细说光纤布拉格光栅理念与技术特征 - 安防知识网

　　利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。

　　当今光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。在此以光纤布拉格光栅传感器及其网络技术为典例作说明。

　　应用光纤布拉格光栅传感器对与温度和应变相关的物理量进行测量是目前监控领域中先进的传感技术之一。

　　目前，在结构变形和温度监测中，普遍采用周期Λ<1μm的短周期光纤光栅传感器，其反射波长人称为布拉格(Bragg)波长，这种传感器称为FBG传感器。

　　图1 光纤布拉格光栅传感器的结构原理

　　光纤布拉格光栅传感器的结构原理如图1(a)所示。光纤布拉格光栅传感器的结构是利用紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光Li通过传输光纤射入时，在光栅处有选择的反射回一个窄带光Lr，其余宽带光Lt继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光栅处进行反射，多个光栅阵列形成光纤布拉格光栅(FBG)传感网络。各FBG反射光的中心波长为λ，λ=2nΛ，式中，n为纤芯的有效折射率;Λ为纤芯折射率的调制周期。

　　作用在FBG传感器结构上有入射光谱与反射光谱及透射光谱等3种光谱。而反射回来的窄带光的中心波长随着作用于光纤光栅的温度和应变成线性变化，中心波长的变化量为Δλ。

　　而图1(b)与图1(c)为光纤光栅传感器的运作特征示意图。

　　对于光纤光栅反射中心波长(短周期光纤光栅)或透射中心波长(对长周期光纤光栅)与介质折射率有关，在温度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化，即其变化量与应变量及温度变化相关。

　　基于FBG传感网络的分析仪可根据λ=2nΛ，可以在反射光中寻址到每一个光栅传感器。根据变化量Δλ并利用参考光信息可以解调出被测量的温度和应变值。将FBG附着于材料性能和几何尺寸确定的机械结构上还可以制造基于应变的力传感器、位移传感器和振动传感器等。

　　采用FBG作为温度和应变测量的敏感元件最显而易见的优势就是实现全光测量，监测现场可以没有电气设备，不受电磁干扰。另一个最主要的优势是被测量用波长这种绝对量编码，不易受外部因素干扰，因而稳定性和可靠性极好。FBG传感器可以经受几十万次循环应变而不劣化，测量应变可以精确到。同时由于单路光纤上可以制作上百个光栅传感器，特别适合组建大范围测试网络，实现分布式测试。

　　则光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。

　　基于FBG传感网络的分析仪的基本架构

　　通常用于信号解调的光源、可调谐腔、探测器和信号处理与控制模块以及其它的相关光路元件通常集成在一个设备里，称做光纤光栅传感网络分析仪。而FBG传感器将被测量的物理量转换为波长信号，其FBG传感网络分析仪将波长转变为被测量的物理量。光源为宽谱光源(ASE)且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50-100μW。此光源经光转换开关接通标准波长信号和FBG传感器。FBG传感器反射回的光经过3dB耦合器引入到可调谐腔中，滤波后再由光探测器转换为电信号，接入A/D转换器，信号被模数转换后由信号处理进行分析处理得到温度或应力被测量等物理量。

　　其中可调谐腔作用是能直接将波长信号转换为电信号，它是FBG波长解调的关键部件，可调谐腔体积小、价格低、灵敏度高、光能利用率高，是一种很有工程实用价值的方法。压电换能器在外加电动势的作用下可产生形变，给压电换能器施加一个扫描电压使其产生伸缩，驱动可调谐腔长变化，从而使可调谐腔的透射波长随之发生改变。若入射光波长与可调谐腔的透射波长重合，则探测器能探测到最大光强。

　　从宽谱光源出射的光经由光转换开关与光耦合器后分别到达相应通道的光纤光栅传感器阵列。由于光纤光栅是以波长编码的方式实现传感测量，因此在传感网络中可以采用光开关切换各个通道，互相并无串扰。各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，从而有效的利用了频带资源。各传感器反射回来的波长信号经过耦合器和可调谐腔后被光电探测器接收。当传感器阵列中某个传感器所处的环境(如温度场、应变场等)发生改变时，该传感器的中心波长就会发生漂移(一般为线性变化);这种波长的微小漂移被探测、采样又将模拟量送到A/D转换并进入信号处理模块进行计算分析，从而得到传感器的相关温度或应力等参量的测量结果。