光纤光栅传感技术的发展及应用

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

B λ = 2 Λ (1)

eff n 式中,B λ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。

eff n 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B λ的漂移。反过来，通过检测B λ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B λ的漂移可表示为

ΔB λ = 2 Λ(1 - )eff n e P ε (2)

式中， ε为应变, = (/ 2) [ - e P eff n 12P υ( +) ]为光纤有效弹光系数, 为光纤材料的弹光张量分量， 11P 12P ,i j P υ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

01LP 1m HE res λ = ( - ) Λ （3）

core n p cld n 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 core n p

cld n T = (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70 MPa 的高压下,光纤布拉格光栅中心反射波长仅移动0.22 nm ,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70 MPa 的气体压力下, FBG 中心反射波长移动了0.22 nm ,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Beddington Trail 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Las Cruces 10 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15000 kPa。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Optop lan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

0～0.13 MPa 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118 nm；透射峰的幅度减小了13 dB。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 (dense wavelength division multiplexing) 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。

光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用

光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言

新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装

1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一

光纤光栅传感器的应用

光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好; (2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作; (4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。

光纤光栅传感系统的详细介绍

光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对

光纤光栅原理及应用

光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期

2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长

光纤光栅传感器的应用

光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的

载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不

光纤光栅

“现代传感与检测技术”课程学习汇报 光纤光栅传感器及其在医学上的应用 学院：机电学院 专业：仪器科学与技术 教师：刘增华 学号： S201201134 姓名：王锦 2013年03月

目录 第一章光纤光栅简介 (3) 1.1 光纤的基本概念 (3) 1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3) 1.3 光纤光栅的加工工艺 (4) 1.4 光纤光栅的类型 (5) 第二章光纤光栅传感器 (7) 2.1光纤光栅温度传感器 (7) 2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8) 第三章光纤光栅传感器的应用 (10) 3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10) 3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10) 3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11) 第四章总结 (12) 参考文献 (12)

第一章光纤光栅简介 1.1 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。 光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径 一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。 光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。 1.2 光纤光栅器件的基本概念 加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。

光纤光栅传感系统的现状及发展趋势

光纤光栅传感系统的现状及发展趋势 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1．1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要

光纤光栅传感技术的特点

光纤光栅传感技术的特点 桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普

常见光纤光栅传感器工作原理

常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的

光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。

光纤光栅传感技术的发展及应用

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

通信与信息工程专业论文-光纤光栅传感技术应用设计

天津理工大学2004届毕业设计 第一章绪论 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作 用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。作为一种新型的光学器件，光纤光栅已 经在诸多方面得到了不同的应用。相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。 1.1光纤光栅的发展历史 光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技 术领域中的支柱性高新技术。然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。因此光纤光栅应运而生。 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。从此开创了光纤光栅发展的历史。这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。 直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100% 反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化, 专家们预言, 从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想, 可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。 光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究 都取得了相当快的进展。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。尤其是它易于集成的特性，使得全光 纤一维光子器件集成成为可能。此外, 作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用——即3S 1

光纤光栅传感技术发展综述

Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/9f8498093.html,/journal/oe https://https://www.wendangku.net/doc/9f8498093.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术

光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用

光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五

摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛

光纤光栅传感器的封装技术

光纤光栅传感器的封装技术

摘要 光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器，它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理。与传统的电学传感器相比，它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。正因为这些独特的优点，光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域，其中，最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。随着中国物联网发展战略的实施，光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。 本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理，光纤光栅传感器封装技术分类，分为保护性封装，敏化封装，以及补偿性封装，列举了三个封装技术的实例，对他们的封装结构，封装中的技术工艺，以及封装后的一些参数进行了介绍。

目录 1、绪论 (4) 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 (4) 2、光纤光栅传感原理 (5) 2.1光纤光栅传感器的结构和原理 (5) 2.2光纤光栅传感技术的类型简介 (6) 3.光纤光栅传感器封装技术分类 (7) 3.1保护性封装 (7) 3.2 敏化封装 (8) 3.3补偿性封装 (8) 4.封装技术实例 (9) 4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装 (9) 4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装 (12) 4.3镀铜光纤光栅的全金属封装 (13) 参考文献 (16)

1、绪论 1.1 光纤光栅传感器封装技术概述 光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使纤芯折射率沿轴向，呈现周期性规律分布的物理结构，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)光滤波器或反射镜。通过人为改变光纤光栅结构的分布，我们可以主动控制光在光纤中的传播行为，光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富。同时，光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可与其他光纤器件融成一体等特点，除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点，使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。 光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础，以光纤光栅为载体，发展起来的一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化，进而实现对物理量的测量。透射(反射)谱波长与光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。当外界应变与温度发生变化时，光纤光栅的纤芯折射率与折射率调制周期就随之变化，然后影响光纤光栅的透射(反射)谱峰值波长的移动，通过测量Bragg峰值波长的移动量，实现对外界物理量变化的测量，上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。 利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。在某些情况下，我们不希望温度仁或应变、压力)对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度仁或应变、压力)的灵敏度。这两种技术统称敏化技术。目前，一些敏化技术已经在实际中得到应用，但还有相当一部分停留在实验室阶段。 利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。 光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用，对光纤光栅封装技术进行研究，设计更好的封装结构和工艺尤为重要。

光纤光栅传感器的应用及发展

光纤光栅传感器的应用及发展 光纤光栅自从问世以来，就以其优良特性成为传感领域的新亮点。简要回顾了光纤光栅的 发展历史，介绍了光纤光栅的分类，着重论述了光纤光栅传感器的应用情况，分析了光纤光栅 传感器的未来发展趋势及面临的问题。 光纤光栅的分类： 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件。根据物理机制的不同，可将光纤 光栅分为蚀刻光栅和折射率调制的相位光栅两类。前者在成栅过程中使光纤的结构出现明显的物理刻痕， 后者主要使纤芯折射率呈周期性分布。目前，无论是发还是工程实用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅 指的是后者。根据光敏机制的不同，又可将光纤光栅分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型. I型先纤光栅 连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为I型光栅 Ⅱ型光纤光栅 采用单脉冲成栅时发现，不断提高脉冲能量存在一个取决于光纤中锗浓度的阈值(～1J／cm)，低于该 阈值时形成的光栅均为I型光栅，而高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近100％，将 此时的光栅称为Ⅱ型光栅。Ⅲ型光纤光栅区别于I型光栅的是，随着曝光量的增加，折射率呈负增长趋势，显然也不属于Ⅱ型光栅，因此称之为Ⅲ型光栅。根据折射率变化是否均匀，可以将其分为均匀光纤光 栅和非均匀光纤光栅两类。 1)均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有光纤布喇格光栅(rBG)、长周期光纤光栅(LPG)闪烁光纤光栅刮等. 2)非均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数的一类光纤光栅。从栅格周期的长短及折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅和非均匀特种光纤光栅等。 光纤光栅传感器的应用与发展： 1978年，加拿大的Hill等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光的效应J，制成了世界上第一只被称为“Hill光栅”的光纤光栅。1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。1993年，Hill等人提出了相位掩模写人技术，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后，世界各国迅速开展了对光纤光栅及其应用的研究。光纤光栅的写入技术及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。而光纤光栅独有的抗电磁干扰、高灵敏度和复用技术等优势也逐渐显现出来。自从1989年美国的Morey等人首次报导光纤光栅用于传感以来，光纤光栅传感技术引起了人们极大的兴趣并得到飞速发展，被广泛用于温度、应变、压力、加速度、超声波、振动、电磁场和折射率等多种物理量的测量，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前，FBG为传感器件的传感器成为研发主流，以LPG和啁啾光纤光栅CFG)为传感器件的传感器的研究同样引起人们的兴趣。在土木工程中，对于桥梁大坝、隧道矿井和大型建筑物等来说，其结构会随着时间的推移或者外界环境的改变而变化。因此，需要通过测量结构的应变分布和局部载荷状态来确保其结构健康并安全运行。光纤光栅传感器尺寸小，既可以贴在现存工程结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中。多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式实时监测。1993年，加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥首先采用了光纤光栅进行应力测量，并用此方法长期监测桥梁结构。此后，国外发达国家也都选用光纤光栅传感器作为桥梁长期安全监测的首选技术。1999年，美国新墨西哥Las Cruces10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数量最多的纪录。在我国，近几年来，随着国家对安全生产问题的高度重视，大型建筑物安全监测与预警的意义和作用也逐步受到人们的重视。武汉理工大学将光纤光栅传感器引入桥梁长期安全监测预警系统中，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的问题，并应用于武汉阳逻长江大桥、武汉长江二桥等十余座大型桥梁的长期安全监测，取得了非常好的效果。哈尔滨工业大学采用光纤光栅传感器完成了lO余项重大工程的健康监测。此外，南开大学与上海紫珊光电技术有限公司合作，在世博场馆大空间结构安全保障关键技术项目中采用光纤光栅传感器进行健康监测J。这些领域开展的实验测试和实际应用为我国桥梁大坝、隧道矿井及大型建筑物的长期安全监测与预警提供了典范。先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造高速航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，可以在飞行器或舰船运行过程中进行实时健康监测和损伤探测J。自从光纤光栅传感器于1990年次埋人环氧树脂复合材料以及1992年首次埋人混凝土中以来，光纤光栅在航空航天复合材料／结构的健康监测中开始试用。将光纤光栅粘贴于航空航天飞行器(如机身、机翼蒙皮)及发射塔表面或者埋人其内部，可构成分布式智能传感网络，实时监测飞行器及发塔的应力、应变、温度及其结构内部损伤等健康状况. 根据测结果，由驱动元件对结构状态进行相

光纤光栅传感器

光纤光栅 光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。 光纤光栅可与光纤完全兼容，不存在集成波导光栅与光纤的耦合问题。光纤光栅的出现，使许多复杂全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。 3.3 光纤光栅传感器的工作原理 1989年Morey等人首先对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了研究。应力影响由光弹效应导致折射率变化和形变使光纤光栅周期变化引起，温度影响由热光效应使有效折射率改变和热膨胀效应使光栅周期变化引起。 光纤光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应力或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长变化。由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。即采用波长调制方式，将被测信息转化为特征波长的移动。实验测定，布拉格波长在1550nm附近的光纤光栅的应力和温度响应分别为1.2nm/με和1.0nm/。 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的波长光被反射，于是有 （3-1）式中：为导模的有效折射率，为光纤栅格周期。 符合布拉格条件的反射光波长的移位为 （3-2）3.3.1 温度响应 当只考虑温度影响时，有 （3-3）式中：为热膨胀系数，为热光系数。且有

（3-4） （3-5）对于掺锗石英光纤，取；的范围内，取 ，在时，取。 3.3.2 应变响应 当只考虑应力影响时，有 （3-6）式中：为轴向应变，是泊松比，p是光纤光栅应变灵敏度系数。 对于掺锗石英光纤，p取0.22，则 （3-7）实际应用中，是个很小的量，可以引入作为应变度量单位。 3.3.3 光纤光栅传感器性能指标 传感器波长：FBG反射谱中的尖峰的中心波长，大多FBG传感系统工作在50nm （1520nm~1570nm）窗口范围内。 传感器带宽：FBG反射谱中的尖峰下降3dB时对应的波长宽度。带宽越小，测量精度越高。实际的制作工艺可达到0.2nm~0.3nm之间，通常取0.25nm。 反射率：返回测量系统的光功率占原始光功率的百分比，决定信号强度。边模抑制：决定信噪比。 3.3.4 光纤光栅传感器的特点 光纤光栅与光纤之间存在固有的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感。且具有抗腐蚀、抗电磁干扰、频带宽、重复性好、多只光栅时分、波分复用方便及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响等特点。波长编码保证了检测到的光频谱取决于光源和布拉格光栅的频谱，对电磁场以及布什加在光栅上的应力、温度等都不敏感。 光纤光栅传感器使用于特殊结构的传感网络，如水坝寿命监测、桥梁缺陷监测、大型运输载体的复合材料在不破坏材料性质基础上对多种物理量的多点分布测量等。