光纤光栅传感器的原理及应用

　0 引言

　　近年来。随着光纤通信技术向着超高速、大容量通信系统的方向发展，以及逐步向全光网络的演进.在光通信迅猛发展的带动下，光纤光栅已成为发展最为迅速的光纤无光源器件之一。光纤在紫外光强激光照射下，利用光纤纤芯的光敏感特性.光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。这样，在光纤轴向上就会形成周期性的折射率波动，即为光纤光栅。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用。为此。本文从光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅等光纤光栅的原理出发，综述了光纤布拉格光栅对温度、应变同时测量技术的应用。

　　1 光纤传感器的工作原理

　　1.1光纤光栅传感器的结构

　　光纤布拉格光栅FBG于1978年发明问世。它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。图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。

　　在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，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50～100 μW。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。

　　光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。

　　1.2 光纤布拉格光栅原理

　　光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件

　　式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周期。

　　当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A的相应改变，从而导致λB的漂移;反过来，通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。Bragg光纤光栅传感器的研究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λB漂移可表示为：

　　式中，ε为应力，P[i，j]为光压系数，v为横向变型系数(泊松比)，α为热胀系数，△T为温度变化量。一般情况下， (2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]/2因子的典型值为0.22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应条件值为：