光纤光栅及其在传感技术中的应用

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　ｉｎ　Ａｒｅａｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　惫　光纤光栅及其在传感技术中的应用　须　莹　（黑龙江工程学院机电工程系，黑龙江哈尔滨１５００５０）　摘要：主要对光纤光栅的工作原理进行了阐述，并着重以光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器为例介绍了这一新兴科技在传感　器技术中的应用，特别阐述了光纤光栅传感器在民用结构中的用途，从而指出了光栅传感器目前最热门的研究方向　是光栅传感器的实际应用研究。　关键词：光纤光栅；光敏特性；传感器；Ｂｒａｇｇ　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８　５６９６（２００７）０３—００６６—０２　Ｆｉｂｅｒ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ　ＸＵ　Ｙｉｎｇ　（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｅｌｅｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｉｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｅｘ—　ｐｏｕｎｄｅｄ　ｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｃｉｖｉｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎａｔｅ　ｔｏ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ；Ｌｉｇｈｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；Ｓｅｎｓｏｒ　光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结　吸收、散射等光学特性，出现折射率的变化；另外，在光照射　构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。根据特定的光栅　过程中，光纤材料结构释放诱导应力以及构形的畸变等也导　结构，光纤光栅可以制成滤波器、反射器、色散补偿器满足各　致了折射率的变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波　种光纤通信要求的有源和无源器件。由于光纤光栅器件易　段。最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发　于与光纤连接，对偏振不敏感（适应光纤中光偏振态的随机　现，具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并不一　变化），在光纤通信中与其他光波导器件相比有着明显的优　定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有时根据需要　势。光纤中的光敏特性于１９７８年由　ｌｌ等人＿ｊ　首次发现并　为了加大折射率的变化程度，就会选用高掺杂的光纤。　成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，１９８９年Ｍｅｌｔｚ＿２　１．２光纤光栅工作原理及特性　提出的横向写入制造方法及Ｈｉｌｌ等人＿３　于１９９３年提出的相　光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构　位掩膜制造法使光纤光栅的制造技术得到重大发展，光纤光　两类。在亚微米级实现周期结构比较容易，但要实现非周期　栅的灵活的大批量的制造成为可能。之后，光纤光栅器件逐　结构则有很大的局限性，非周期结构一般由周期结构经某种　步走向实用化。本文将介绍光纤光栅器件的形成机理、制造　方式演变而来。周期结构器件制造简单，其特性受到；　方法及工作原理，并探讨光纤光栅器件在传感器技术上的应　非周期结构制造困难，其特性容易满足各种要求。光纤光栅　用。　从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补　１　光纤光栅的工作原理　偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅。光纤光栅从本质　上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定　１．１光纤的光敏特－陛　频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到　光纤光栅是基于光纤的光敏特性制成的。所谓光纤的　前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特　光敏特性是指光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变　定的透射和反射光谱特性。光纤光栅中，光场与光波导之间　化的特性。光纤的这种光致折射率变化具有稳定性，可保持　的相互作用可用耦合模理论来描述。图１所示为最简单的　永久性不变。因而利用紫外光就可以将一些特定的光波导　具有正弦结构的滤波型光纤光栅，它在光纤光栅中传输的前　结构写入光纤中，形成光纤型光波导器件。光纤光敏特性的　向和后向两种模式间的耦合波方程为　动力学机理现在尚未完全研究清楚，较为普遍的观点是由于　诱导光（紫外光）的作用，光纤中原子的某些键被破坏，产生　ｆ　一ｉｋＡ　ｅＸｐ（　），　的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而改变了光纤的　ｌ　＝　Ａ＋ｅｘｐ（ｉＡｌｆｚ）．　收稿日期：２００６—１ｌ　２４　式中：Ａ＋、Ａ为入射波和反射波的复振幅，△』９＝』９＋一』９　作者简介：须莹（１９６９～），女，讲师，研究方向：传感器　２７ｒ／Ａ，Ａ为光栅周期，卢＋、卢一为入射波和反射波的传播常　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　须莹，等：光纤光栅及其在传感技术中的应用　・６７・　数，Ｋ＝　＆／ａＢ是耦合系数，　为折射率调制深度，也就是　正弦光栅的幅度，一般情况下为１０一～１０　量级。旭＝　包括桥梁、水坝、管线、隧道、矿场、核存储容器、天然气压力　灌、建筑物、道路等。传感器可外加于结构表面或嵌入混凝　２”　Ａ为布拉格波长，ｎ４ｆ为有效模折射率。　Ａ＋ｆＯ、　Ａ—ｆＯ、　．－一　一ｆ上、　图１光纤布拉格光栅示意图　２　光纤光栅在传感技术中的应用　２．Ｉ光纤光栅温度传感器　光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器的基本原理是　：当光栅周围的　温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅　周期或纤；　｝斤射率的变化，从而产生光栅Ｂｒａｇｇ信号的波长　位移，通过监测Ｂｒａｇｇ波长位移情况，即可获得待测物理量　的变化情况。光纤光栅传感器的基本工作原理如图２所示。　输送　Ｌ　茬惹　棺号　宽带光源　鼙丽　口　～一　则　图２光纤光栅传感器的原理　光栅的Ｂｒａｇｇ波长　。由下式决定　Ｂ＝２ｎＡ．　式中：以为光栅间隔或周期，”为芯模有效折射率。当宽光　谱光源照射光纤时，由于光栅的作用，在Ｂｒａｇｇ波长处的一　个窄带光谱部分将被反射回来。反射信号的带宽与几个参　数有关，特别与光栅长度有关，在多参数传感器应用中，典型　的光栅反射带宽是０．０５－－０．３　ｎｍ。　由于应变、温度变化对光栅产生的扰动将导致器件　Ｂｒａｇｇ波长的位移，Ｂｒａｇｇ波长随应变和温度的位移为　Ａ；ｔＢ＝２ｈＡ｛｛１一（”　／２）ｌＰ１２一　ｖ（Ｐ１１＋尸１２）］￡＋ａ＋（ｄｎ／ｄｔ）　｝△丁．　式中：ｅ为外加应变，Ｐ　为光弹性张量的普克尔压电系数，　ｖ为泊松比，ａ为光纤材料的热膨胀系数，△Ｔ为温度变化　量。因此，通过波长位移测量即可获得应变和温度的变化数　据。　２．２民用结构　光纤光栅传感器的复用阵列可广泛地用于民用结构中，　土结构中。　在民用建筑领域，嵌入式传感器的应用可分为：结构监　测和损坏检测；实验应力分析；系统和服务设施的管理和控　制。首先，光纤光栅传感器被嵌入混凝土结构组件，诸如梁　架、圆柱、弧形平板和其它形状组件中，以便使混凝土中的应　力、应变、弯曲、固化、裂缝和滑坍等得到实时监测，同时可测　量结构整体的位移、倾斜和弯曲。　在实验应力分析领域，光纤可制成灵敏的、多用途的传　感器，用于在实验研究中测量结构成员的力学性能，利用这　些信息，可确定更精确的设计因素，使结构设计更安全，建设　费用更经济。这对于形状复杂，难于获得分析解的结构和组　件特别有用。例如利用光纤传感器网嵌入机场跑道，检测飞　机着陆和起飞期间跑道道面的应力。用这种形式获得二维　应力分布图，这对道面的重新设计和维护都是有益的。　应用的第三方面主要考虑建筑物服务设施，如供暖、空　调、电分布和消耗、保安、火警等，利用光纤传感器监测适当　参量的工作状态，可使他们工作在更有效和更经济的状态　下，以便于构成“灵巧建筑”。　３　结　论　在光纤光栅传感器领域最近的发展趋势表明，比较热门　的研究方向大致可分为４个方面。①对传感器本身的研究　能进行横向应变感测的传感器是一个重要内容。②高灵敏　度、高分辨率且能同时感测应变和温度变化的传感器也是研　究的热点。③对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统　的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技　术。④目前最热门的研究方向是光栅传感器的实际应用研　究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。　参考文献　［１］ＨＩＬＬ．Ｋ　Ｏ　ｅｔａ［．Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｖｅｇｕ￣ｄｅｓ：ａｐ—　ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９７８（３２）：６４７—　６４９．　［２］ＨＩＬＬ，Ｋ．０．Ｍｅｌｔｚ．Ｇｅｒａｌｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｕｎｄａ—　ｍｅｎｔａｌｓ　ａｎｄ　ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏ１．，１９９７（１５）：１２６３—　１２７６．　［３］ＭＥＬ，ＴＺ，Ｇ．ｅｔａ１．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇｓ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ　ｂｙ　ａ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，１９８９（１４）：８２３　８２５　［４］李ＪｌＩ，吴晟等．贴片式光纤Ｂｒａｇｇ光栅应变传感器［Ｊ］．仪表技术　与传感器，２００５（７）：３—４．　［５ｊ原荣光纤光栅及其在光通信中的应用［Ｊ］．激光技术，２０００，２４　（３）：１７４—１７９．　［责任编辑：陈克］