目标是开发低成本、小型化、可靠
且灵敏的探测技术;
3、对光纤光栅传感器的实际应用研究,包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。
4,开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发,如航空航天、航海、土木工程、医学和
生物、电力工业、核工业及化学和环境等。
目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多,
但能够实际应用的解调产品并不多, 且价格较高。光纤光栅的信号解调,即波长微小移位的
检测问题,是光纤光栅传感器能否实用化的关键。
2 光纤光栅传感原理
温度、应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化,从而使光纤光栅的反射和
透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化,就可以获得相应的温度、应变
和压力信息,这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。由耦合模理论可知,均
匀的、非闪耀光纤 Bragg 光栅可将其传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模
而形成窄带反射,峰值反射波长为(Bragg 波长): 式中为导模的有效折射
率,为光栅周期。光纤光栅的 Bragg 波长是随和而变化的,