什么是布拉格光纤光栅传感器？

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布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器，它和光纤传感器一样，与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点，如：不受电磁干扰,重量轻，体积小，不受腐蚀等。
一、布拉格光纤光栅传感器的特点
1978年加拿大握太华通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,并采用驻波法制成世界上第一只光纤光栅。但是由于这种刻写方法的效率很低且灵活性差,在光纤光敏性被发现后的十年内未引起很大的注意。直到1989年,美国联合技术研究中心的GMetlz等人利用高强度的紫外激光所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中的折射率调制,即形成光纤光栅。这种刻写方法效率高,且灵活性好,可以刻写不同周期的光纤光栅。横向写入法的发明使光纤光栅技术取得了突破性的进展,此后的十多年里,光纤光栅一直是光纤通信和光纤传感领域的研究热点之一。
布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器,它和光纤传感器一样,与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。且由于它是波长编码的,使得它与传统的光纤传感器相比,又有许多优点,如:精度不受光源强度影响,受环境影响小,更加容易复用和实现分布式传感等。利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强,重量轻,体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量,因而是最有希望的智能传感网络技术。
光纤光栅传感器的应用范围非常广,民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用的一个热点,在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。基础结构的状态,力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行准分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中,光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。
航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的传感器超过100个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高等优点,将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中,组成准分布式智能传感网络,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。
布拉格光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息,进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全。现代船用传感器中多达90%是压力或温度传感器,通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感器,利用波分和时分复用原理,一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个,从而适应不断增加的舰载控制系统的复杂性,并有效的降低传感系统的成本。
电力工业中的设备大都处在强电磁场中,一般电学传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中,如高压开关的在线监测,高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量,这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件,光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方,如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站,使用准分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。
小尺寸的传感器在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的光纤传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。
核工业存在高辐射,核泄漏对人类是一个极大的威胁,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的传感器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网络来监视核废料站的状况,对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的,而光纤光栅传感网络可以满足这些要求。
除了以上应用外,光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用,例如:
(1)加速度计可用于很多工程的测量,如振动、入射角、事件记录、平台稳定性、车辆暂停控制、地震监测、以及起搏器控制等,用光纤光栅传感器制作的加速度计表现出良好的性能。
(2)用光纤光栅制作的水声器用来测量水下声场,可以实现很好线性响应、高灵敏度、高稳定性、宽的动态范围(90dB)和宽的操作频率范围(从凡kHz到凡MH)z。
(3)用光纤光栅制作的机械工具系统结构形变监测传感器,可以探测到实用结构微米量级的形变,其误差为0.4%。
二、布拉格光纤光栅传感研究进展
由于布拉格光纤光栅传感器具有以上许多不可替代的优点以及广泛的应用前景,自从横向紫外曝光刻写技术面世以来,布拉格光纤光栅传感器得到了学术界和产业界的广泛关注,在短短的十凡年内得到了飞速发展,针对布拉格光纤光栅智能传感网络的实用化研究和应用已经取得了一些进展，这主要集中在以下几个方面:
布拉格光纤光栅传感器的波长解调技术
光纤光栅传感器经过十余年的研究与发展，至今己经出现了许多波长解调技术。在实验室，波长解调可以用高精度的光谱仪来实现，但是由于光谱仪的价格昂贵，而且体积大，不适于实际应用，所以需要结构紧凑，成本低的解调系统。具体解决方案主要包括宽带光滤波法可调谐窄带滤波器法，光干涉法，激光器扫描法。成像光谱分析法等。这些方法有着不同的分辨率和动态范围，针对不同的应用选择相应的解调方案，可以很好的适用于各种实际应用。
1)宽带光滤波法
该方法通过宽带光源发出的宽带光:经隔离器，3DB锅合器后，到传感光栅反射滤波，反射回窄带光，再经过宽带滤波器(WDM祸合器)，由于宽带滤波器的滤波特性与波卜轰有关，则反射光经滤波后探测到的能量与波长有关，再通过相应的电子信号处理就能检测出FBG中心波长的偏移量。这种方案实现简单，但是精度比较低，波长分辨率大概10pm左右。
2)可调谐窄带滤波器法
该方法中，由LED发出的宽带光，经祸合器到达FBG传感器阵列，到达FBG反射回来的窄带光再经可调谐F-P滤波器滤波，当传感FBG的中心波长与F-P滤波器透射中心彼长一致时，透射光能量最大，通过动态调谐F-P滤波器的透射波长来动态“跟踪7T传感光栅的中心波长，就可以实现中心波长偏移量的解调。这种解调方案精度较高，由于工作在波长扫描方式，那么只要扫描范围足够大，就很容易在一根光纤上复用多个FBG，但这种方案的扫描频率不是很高，不适合高速率的动态传感。
3)光干涉检测法
该方法检测光纤光栅传感器波长移动是通过一非平衡光纤Mach一Zehnder干涉仪来实现的。宽带光源发出的光经过祸合器入射到传感FBG上，被FBG反射的光再通过藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉仪。这样，被FBG反射的这部分光就有效地转化为干涉仪的入射光源，由传感光纤光栅扰动引入的波长移动也就成为此光源的波长(光频率)调制信号。由于干涉仪输出的相位对非平衡千涉仪的输入波长存在着固有的依赖关系，布拉格彼长的移动就转换为相位的变化，再通过检a}n}干涉仪输出光的相位的变化就可以得到布拉格波长的移动情况。
4)可调谐扫描激光器法
可调谐扫描激光器法主要是通过可调谐激光器的波长可调谐性来动态跟踪传感FBG的中心波长。
5)CCD成像光谱分析法
在CCD成像光谱解调系统中，波长分到提通过个色散元件叻口棱镜或光栅)来实现的，色散元件把波长转变为CCD探测器阵列的像元位置，这样就把测量光谱线的问题转化为判断光斑所在像元的问题。通常由于FBG的光谱中心分布在几个相令巧的像元上，所以要准确检测中心波长的位置，还必须采用相应的算法来实现。CCD成像光谱法有才民大的局限性，即实用的CCD波长响应范围在900nm以下，所以只能对中心波长在900nm以下的光栅传感器解调。
三、布拉格光纤光栅传感器应变温度分辨
由于布拉格光纤光栅的中心波长同时受到温度和应变的影响，所以传感具体参量的时候必须通过相应的方法把这两个效应区分开。布拉格光纤光栅的温度和应变灵敏度如表经过研究,已经提出了许多方案来实现温度和应变的同时检测,主要包括以下方法：
(1)参考FBG法
这种方法的原理是引入一个参考FGB,使其不受应变影响而只受温度影响,同时这个参考FGB和传感FGB处于相同的环境,这样就可以通过这个参考FGB来检测出温度,再从传感FGB总的波长偏移量中除去参考FGB的温度影响,就可以把温度和应变区分开。
(2)蚀刻FBG法
这种方法通过蚀刻FGB,刻有FGB的那段光纤的芯径尺寸呈线性递减关系,这样当对其轴向施加均匀应力时,沿轴向的应变也是呈线性关系,这样就导致了惆啾,即反射带宽的变化,而温度对其影响只是使其中心波长偏移,而不改变带宽,也就是带宽是温度不敏感的,通过检测带宽的变化就可以把温度效应导致的误差除去。但是这种方法的缺点是减小了光纤的强度,也即减小了传感的范围。
(3)双波长FBG法
这种方法的原理是通过在光纤的同一个位置写入两个波长不同的FGB,然后检测这两个不同波长的偏移量来分辨温度和应变。因为温度和应变导致的布拉格波长的偏移量由式
(4)FBG谐波法
FGB谐波法和上面的双波长FGB法原理是一样的,只是这里用的是FGB的二次谐波而不是两个波长不同的FGB,当FGB的反射率很高时,折射率的调制有可能不是很好的正弦调制,从而导致了二次谐波的产生,而这两个谐波的温度和应变灵敏度不同,通过矩阵法就可以同时检测温度和应变。
(5)FBG和长周期光纤光栅(LpG)混合检测
通过实验发现,长周期光纤光栅(LpG)的温度和应变灵敏度和FGB有着较大的差异,因此如果精确知道FGB和LGP的温度和应变灵敏度的话,就可以通过结合FBG和LGP实现温度和应变的分辨。这种方法的缺点是:长周期光栅的带宽大容易影响测量精度和复用能力;而且长周期光栅的长度较长,埋设进材料后受非均匀应变场的影响很大,从而降低测量精度。
除了以上凡种典型的应变温度分辨方法外,还有采用取样布拉格光纤光栅等方法,但是真正能实用的分辨技术还有待进一步研究。
四、布拉格光纤光栅传感器的封装埋设技术
光纤传感器的研究重点方向就是所谓的“智能材料结构”,即可以实时采集材料结构自身的受力,温度等参数,来实现对材料整体性能的智能检测。在“智能材料”这方面,光纤光栅传感器有很好的潜力,非常适用于这种准分布式传感应用,因为光纤光栅是波长编码的,在材料中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为传感元件,再通过使用波分复用和时分复用技术就可以实现成百上千传感点的准分布式传感,就可以实现“智能材料结构”,而正确的埋设方法也是其中的一个重要环节,研究者对布拉格光纤光栅传感器的封装与埋设也做了大量的研究,主要集中在以下方面:
(1)传感光栅的保护问题
由于光纤光栅实际上是一段光纤,所以它在剪切力的作用下很容易断,所以在埋设的过程中须对它采取相应的保护措施,进行相应的封装。
(2)传感光栅与材料之间的应力传递的建模
在应力传感过程中,传感光栅是埋设入材料中的,所以应力并不是直接作用在传感光栅上的,这就意味着在材料和光栅之间存在一个力的传递问题,这是提高传感准确度的一个重要方面。这就需要利用材料力学的知识建立适当的模型进行分析,更精确的分析还要采用有限元分析法。
(3)多轴应变的产生的影响
对于光纤光栅的埋设,光栅上受到的应力有可能是多个方向的,除了轴向应力还有横向应力,横向应力会使光纤产生双折射现象,也即导致了原来的单峰反射谱分裂成两个反射峰,这就给中心波长的准确检测带来了一定的困难。
由此可见，光栅的埋设技术是非常复杂的，如果需要准确传感，需要考虑的因素非常多，其中包括光栅的保护，材料与光栅之间应力的传递，应力引起的双折射效应以及非均匀应力引起的光谱展宽等等。