光纤传感器的原理性研究

1、光纤布拉格光栅

 

光纤布拉格光栅FBG于1978年问世，这种简单的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，图1描述了光纤光栅的基本原理。常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长(λB)条件可以由式（1）表示：

式中，∧—光栅周期；
n—折射率。

当宽谱光源入射到光纤中，光栅将反射其中以布拉格波长lB为中心波长的窄谱分量。在透射谱中，这一部分分量将消失，lB随应力与温度的漂移为 [2]：

（2）

其中，ε—外加应力；
Pi,j—光纤的光弹张量系数；
ν—泊松比；
α—光纤材料（如石英）的热膨胀系数；
△F—温度变化量。

上式中： 因子典型值为0.22。因此，可以推导出在常温和常应力条件下的FBG应力和温度响应条件如式下： 1pm的波长分辨率大致对应于1.3mm处0.1℃或1me的温度和应力测量精度。

光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点之外，还拥有自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用的特点。

 

光栅传感器可拓展的应用领域有许多，如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测；光栅也可以代替其它类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。
长周期光栅是指周期大于100mm的光栅，也是继FBG之后光纤光栅型传感器的另一个重要分支。由于测量利用包层膜耦合的原理，使其同时具备灵敏度优良和制作简便的优势。光纤光栅的其它分支还包括啁啾光栅、斜光栅等，它们也已付诸应用研究。

 

2、分布式光纤传感系统

在世界范围内，由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高，对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的。分布式光纤传感系统通常有三种类型：拉曼型、布里渊型和FBG型。

拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器。三种类型的传感系统的应用都已见诸于报道。其中尤以拉曼型分布式传感系统最为成熟，已成功地装载于A340运输机上。FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独到的优点，并可同时完成温度和应力的双参量测量，为FBG应用开辟了更为广阔的前景。