概述光纖光柵傳感器的基本原理及實際應(yīng)用，介紹了光纖光柵傳感器在地球動力學(xué)、航天器及船舶航運、民用工程結(jié)構(gòu)、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)、和化學(xué)傳感中的應(yīng)用。 J/4y|8T/y  
一、 前言 ?'~;Q)  
1978年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。1989年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的G·Meltz等人實現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。 <
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光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵的種類很多，主要分兩大類：一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵)；二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。 %9c|%#3  
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在光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達(dá)400℃-600℃)、復(fù)用能力強、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點，早在1988年就成功地在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測技術(shù)，同時光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個領(lǐng)域，還在土木工程領(lǐng)域(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測定其結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實現(xiàn)智能建筑。 l6B.6 '4)w  
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二、 光纖光柵傳感器的工作原理 Tj,Nmb>Q7'  
我們知道，光柵的Bragg波長λB由下式?jīng)Q定: lfMH1llx  
λB=2nΛ (1) =O^7TrM  
式中，n為芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現(xiàn)對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術(shù)，可實現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量，也可同時測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，還可實現(xiàn)對電場等物理量的間接測量。 :2q ?>\  
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1、 啁啾光纖光柵傳感器的工作原理 *t=i  
上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對單參數(shù)的定點測量很有效，但在需要同時測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時，就顯得力不從心。一種較好的方法就是采用啁啾光纖光柵傳感器。 -v*x
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啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了△λB的變化外，還會引起光譜的展寬。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn／dT),僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應(yīng)變和溫度。 R;=6VH  
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2、 長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理 k`IrZHMw
 
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      長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米，LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進(jìn)包層：λi=(n0-niclad)·Λ。式中，n0為纖芯的折射率，niclad為i階軸對稱包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層／空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長范圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移，通過檢測△λi，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。 C
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三、 光纖光柵傳感器的應(yīng)用 s4IKSX  

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1、在地球動力學(xué)中的應(yīng)用 ^X;JT=r
 
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在地震檢測等地球動力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預(yù)測是非常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關(guān)鍵活動范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面�；顒訁^(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)應(yīng)變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離；而以震源的震波為代表的動態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應(yīng)力－應(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。有報道指出，光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1-2Hz，大小為10-9ε(應(yīng)變)的巖石和地表動態(tài)應(yīng)變。 rAatJc"0  
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2、在航天器及船舶中的應(yīng)用 U5wTGv4S|  
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先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)的機(jī)翼)。 KS>Fl->  
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