光纤光栅及传感技术的发展

光纤光栅传感技术的发展及应用单嵩北京工业大学应用数理学院000612班指导教师：王丽摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。关键词光纤，光栅，传感器一、引言光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向:一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。二、光纤光栅传感技术原理1、光纤Bragg光栅的应变响应机理轴向应变对光栅的影响表现在：一是使光栅栅距、光纤纤芯和包层半径变化,另一方面将通过光弹效应改变光纤的折射率。两者综合作用结果使得光纤Bragg光栅反射波中心波长发生漂移。光纤Bragg光的响应峰值波长为Bλ=2Λ(1)effn式中,Bλ为Bragg波长,为光栅有效折射率(折射率调制幅度大小的平均效应),Λ为光栅周期(折射率调制的空间周期)。以上为折射率调制周期为均匀的情况,如果芯层折射率调制周期不均匀,特别是调制周期沿光纤轴线变化,则反射光为宽带光,这种光纤光栅称之为啁啾光纤光栅。effn作用于光纤光栅的被测物理量(如温度,应力等)发生变化时,会引起n和Λ的相应改变,从而导致Bλ的漂移。反过来，通过检测Bλ的漂移,可得知被测物理量的信息。光纤Bragg光栅传感器的研究工作主要集中在温度和应力的准分布式测量上。温度和应力的变化所引起的Bλ的漂移可表示为ΔBλ=2Λ(1-)effnePε(2)式中，ε为应变,=(/2)[-ePeffn12Pυ(+)]为光纤有效弹光系数,为光纤材料的弹光张量分量，11P12P,ijPυ为横向变型系数(泊松比)。2、长周期光纤光栅传感基本原理长周期光纤光栅是一种基于把纤芯中传输的基模(模)能量耦合到同向传输的包层模(模)中的损耗型光纤光栅。根据相位匹配条件可以求得长周期光纤光栅的谐振波长01LP1mHEresλ=(-)Λ（3）corenpcldn式中为纤芯中基模的有效折射率；为p阶包层模的有效折射率;Λ为光栅的周期。同时,在谐振峰值波长处的透射率T可以通过解同向传输耦合模方程得出,它满足下面关系式corenpcldnT=(kL)(4)2cos其中L为光栅的长度,k为基模和包层模的耦合系数,它与基模及包层模在纤芯内的重叠因子有关。长周期光纤光栅对弯曲特别敏感,光栅微小的弯曲就会使其耦合特性发生很大的改变。弯曲对于长周期光纤光栅耦合特性的影响,一是表现在谐振波长随曲率增加发生红移；二是谐振峰幅度的变化,在光栅不发生过耦合的情况下表现为幅度随曲率增加而减小。3、光纤光栅分布式传感系统光纤光栅分布式传感系统原理如图3所示。把光纤Bragg光栅贴在形变体上,做成压力传感器。其工作原理是：光源发出的宽带光经光纤传输到被测量点,光栅有选择性地反射回一窄带光,经光分路器传送到波长鉴别器或波长解调仪,然后通过光探测器进行光电转换。当形变体受到外界压力产生形变时,光栅反射的窄带光中心波长会发生相应的变化,从而反映出形变体所受的相应压力,最后由计算机做分析、存储,按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。三、传感器在响应压力方面的研究1、国外研究进展1989年,M.G.Xu等人第一次用光纤光栅做传感器,首先对裸露的光纤布拉格光栅的压力传感特性进行了研究,发现在70MPa的高压下,光纤布拉格光栅中心反射波长仅移动0.22nm,其压力敏感度很低.从此光纤光栅在传感技术领域的应用研究受到了人们的极大关注,并且取得了持续快速的发展.1993年,M.G.Xu等人对裸露的FBG的压力传感特性进行了研究,在70MPa的气体压力下,FBG中心反射波长移动了0.22nm,由于灵敏度低而无法用于常规测量,要用于实际测量,必须对光栅进行压力增敏。1996年,M.G.Xu等人把FBG固定于中空的玻璃球结构中,利用玻璃球的放大作用使FBG对压力的敏感度提高了1个数量级,压力灵敏系数提高为-2.12×510−/MPa。目前，传感器在工程上的应用已经涉及到众多领域，应用最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993年),16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测,这在以前被认为是不可能。1999年夏,在美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上,安装了120个光纤光栅传感器,创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。在瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架桥的建造过程中,使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测,32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法布里-泊罗系统进行信号解调。航空航天业是一个使用传感器密集的地方,仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利。美国国家航空和宇宙航行局在航天飞机X233上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络,对航天飞机进行实时的健康监测。加拿大的一个光子研究小组提出用光纤光栅传感器测量飞机喷气涡轮发动机系统的压力和温度。喷气涡轮发动机系统环境具有有高温高压的特征并伴有高速气流及高速、高密度声波,气流的入口温度可低于-50℃,喷射口的温度可高达1500℃,各种压缩室的压力测量要求达到15000kPa。英国航空领导了11个合作机构进行研究,目的在于减少20%的飞机检测,这意味着一架20年寿命的飞机将节省两百万美元的检测费。为实现此目的,几种传感技术都纳入研究范围,其中包括光纤光栅传感技术。另外，挪威的Optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。“边钻边测”系统对钻井作业是非常有利的,Weis等人用光纤光栅制成一个井下光纤光栅调制器,用来跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化。2、国内研究进展近年来,国内在光纤光栅技术的应用研究也取得了长足的进展。1998年,南开大学刘云启等利用弹簧管对于压力的机械放大作用做成的FBG弹簧管压力传感器压力灵敏度系数达-1.79×410−/MPa。2000年,刘云启等将FBG封装于有机聚合物基底中,由于基底材料的带动作用,FBG的压力灵敏度提高到-6.28×510−/MPa。2002年,天津大学的张颖等采用增敏罐封装的方法,设计并研究的一种FBG压力传感器的压力灵敏系数达-3.41×310−/MPa。2004年，中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学实验室高侃等人利用应变膜片技术在0～0.13MPa的气压下,使得长周期光纤光栅透射谱的峰值波长向长波长方向移动了118nm；透射峰的幅度减小了13dB。该传感器的分辨率可达410−MPa,能够很好地满足实际应用的要求。2004年，南开大学的刘丽辉、董孝义等采用两种聚合物均匀混合，将其对光纤光栅进行封装增敏，在23、0—10MPa的情况下，压力灵敏度-1.22×C°410−/MPa。2004年，北京工业大学的胡曙阳等人用密封圆柱形容器和活塞将光栅的两端分别粘在容器和塞子上。外界压力变化导致光栅所受拉力的变化,从而实现对外界压力的检测。该传感器压力灵敏系数可达-0.696/MPa,其线性度为0.9989。2000年，北方交通大学的裴丽、简水生等人将光纤光栅用于高速列车的实时追踪，可及时给出列车位置、列车长度、车速以及列车运行加速度等参数,并可对列车脱节等问题作出快速的判断,测量时间约1ms/点。哈尔滨工业大学研制开发出针对结构表面监测的两种光纤光栅应变传感器和两种光纤光栅温度传感器,分别申报了国家实用新型专利,并于2003年4月将光纤光栅应用于松花江斜拉桥,监测桥梁和索塔的温度场及其变化、把握桥梁的实际应力状态并评价桥梁的运行安全状况。2003年6月，上海紫珊光电技术有限公司与同济大学合作,将自主研发的光纤光栅传感器应用于大桥的动态应变测量,获得了准确可靠的数据,体现了光纤光栅传感器的巨大优势。3、光纤光栅传感面临的问题为使光纤光栅传感技术在国防和民用工程中得到更广泛的应用,仍需做许多研究工作,主要有：(1)完善现有的光纤光栅制作工艺,降低成本、提高其性能和寿命,制作出用于传感器的高质量光纤光栅；(2)继续研究光纤光栅的基本性能,如灵敏度、去敏和增敏方法、传感机理、多参量同时测量的途径和同时分辨应力和温度的交叉影响；(3)加强波长位移监测技术的研究,即精确地解调波长位移的技术,研制性能好、价格低、易实现商品化的解调设备,促进光纤光栅传感及其网络技术的发展,完善WDM和DWDM(densewavelengthdivisionmultiplexing)技术；(4)完善封装技术以及结构设计,提高光纤光栅传感器长期运行的稳定性、降低生产成本。四、总结光纤光栅传感器已成为当前光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造技术的进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断涌现,光纤光栅传感器在传感器领域中已经处于越来越重要的地位。在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、电力工业、石油化工工业、医学、核工业等有非常广泛的应用。许多具有发展潜力和市场前景的可实用化技术研究都在进行当中,这些技术的成熟将会给国民经济建设带来巨大的推动。