光纤光栅传感器原理及应用
（武汉理工大学）
1光纤光栅传感原理
光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。
图1 FBG 结构及其波长选择原理图
在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。
（1）光纤光栅应变传感原理
光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。
（2）光纤光栅温度传感原理
光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。
反射光谱
入射光谱
投射光谱
入射光
反射光
投射光
包层
纤芯
光栅
光栅周期
2光纤光栅传感器特点
利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。
光纤光栅传感器可测物理量：
温度、应力/应变、压力、流量、位移等。
图2 光纤光栅传感器分布式测量原理
光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰
● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上
3目前我校已经开展的工作（部分）
3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统
利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。
被测参量
宽带光源
光纤F-P 腔
测点1
测点2
测点3
测点n
波长
光 强
λ1
测点1
λ2
测点2
λ3
测点3
λn
测点n
光源波长
图3 光纤光栅非接触测量原理
图4 光纤光栅传感器飞机发动机动应变测量
3.2 旋转轴系振动（位移）的光纤光栅测量技术与方法
利用旋转轴振动对磁场的影响作用，将磁场的变化转化为光纤光栅反射波长的变化，通过理论建模和分析，创建了一种基于磁力变化的光纤光栅无接触旋转轴振动测量新原理与新方法。图5所示是这种振动测量的原理图和装置图。
通过理论分析和实验研究，演绎了这种测量方法的原理以及呈现的无接触振动（位移）测量、易实现多维振动测量的特点。分析了影响测量性能的因素及其影响关系，图6所示就是传感探头到旋转轴的距离与光纤光栅应变的关系。
旋转装备
光纤光栅传感器 分析诊断系统 非接触光传输
解调器 光纤
光纤
固定
部分
旋转
部分
(a)旋转轴振动测量原理 (b)旋转轴振动测量装置
图5 光纤光栅无接触旋转轴振动测量
应变与距离的关系
2004006008001000120014001600180020000
2
4
6
8
10
12
14
16
距离（mm）
应变（με）
1回程2去程2回程3去程1去程3回程
图6 传感探头到旋转轴的距离与光纤光栅信号的关系
以图6中方框内的部分作为线性区间，可以得到位移对波长变化量的灵敏度为1.13μm/pm ，目前的光纤光栅传感器的波长分辨率可达1 pm ，也就是说这种振动位移传感器测量精度可以达到1μm
，能够满足机械装置振动检测的要求。
3.3. 基于光纤光栅传感的机床温度与切削力测量 3.2.1机床温度测量
利用Bragg 光栅的特性，组成分布式光纤光栅网络，实时监测机床温升变化，并将温度场信息进行建模，为数控系统提供参考，将有效提高机床的加工精度。
图7 机床温度测量
3.2.2切削力测量实验研究
图8 基于光纤光栅传感的机床切削力测量装置与实验数据
3.4.基于光纤光栅传感的损伤识别研究
图9 基于光纤光栅传感的损伤识别辨识装置与实验数据
3.5.基于光纤传感技术的重大装备安全监测
3.5.1港口岸桥式起重机安全监测情况
在国内最大港口——上海港应用，可使岸桥式起重机月检修次数由 4 次减少为 1 次，并降低了设备点检难度，提高了设备的使用效率和生产效率，相当于增加了3万TEU/年·台的货物吞吐量
x
y
1d φ2
d φ测量装置
FBG
SM130解调仪
PC 机
弹性元件
光纤
光纤接头
1
23
4
05101520
25
150
155
160
165
170175180
185
190
频率(Hz)
应变频响函数(με/N )
无损伤
1损伤
图10 港口岸桥式起重机监测
3.5.2 港口翻车机安全监测情况
世界最大能源港的咽喉设备，长期无法实现在线、实时、动态监测，成为港口发展的瓶颈.在秦皇岛港应用，将关键装备翻车机整机停车检修时间可缩短为原来的20%
图11 港口翻车机安全监测
3.5.3大型浮吊安全监测
国内最大浮吊(奋进号)：悬臂长240多米，起吊重量2000多吨
一、
二、三、四期翻车机都安装应用
图12 中远船务200T 门座起重机安全监测
图13 中远船务200T 、600T 龙门起重机监测
3.6.光纤传感技术的典型工程应用案例
世界跨度最大、承受荷载最重武汉天心洲公铁两用斜拉桥长期安全监测
● 世界规模最大公路隧道火灾安全监测 ● 世界最高面板坝渗漏与结构长期安全监测 ● 国家四大战略储备油库火灾报警 ● 中石化90%大型油罐火灾报警
● 我国第一条海底隧道火灾与结构安全监测 ● 三峡工程重点文物保护工程结构安全监测
4.我校研究基础条件
2003年建成“光纤传感器国家高技术产业化示范工程”
（国内最大的产业化基地）
2000年建成“光纤传感器国家重点工业性试验基地”
（国内最大的研发基地）
2004年建成“光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室”2009年发改委批准成立“光纤传感技术国家工程实验室”
五、武汉理工大学工作基础条件
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤光栅感温火灾探测系统 光纤光栅感温火灾探测系统是以光纤作为信号的 传输与传感媒体，利用布喇格光栅的温度敏感性和光 的反射原理，能够实时探测沿光纤光栅感温点的温度 变化情况，超限时能声光报警。该产品检测灵敏度高； 可进行分布测量，测量点可在５ｋｍ 范围内任意设置； 现场无电检测，本质安全防爆、抗电磁干扰、防雷击。 特别适合石油、天燃气管道、化工、冶金、电力、消 防、能源、仓储、军工、核工业等场所使用。 特点 l采用光栅进行信号检测、光纤进行信号传输，实现无电检测，本质安全防爆。 l使用先进的光纤光栅作为测量单元，技术先进，测量精度高。 l采用分布式测量方式，测量点多，方式灵活。 l使用成熟的光电元件，成本低，可靠性好。 l系统结构紧凑，安装简单，维护方便。 技术参数 １）类型：差定温、可复位功能型 ２）电源供电方式：ＤＣ２４Ｖ 由直流电源提供 ３）报警温度出厂设定：预警７０℃、报警９０℃（用户可修改） ４）测温范围：０℃～９５℃ ５）测量温度误差：±５℃ ６）响应时间：≤２０ｓ ７）远传距离： ≤１０ｋｍ
８）工作环境温度：－４０℃～７５℃ ９）相对湿度： ≤９０％ １０）最小弯曲半径：３００ｍｍ 光纤光栅感温火灾探测系统基本组成 光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅感温火灾探测器和光纤光栅感温火灾探测信号处理器组成。 光纤光栅感温火灾探测器由感温传感器探头、连接光缆、光缆连接器、传输光缆等部分组成。 光纤光栅感温火灾探测信号处理器由调制解调器、信号转换处理电路和报警显示电路等部分组成。 图１ 为 光纤光栅感温火灾探测系统的结构示意图。 报警 图1 光纤光栅感温火灾探测系统结构示意图 1．感温传感器探头 2。连接光缆 3。光缆连接器 4。传输光缆 5．信号处理器 6。电缆4×1.5 7。报警控制器或系统计算机 安装方式 根据用户使用地点和使用要求不同，光纤光栅感温火灾探测系统可以采用不同的安装方式。图６为光纤光栅感温火灾探测系统在外浮顶罐上的安装示意图。
第1章：光纤传感中的光学原理及效应 光学反射原理 分为镜面反射和漫反射 镜面反射和漫反射情况 基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量，振动测量，压力测量，浓度测量和液位测量。 光学折射原理
光学吸收原理 选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律： Lambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。 当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为： 光学多普勒效应 θ cos 11f f 02 20 0c u c u -= 雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据
反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。 声光效应 超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。 利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。 主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q 开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。 磁光效应 具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。 A 、法拉第效应：当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象，对于给定的介质，偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数 B 、磁光克尔效应：指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。 分类： ①极化克尔效应，即磁化强度M 与介质表面垂直时的克尔效应，应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应：M 既平行于介质表面，但垂直于光的入射面 ③纵向克尔效应：M 既平行于介质表面，又平行于光的入射面 C 、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质，在不加磁场时表现为各向同性，加上足够强的外磁场时，分子磁矩受到了力的作用，各分子对外磁场有了一定的取向，使介质宏观上呈现各向异性，当光以不同于磁场方向通过这样的介质时，就会出现双折射现象。 电光效应 电光效应：指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。 +++=20bE aE n n （6-3） 在上式中， aE 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯（Pockels ）效
光纤振动传感技术综述 摘要：随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要 解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动分析技术的研究提出了越来越高的要求。用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等 环境恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势，不同类型、不同原理的光纤振动传感 技术对于振动检测领域的发展有着非常重要的现实意义。本文对光纤振动传感技 术的全球专利申请脉络进行了详细梳理，并通过专利数据统计分析，认识了光纤 振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感 技术的后续审查工作打下了坚实的基础。 关键词：光纤；光栅；振动；传感；解调；分布式 一、引言 振动问题是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。目前比较成熟的 振动加速度传感器主要为动圈式、压电式、涡流式和微机电系统等电类传感器， 上述类型的传感器都存在易受电磁干扰的问题，应用受到一定的限制。由于光纤 不仅可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传播的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）会因外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用而发生变化。 用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等环境 恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势。本文旨在通过梳理光纤振动传感技术的全 球专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感技术的审查工作打下一定的 基础。 二、专利分析 本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和世界专利文摘库（SIPOABS）中，筛 选从1969年6月25日至2017年12月22日申请的国内外专利申请。将从以下 三个方面对光纤振动传感技术的专利进行分析： （1）专利申请发展趋势状况分析 全球范围内关于光纤振动传感技术的专利申请共计1268项，其中向中国专利局提交的国内申请为857项。图1示出了光纤振动传感技术的全球、国内和国外 的专利申请量的发展趋势，从图中可以清楚地看到：光纤传感技术发展中经历了 主要三个阶段，即：1980年以前，光纤传感技术的研究主要停留在理论阶段，以强度调制型光纤传感器的研究为主；从1980年后，开始大规模研究光纤传感技术，出现了大量不同的光纤传感原理和光纤检测技术；进入2000后，各种技术 和器件的研究已基本成熟，光纤传感器开始进入了商业化的进程，光纤传感进入 实用阶段。 图1.专利申请量的发展趋势 对于国外申请而言，尽管他们对于光纤振动传感技术的研究起步很早，但是 总体来看其发展一直呈现较为平稳状态，起伏不大；对于国内申请而言，呈现出 的趋势与国外申请有很大的不同，尽管国内的第一件申请出现的时间较晚，但是 后期发展势头尤为迅猛。 （2）专利申请地域分布状况分析 图2示出了光纤振动传感技术专利申请的国别/地区分布情况，显而易见，中 国是该领域最大的申请来源国；日本是该领域的第二大申请来源国，剩余的部分
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》 课程作业报告 提交时间：2011年10月27 日
1 研究背景 （执笔人： ） 被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。 光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为： 2B eff n λ=Λ 式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。 这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势： （1）抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。 （2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。 （3）测量结果具有良好的重复性。 （4）便于构成各种形式的光纤传感网络。 （5）可用于外界参量的绝对测量。 （6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。 （7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。 由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。 光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材
现代传感器论文 题目：光纤传感器综述 姓名：张艳婷 学院：物理与机电工程学院 系：机电系 专业：精密仪器与机械 年级：2013级 学号：19920131152905 指导教师：吴德会老师 2014 年2月18日
光纤传感器综述 [摘要] 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特点、分类和发展历程进行了详细综述，介绍了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光纤传感器的应用，指出了这类光纤传感器在应用过程中存在的问题，并提出光纤传感器今后的发展趋势, 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考。 [关键词]：光纤传感器原理特点发展历程发展趋势 一、引言 传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术［1］，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员，由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行介绍。 二、光纤传感器的基本原理及特点 光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝，把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。
光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对
1 概述 传统的温度测量技术在各个领域的应用已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其它领域的温度传感器。它们的敏感特性主要是以电子信号作为传感媒介，即利用温度对电子信号的调制作用。而在特殊工况和环境下，如在易爆、易燃、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等环境下，光纤温度测量技术具有独到的优越性。由于光纤本身的电磁绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得光纤温度传感器突破了电子温度传感器的限制。同时由于其工作原理是利用温度对光信号的调制作用，传感或传输方式多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，可远距离传输，使传感器的光电器件脱离测温现场，避开了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使尘雾、水汽等干扰因素对测量结果影响很小。光纤质量小、截面小、可弯曲传输，因此可测量不可见的工作空间的温度，便于特殊工况下的安装使用。光纤由于温度测量的机理与结构形式多种多样，基本上可分为两大类：一类是传光型，它利用某种传感元件把光的强度、波长等与温度有关的信息作为测量信号，由光纤将信号传递到探测器；另一类是传感型，它以光纤本身为传感元件，将光的相位、波长、强度等为测量信号。光纤温度传感器机理及特点如表1所示。 光纤传光型温度传感器通常使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通
道；传感型光纤温度传感器利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高，但由于光纤对温度以外的干扰如振动、应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。其中荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到应用水平。 其中，荧光光纤测温技术可以实现不同工作情况，尤其是电磁干扰下的温度测量。荧光是辐射的去活化过程。荧光材料原子受到某一波长的辐射而激发时，辐射去活化，发出辐射。荧光是发射光，它涉及吸取和再发射2个过程，每个过程都是瞬间的，但在2个过程之间存在一时间间隔，它依赖于荧光去活化过程。 荧光光纤温度传感器不仅限于表面温度的定向测量，其探头可以插入固体物质中、浸入液体中或导入设备中，到达特定区域。荧光测温与其它测温方法相比具有诸多优点，如实现温度的绝对测量，测温精度不受被测体表面发射率的影响，在中低温范围内有很高的灵敏度和测温精度等。 2 荧光光纤测温原理 当发光材料受到某种波长的入射光照射，吸收光能后从基态进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段），而且一旦移除入射光，发光现象也随之立即消失，即出射光消失，具有这种性质的出射光就被称之为荧光。 荧光产生机理 由普朗克定理可知，当发光材料接收到无论哪种形式的入射光能量时，发光材料中的电子将发生能级跃迁现象，而在能级跃迁的过程中伴随着波长为λ的出射光。 其中 21hc E E hν λ -==（1）
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
布拉格光栅的研究 1 概述 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用[1]。 在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等[2]，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。 在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息[3]，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。 由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对光纤光栅传感的应变检测机制进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在应变检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析光纤光栅应变检测的原理，对光纤光栅应变检测进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。 2 应变检测原理 根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长λB 与有效折射率n eff 和光 栅周期Λ满足如下的关系[4] Λ=eff B n 2λ (2-1) 光纤光栅的反射波长取决于光栅周期Λ和有效折射率n eff ，当光栅外部产生应变变化时，会导致光栅周期Λ和有效折射率n eff 的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长偏移量的检测可以获得应力的变化情况。由于课上已经讲过，故不多做赘述，只是简要的回顾一下。接下来主要讨论应变对光纤光栅作用的模
遂宁市220KV双堰变电站开关柜光纤光栅测温系统 技术方案 四川安普光控科技有限公司 二〇一三年十二月
1 概述 电力设备在正常工作时都会产生发热现象。线路、设备等的连接处由于环境影响，加工工艺等原因使连接部分压接不紧、压力不够、触头间的接触部分发生变化等引起接触电阻变大，发热现象会更加明显。长期如此会加速电力设备线路等的老化，引起电力设备的绝缘性能下降，严重的还能触发电弧短路，降低设备使用寿命，引起重大的电力事故。尤其是隔离开关活动的动、静触头部分、主变引线、电缆头发热现象比较突出，故障率高，每年均有此类问题发生。目前监视方法仍靠工作人员定期完成的，费时费力，工作效率极低，而且不能及时发现潜藏的隐患，有些电力设备的焊点与接头位于不便触及的里端，这又给检测人员带来了极大的不便。 光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门崭新的技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而派生的全新概念的传感技术。光纤光栅传感器通过辨析光波长来检测、度量外界物理量的变化。作为传感器家族新成员，光纤光栅传感器具有以下明显的优点： 1) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、安全性好——对电绝缘，适合高电压场所； 2) 灵敏度高，温度精度高，寿命长，综合性能全面优于现有监测手段； 3) 重量轻、体积小、可挠曲，适用于狭小空间； 4) 测量对象广泛，对被测介质影响小； 5) 易于组网，实现远距离分布式测量。 2 系统设计目标 光纤光栅测温系统必须满足： 实施探测开关柜触头温度 准确定位异常温度开关柜地址； 光纤光栅测温系统应能及时、准确的检测开关柜中A,B,C三相电缆头；A,B,C 三相静触头；开关柜内部环境实时温度，温度异常报警信号可通过光纤光栅测 温主机传送给仪表操作室现有的火灾控制器，实现报警并在消防值班室的工控 机显示，也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。
光纤光栅传感技术的特点 桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普
目录 摘要 (1) 引言 (2) 1.光纤光栅制作方法 (2) 1.1光纤光栅的特点 (2) 1.2光纤光栅的分类 (4) 1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性 (4) 1.2.2根据光纤光栅的成栅机理 (5) 1.3光栅光纤的制备 (6) 1.4成栅的紫外光源 (7) 1.5成栅方法 (8) 1.5.1短周期光纤光栅的制作 (8) 1.5.2长周期光纤光栅的制作 (10) 2光纤光栅的应用 (11) 2.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (13) 2.1.1有源器件 (13) 2.1.2无源器件 (13) 2.2可见光纤光栅的应用 (13) 2.2.1光源 (14)
2.2.2光纤放大器 (15) 2.2.3色散补偿器 (15) 2.2.4光分插复用器（OADM） (16) 2.2.5光终端复接器（OTM） (17) 2.2.6波长交换 (18) 3发展前景展望 (19) 参考文献 (21)
摘要：近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，而且光纤光栅的制作技术与其应用领域有着密切的联系。本文主要综述了光纤光栅的制作技术及其一些特种光栅制作方法的最新进展。 为了介绍各种光光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了光纤光栅的光学特性，光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。对于光纤的制作技术，分别说明了短周期光纤光栅（FBG），长周期光纤光栅（LFPG）的各种写入方法，啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独到的优势而备受关注，因此，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐述。并比较了各自的优缺点。 目前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM）、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案。本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。 关键词：光纤光栅成栅机理光纤无源器件全光通信
测温原理 光源发出的光经放大后，由光纤到达传感器热敏材料部分；每一个传感器反射回一个与自身温度相对应的窄谱脉冲光信号；信号处理部分对返回信号列进行滤波采样和分析，从而确定每一个传感器的温度。 主要应用于：①开关设备②石化油罐③电缆接头④开关端子⑤变压器⑥地铁、公路隧道⑦发电机组⑧母排…… 激光器射出一束光，通过光学模块调制后进入感温光纤，通过检测光纤中反射光的信息可得出沿光纤各处分布的温度信号。同时由于光速为一常数，通过分析光束返回的时间，就可以定位具体的事故发生点。 主要应用于：①电缆桥架②电缆沟③高压输电线④油罐⑤石油、天然气管道⑥地铁、公路隧道⑦矿井……点式测温与分布式测温的特点 点式测温分布式测温 可以精确定位到某一“点”，精度更高。绝缘性好，不存在引起短路问题，测量方式更直接,可以直接安装在带电敏感部位，温度异常马上报警。连续测温，整个监测过程是连续的。一根光纤既做传感器又同时做传输载体，安装更简单、施工更方便。 可以同时监测多个点的温度，对温度变化判断的准确性更高，响应速度快由于使用场合对安全性要求高，发生事故带来的损失大，应用此系统可以带来更大的经济效益。 体积小，在带电距离短、使用空间狭小的环境下更有优势！传输距离远，在距离较长，空间广阔的环境下更有优势，距离越长性价比越高。 不怕电磁场干扰，可用在高电压场所，走线布置非常灵活、美观。 本质安全可靠，没有电信号，不存在产品本身的防暴、引起火源问题。 光纤由石英材质制作，耐腐蚀性强，可在室外环境使用数十年，经久耐用。 安装施工周期短、费用小，甚至可以运行时安装。 光纤测温与传统测温方式的技术比较 性能对比分布式光纤光纤光栅测温电缆 工作原理 激光在光纤中传播时会发生 拉曼散射，反射回两种不同波长 的Stokes光和Antistokes光， 通过对比两束光的强度就可以 计算出温度沿光纤的分布曲线。 利用布喇格光栅的温度敏 感性能够实时探测光纤光 栅探测点的温度变化情况。 由两根弹性钢丝分别包 敷热敏材料，绞对成型而 制成。当上升到额定动作 温度时，其钢丝间热敏绝 缘材料造成短路从而发 出报警。 探测器形式线状线状点式（光缆串接光栅）线状 温度显示可以显示沿线分布温度显示各测量点温度不能测量温度 测温范围-20～100℃-20～220℃固定温度，分68℃、78℃、88℃、98℃、108℃等几级
光纤光栅传感技术的发展及应用 单嵩 北京工业大学应用数理学院 000612班 指导教师：王丽 摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。 关键词光纤，光栅，传感器 一、引言 光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm 。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。 目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向: 一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。 二、光纤光栅传感技术原理 1、光纤Bragg 光栅的应变响应机理
光纤光栅 光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。 光纤光栅可与光纤完全兼容，不存在集成波导光栅与光纤的耦合问题。光纤光栅的出现，使许多复杂全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。 3.3 光纤光栅传感器的工作原理 1989年Morey等人首先对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了研究。应力影响由光弹效应导致折射率变化和形变使光纤光栅周期变化引起，温度影响由热光效应使有效折射率改变和热膨胀效应使光栅周期变化引起。 光纤光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应力或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长变化。由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。即采用波长调制方式，将被测信息转化为特征波长的移动。实验测定，布拉格波长在1550nm附近的光纤光栅的应力和温度响应分别为1.2nm/με和1.0nm/。 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的波长光被反射，于是有 （3-1）式中：为导模的有效折射率，为光纤栅格周期。 符合布拉格条件的反射光波长的移位为 （3-2）3.3.1 温度响应 当只考虑温度影响时，有 （3-3）式中：为热膨胀系数，为热光系数。且有
（3-4） （3-5）对于掺锗石英光纤，取；的范围内，取 ，在时，取。 3.3.2 应变响应 当只考虑应力影响时，有 （3-6）式中：为轴向应变，是泊松比，p是光纤光栅应变灵敏度系数。 对于掺锗石英光纤，p取0.22，则 （3-7）实际应用中，是个很小的量，可以引入作为应变度量单位。 3.3.3 光纤光栅传感器性能指标 传感器波长：FBG反射谱中的尖峰的中心波长，大多FBG传感系统工作在50nm （1520nm~1570nm）窗口范围内。 传感器带宽：FBG反射谱中的尖峰下降3dB时对应的波长宽度。带宽越小，测量精度越高。实际的制作工艺可达到0.2nm~0.3nm之间，通常取0.25nm。 反射率：返回测量系统的光功率占原始光功率的百分比，决定信号强度。边模抑制：决定信噪比。 3.3.4 光纤光栅传感器的特点 光纤光栅与光纤之间存在固有的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感。且具有抗腐蚀、抗电磁干扰、频带宽、重复性好、多只光栅时分、波分复用方便及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等特点。波长编码保证了检测到的光频谱取决于光源和布拉格光栅的频谱，对电磁场以及布什加在光栅上的应力、温度等都不敏感。 光纤光栅传感器使用于特殊结构的传感网络，如水坝寿命监测、桥梁缺陷监测、大型运输载体的复合材料在不破坏材料性质基础上对多种物理量的多点分布测量等。