布拉格光纖光柵傳感器2 布拉格光纖光柵傳感研究進展

由于布拉格光纖光柵傳感器具有以上許多不可替代的優(yōu)點以及廣泛的應用前景,自從橫向紫外曝光刻寫技術(shù)面世以來,布拉格光纖光柵傳感器得到了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,在短短的十凡年內(nèi)得到了飛速發(fā)展,針對布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)絡(luò)的實用化研究和應用已經(jīng)取得了一些進展，這主要集中在以下幾個方面:

布拉格光纖光柵傳感器的波長解調(diào)技術(shù)

光纖光柵傳感器經(jīng)過十余年的研究與發(fā)展，至今己經(jīng)出現(xiàn)了許多波長解調(diào)技術(shù)。在實驗室，波長解調(diào)可以用高精度的光譜儀來實現(xiàn)，但是由于光譜儀的價格昂貴，而且體積大，不適于實際應用，所以需要結(jié)構(gòu)緊湊，成本低的解調(diào)系統(tǒng)。具體解決方案主要包括寬帶光濾波法可調(diào)諧窄帶濾波器法，光干涉法，激光器掃描法。成像光譜分析法等。這些方法有著不同的分辨率和動態(tài)范圍，針對不同的應用選擇相應的解調(diào)方案，可以很好的適用于各種實際應用。

1)寬帶光濾波法

該方法通過寬帶光源發(fā)出的寬帶光:經(jīng)隔離器，3DB鍋合器后，到傳感光柵反射濾波，反射回窄帶光，再經(jīng)過寬帶濾波器(WDM禍合器)，由于寬帶濾波器的濾波特性與波卜轟有關(guān)，則反射光經(jīng)濾波后探測到的能量與波長有關(guān)，再通過相應的電子信號處理就能檢測出FBG中心波長的偏移量。這種方案實現(xiàn)簡單，但是精度比較低，波長分辨率大概10pm左右。

2)可調(diào)諧窄帶濾波器法

該方法中，由LED發(fā)出的寬帶光，經(jīng)禍合器到達FBG傳感器陣列，到達FBG反射回來的窄帶光再經(jīng)可調(diào)諧F-P濾波器濾波，當傳感FBG的中心波長與F-P濾波器透射中心彼長一致時，透射光能量最大，通過動態(tài)調(diào)諧F-P濾波器的透射波長來動態(tài)“跟蹤7T傳感光柵的中心波長，就可以實現(xiàn)中心波長偏移量的解調(diào)。這種解調(diào)方案精度較高，由于工作在波長掃描方式，那么只要掃描范圍足夠大，就很容易在一根光纖上復用多個FBG，但這種方案的掃描頻率不是很高，不適合高速率的動態(tài)傳感。

3)光干涉檢測法

該方法檢測光纖光柵傳感器波長移動是通過一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來實現(xiàn)的。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過禍合器入射到傳感FBG上，被FBG反射的光再通過藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣，被FBG反射的這部分光就有效地轉(zhuǎn)化為干涉儀的入射光源，由傳感光纖光柵擾動引入的波長移動也就成為此光源的波長(光頻率)調(diào)制信號。由于干涉儀輸出的相位對非平衡千涉儀的輸入波長存在著固有的依賴關(guān)系，布拉格彼長的移動就轉(zhuǎn)換為相位的變化，再通過檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波長的移動情況。

4)可調(diào)諧掃描激光器法

可調(diào)諧掃描激光器法主要是通過可調(diào)諧激光器的波長可調(diào)諧性來動態(tài)跟蹤傳感FBG的中心波長。

5)CCD成像光譜分析法

在CCD成像光譜解調(diào)系統(tǒng)中，波長分到提通過個色散元件叻口棱鏡或光柵)來實現(xiàn)的，色散元件把波長轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD探測器陣列的像元位置，這樣就把測量光譜線的問題轉(zhuǎn)化為判斷光斑所在像元的問題。通常由于FBG的光譜中心分布在幾個相令巧的像元上，所以要準確檢測中心波長的位置，還必須采用相應的算法來實現(xiàn)。CCD成像光譜法有才民大的局限性，即實用的CCD波長響應范圍在900nm以下，所以只能對中心波長在900nm以下的光柵傳感器解調(diào)。

1978年加拿大握太華通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性,并采用駐波法制成世界上第一只光纖光柵。但是由于這種刻寫方法的效率很低且靈活性差,在光纖光敏性被發(fā)現(xiàn)后的十年內(nèi)未引起很大的注意。直到1989年,美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的GMetlz等人利用高強度的紫外激光所形成的干涉條紋對光纖進行側(cè)面橫向曝光來產(chǎn)生光纖纖芯中的折射率調(diào)制,即形成光纖光柵。這種刻寫方法效率高,且靈活性好,可以刻寫不同周期的光纖光柵。橫向?qū)懭敕ǖ陌l(fā)明使光纖光柵技術(shù)取得了突破性的進展,此后的十多年里,光纖光柵一直是光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點之一。

布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一樣,與傳統(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的優(yōu)點,如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。且由于它是波長編碼的,使得它與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比,又有許多優(yōu)點,如:精度不受光源強度影響,受環(huán)境影響小,更加容易復用和實現(xiàn)分布式傳感等。利用光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)復用能力強,重量輕,體積小等優(yōu)點,埋入監(jiān)測材料中可以方便地實現(xiàn)準分布式測量,因而是最有希望的智能傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

光纖光柵傳感器的應用范圍非常廣,民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器應用的一個熱點,在橋梁、建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程都可以進行實時安全的溫度及應變監(jiān)測?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),力學參數(shù)的測量對于橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運動場館的維護是至關(guān)重要的,通過測量建筑物的分布應變,可以預知局部荷載的狀態(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面,也可以在澆筑的時候埋入結(jié)構(gòu)中對結(jié)構(gòu)進行實時測量,監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺陷的形成和生長。另外,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)進行準分布式檢測,傳感信號可以傳輸很長距離送到中心監(jiān)控室進行遙測。因此在民用工程中,光纖光柵傳感器成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測的最重要手段。

航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機翼和方向舵的位置等,所需要使用的傳感器超過100個,因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵傳感器具有體積小,重量輕,靈敏度高等優(yōu)點,將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中,組成準分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò),可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機械性能及外部環(huán)境進行實時監(jiān)測。

布拉格光纖光柵傳感器能夠為現(xiàn)代船舶的操作提供瞬時的和豐富的傳感信息,進而通過提供船舶操作人員所需要的早期危險報警和損傷評估來保證船舶的安全?，F(xiàn)代船用傳感器中多達90%是壓力或溫度傳感器,通過選擇適當?shù)姆庋b和襯底材料可以將光纖光柵應變傳感器轉(zhuǎn)變成溫度和壓力傳感器,利用波分和時分復用原理,一個探測系統(tǒng)的光纖光柵傳感器數(shù)量可以多達數(shù)萬個,從而適應不斷增加的艦載控制系統(tǒng)的復雜性,并有效的降低傳感系統(tǒng)的成本。

電力工業(yè)中的設(shè)備大都處在強電磁場中,一般電學傳感器無法使用。很多情況下需要測量的地方處在高壓中,如高壓開關(guān)的在線監(jiān)測,高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實時測量,這些地方的測量需要傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無源器件,光纖光柵傳感器是進行這些測量的最佳選擇。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到達的地方,如荒山野嶺、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電站,使用準分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的遙測能力可以極大地減少設(shè)備維護費用。因此光纖光柵傳感器在電力工業(yè)中的應用前景很好。

小尺寸的傳感器在醫(yī)學應用中是非常有意義的,光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的光纖傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內(nèi)部測量,提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的損害非常之小,足以避免對正常醫(yī)療過程的干擾。

核工業(yè)存在高輻射,核泄漏對人類是一個極大的威脅,因此對于核電站的安全檢測是非常重要的。由于核裝置的老化,需要更多的維護和修理,最終必須被拆除,所有這些都不能在設(shè)計時預見,因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)備,處理不確定情況。同時核廢料的管理也變得越來越重要,需要有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的狀況,對監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定的要求也是前所未有的,而光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可以滿足這些要求。

除了以上應用外,光纖光柵傳感器在其他方面也有許多應用,例如:

(1)加速度計可用于很多工程的測量,如振動、入射角、事件記錄、平臺穩(wěn)定性、車輛暫?？刂?、地震監(jiān)測、以及起搏器控制等,用光纖光柵傳感器制作的加速度計表現(xiàn)出良好的性能。

(2)用光纖光柵制作的水聲器用來測量水下聲場,可以實現(xiàn)很好線性響應、高靈敏度、高穩(wěn)定性、寬的動態(tài)范圍(90dB)和寬的操作頻率范圍(從凡kHz到凡MH)z。

(3)用光纖光柵制作的機械工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測傳感器,可以探測到實用結(jié)構(gòu)微米量級的形變,其誤差為0.4%。

由于布拉格光纖光柵的中心波長同時受到溫度和應變的影響，所以傳感具體參量的時候必須通過相應的方法把這兩個效應區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和應變靈敏度如表經(jīng)過研究,已經(jīng)提出了許多方案來實現(xiàn)溫度和應變的同時檢測,主要包括以下方法:

(1)參考FBG法

這種方法的原理是引入一個參考FGB,使其不受應變影響而只受溫度影響,同時這個參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)境,這樣就可以通過這個參考FGB來檢測出溫度,再從傳感FGB總的波長偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應變區(qū)分開。

(2)蝕刻FBG法

這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)系,這樣當對其軸向施加均勻應力時,沿軸向的應變也是呈線性關(guān)系,這樣就導致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對其影響只是使其中心波長偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測帶寬的變化就可以把溫度效應導致的誤差除去。但是這種方法的缺點是減小了光纖的強度,也即減小了傳感的范圍。

(3)雙波長FBG法

這種方法的原理是通過在光纖的同一個位置寫入兩個波長不同的FGB,然后檢測這兩個不同波長的偏移量來分辨溫度和應變。因為溫度和應變導致的布拉格波長的偏移量由式

(4)FBG諧波法

FGB諧波法和上面的雙波長FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個波長不同的FGB,當FGB的反射率很高時,折射率的調(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)制,從而導致了二次諧波的產(chǎn)生,而這兩個諧波的溫度和應變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時檢測溫度和應變。

(5)FBG和長周期光纖光柵(LpG)混合檢測

通過實驗發(fā)現(xiàn),長周期光纖光柵(LpG)的溫度和應變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應變靈敏度的話,就可以通過結(jié)合FBG和LGP實現(xiàn)溫度和應變的分辨。這種方法的缺點是:長周期光柵的帶寬大容易影響測量精度和復用能力;而且長周期光柵的長度較長,埋設(shè)進材料后受非均勻應變場的影響很大,從而降低測量精度。

除了以上凡種典型的應變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實用的分辨技術(shù)還有待進一步研究。

光纖傳感器的研究重點方向就是所謂的“智能材料結(jié)構(gòu)”,即可以實時采集材料結(jié)構(gòu)自身的受力,溫度等參數(shù),來實現(xiàn)對材料整體性能的智能檢測。在“智能材料”這方面,光纖光柵傳感器有很好的潛力,非常適用于這種準分布式傳感應用,因為光纖光柵是波長編碼的,在材料中不同的監(jiān)測點埋設(shè)不同波長的光柵作為傳感元件,再通過使用波分復用和時分復用技術(shù)就可以實現(xiàn)成百上千傳感點的準分布式傳感,就可以實現(xiàn)“智能材料結(jié)構(gòu)”,而正確的埋設(shè)方法也是其中的一個重要環(huán)節(jié),研究者對布拉格光纖光柵傳感器的封裝與埋設(shè)也做了大量的研究,主要集中在以下方面:

(1)傳感光柵的保護問題

由于光纖光柵實際上是一段光纖,所以它在剪切力的作用下很容易斷,所以在埋設(shè)的過程中須對它采取相應的保護措施,進行相應的封裝。

(2)傳感光柵與材料之間的應力傳遞的建模

在應力傳感過程中,傳感光柵是埋設(shè)入材料中的,所以應力并不是直接作用在傳感光柵上的,這就意味著在材料和光柵之間存在一個力的傳遞問題,這是提高傳感準確度的一個重要方面。這就需要利用材料力學的知識建立適當?shù)哪Ｐ瓦M行分析,更精確的分析還要采用有限元分析法。

(3)多軸應變的產(chǎn)生的影響

對于光纖光柵的埋設(shè),光柵上受到的應力有可能是多個方向的,除了軸向應力還有橫向應力,橫向應力會使光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,也即導致了原來的單峰反射譜分裂成兩個反射峰,這就給中心波長的準確檢測帶來了一定的困難。

由此可見，光柵的埋設(shè)技術(shù)是非常復雜的，如果需要準確傳感，需要考慮的因素非常多，其中包括光柵的保護，材料與光柵之間應力的傳遞，應力引起的雙折射效應以及非均勻應力引起的光譜展寬等等。

體布拉格光柵共分為四個大類：

(1) 反射式體布拉格光柵 (RBG)；

(2) 透射式體布拉格光柵 (TBG)；

(3) 啁啾體布拉格光柵 (CBG)；

(4) 低波數(shù)陷波濾光片 (BNF) ；

根據(jù)光柵周期的長短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期（Λ<1μm）和長周期（Λ>1μm）兩類。對于短周期的光纖光柵，當光譜光波在其中傳播時，兩個反向傳播的芯模(導模)LP01之間產(chǎn)生能量耦合，形成特定波長為λB的反射波，對于前向傳播的LP01，模β1=β01；對于后向傳播的LP01，模β1=-β01。兩耦合模的傳播常數(shù)差β=2β01較大，這種光柵稱為布拉格光柵。

參閱布拉格衍射.三維光柵，對光的衍射滿足布拉格條件，不僅對方向有選擇性，還對顏色具有選擇性。

為了同時反映空問點陣的周期性及對稱性，需要選取含有陣點(或結(jié)點)數(shù)大于1的復雜陣胞，即底心、體心及面心三種復胞。四類陣胞和七個晶系相結(jié)合，點陣參數(shù)滿足32種晶體對稱類型的條件下，布拉格(A．Bravais)首先證明了只有14種空間點陣存在。由于一個布拉格點陣是由陣胞中任一陣點經(jīng)過一定的平移操作而形成，所以也稱為平移群。有時取簡單六方陣胞三倍的體積為陣胞，用日表示之。如果陣點位于陣胞的前、后面，或左、右面時，則分別用A及B表示。

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深圳捷克布拉格空間設(shè)計公司是一家專為高品味客戶預約設(shè)計服務(wù)機構(gòu)。

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