光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用

　0 引言

　　近年來。隨著光纖通信技術(shù)向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，以及逐步向全光網(wǎng)絡(luò)的演進.在光通信迅猛發(fā)展的帶動下，光纖光柵已成為發(fā)展最為迅速的光纖無光源器件之一。光纖在紫外光強激光照射下，利用光纖纖芯的光敏感特性.光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣，在光纖軸向上就會形成周期性的折射率波動，即為光纖光柵。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接等優(yōu)點，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此。本文從光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵等光纖光柵的原理出發(fā)，綜述了光纖布拉格光柵對溫度、應(yīng)變同時測量技術(shù)的應(yīng)用。

　　1 光纖傳感器的工作原理

　　1.1光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

　　光纖布拉格光柵FBG于1978年發(fā)明問世。它利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。圖l所示是其光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)。

　　在圖1所示的光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)中，光源為寬譜光源且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號良好的信噪比。一般選用側(cè)面發(fā)光二極管ELED的原因是其耦合進單模光纖的光功率至少為50～100 μW。而當(dāng)被測溫度或壓力加在光纖光柵上時。由光纖光柵反射回的光信號可通過3 dB光纖定向耦合器送到波長鑒別器或波長分析器，然后通過光探測器進行光電轉(zhuǎn)換，最后由計算機進行分析、儲存，并按用戶規(guī)定的格式在計算機上顯示出被測量的大小。

　　光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部優(yōu)點外.還具有在一根光纖內(nèi)集成多個傳感器復(fù)用的特點，并可實現(xiàn)多點測量功能。

　　1.2 光纖布拉格光柵原理

　　光纖布拉格光柵通常滿足布拉格條件

　　式中，λB為Bragg波長，n為有效折射率，A為光柵周期。

　　當(dāng)作用于光纖光柵的被測物理量(如溫度、應(yīng)力等)發(fā)生變化時，會引起n和A的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致λB的漂移;反過來，通過檢測λB的漂移。也可得知被測物理量的信息。Bragg光纖光柵傳感器的研究主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的λB漂移可表示為：

　　式中，ε為應(yīng)力，P[i，j]為光壓系數(shù)，v為橫向變型系數(shù)(泊松比)，α為熱脹系數(shù)，△T為溫度變化量。一般情況下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]/2因子的典型值為0.22，可以推導(dǎo)出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG溫度和應(yīng)力相應(yīng)條件值為：