光纤光栅文献综述-1

光纤光栅

温度灵敏度可调节控制的光纤光栅温觉传

感器设计文献综述

学 院：机电工程学院

专业班级：机械设计制造及其自动化

指导教师： 系 别：机械工程系 姓 名：

1光纤光栅

1.1光纤光栅概述 光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）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（Bragg）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。

由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，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，实现准分布式传感，加上光纤光栅具有普通光纤的许多优点外，且本身的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关学者的广泛关注和极大兴趣。自从1989年Morey等人首先对光纤光栅的应变和温度传感特性进行了研究后，光纤光栅传感器的应用领域不断拓展，现在人们已将其逐步应用于多种物理量的测量，制成了各种传感器。

1.2光纤光栅传感器的特点 (1)抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

(2)电绝缘性能好，安全可靠:光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

(3)耐腐蚀，化学性能稳定:由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

(4)体积小、重量轻，几何形状可塑。

(5)传输损耗小:可实现远距离遥控监测。

(6)传输容量大:可实现多点分布式测量。

(7)测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等。

光纤光栅

1.3光纤光栅温度传感器 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，同时也是与人们日常生活密切相关的一个重要物理量。目前，比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。光纤温度传感与传统的传感器相比有很多优点，如灵敏度高，体积小，耐腐蚀，抗电磁辐射，光路可弯曲，便于遥测等。基于光纤光栅技术的温度传感器，采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。

温度也是直接影响光纤光栅波长变化的因素，人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。同光纤光栅应变传感器一样，光纤光栅温度传感器也需要进行封装，封装技术的主要作用是保护和增敏，人们希望光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的寿命，与此同时，还希望能在光纤传感中通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏度只有0.010 nm/℃左右，这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量100℃的温度范围波长变化仅为1NM。应用分辨率为1PM的解码仪进行解调可获得很高的温度分辨率，而如果因为设备的限制，采用分辨率为0. 06nm的光谱分析仪进行测量，其分辨率仅为6度，远远不能满足实际测量的需要。目前常用的封装方式有基片式、管式和聚合物封装方式等。

1.4光纤光栅温度传感器原理

光纤光栅温度传感器的工作原理是当光纤光栅所处环境的温度发生变化时， 光栅的周期或纤芯折射率将发生变化， 从而使发射光的波长发生变化， 通过测量温度变化前后反射光波长的变化， 就可以获得温度的变化情况。

FBG 温度传感器增敏的原理是利用FBG 对温度和应变同时敏感的特性， 通过合理的结构设计， 把FBG 和高热膨胀系数材料封装在一起， 当被测温度变化时， 通过高热膨胀系数材料的形变向FBG 施加一个应变量， 使得FBG 的返回波长变化量加大。 基于此原则的方法大体上分为两种:

( 1) J.L. Cruz 等提出直接将FBG 粘贴在高热膨胀系数材料上， 当温度升高时， 高膨胀系数材料直接拉动FBG， 使FBG 的应变加大， 返回中心波长的变化量增加。 然而， 这种增敏方式有明显的缺点:

增敏效果受到材料的热膨胀系数制约、分辨率有限、而且伴有啁啾的负面效应。

( 2) Jaehoon Jung 等 提出通过采用双金属结构的方法实现温度增敏， 效果明显。 温度变化时， 双金属结构把2 种热膨胀系数不同的金属的长度变化量的差转化成FBG 长度的变化量， 从而提高FBG的温度灵敏度。 可是， 他们没有对该类型的FBG 温度传感器的结构和精度作进一步研究， 限制了它的应用范围。

基于上面所提到的2 个缺点， 李阔等人利用光纤光栅对温度和应变同时敏感的特性， 设计制作了一款双金属光纤光栅温度传感器， 在地震前兆观测时能满足地温观测的精度要求。 双金属的温度增敏原理如图1所示。

光纤光栅

图1 传感器结构示意图。

当温度变化时， 材料A 和材料B 长度均变化，且A 长度的变化量比B 长度的变化量大得多， A 、B 长度的变化量的差值直接传递给了FBG。 当FBG的应变发生变化时， 其返回波长会随之发生变化。

FBG 的应变量越大， 返回波长变化量也就越大。 因此， 可以通过调整A 和B 的长度和选用不同热膨胀系数的材料来控制FBG 的应变量， 从而实现高分辨率和高精度的温度测量。 实验证明: 该传感器的精度达到% 0.05 ℃ ， 获得了现今光纤光栅温度传感器最高的分辨率0.001 4 ℃ / pm， 再稍微扩展下还能利用这个原理， 设计制作一款灵敏度系数可调的高灵敏度光纤光栅温度传感器 ， 并通过调整高灵敏度光纤光栅温度传感器的灵敏度改变其量程。

双管式光纤光栅温度传感器结构示意图

图2双管式光纤光栅温度传感器结构示意图。

由静等人设计了一种对外加应力应变不敏感的双管式光纤光栅温度传感器。 图2 为双管式光纤Bragg 光栅温度传感器的结构示意图。 其中， 外套管隔离了外加应力应变向内管的作用， 避免了外力通过内管传递给光纤Bragg 光栅。 同时， 由于内、外管均是热传导性能良好的金属材料( 比如: 铜) ， 故温度仍能通过外管和内管传递给光纤Bragg 光栅， 从而使得Brag g 波长响应温度变化而产生移位。 根据测温实验数据得到光纤光栅温度传感器的各项静态性能指标， 光纤光栅温度传感系统灵敏度为9.8pm/ ℃ ， 分辨率为0. 102 ℃ ， 线性度为99. 88%， 重复性误差1. 55% 。

上面介绍的2 种传感器各有特色， 双金属光纤光栅温度传感器能达到非常高的分辨率， 能用于地震前兆的观测， 而且稍微改变下还能制作出灵敏度系数可调的高灵敏度光纤光栅温度传感器， 而后者能实现消除外加应力应变的影响， 保障在实际应用中温度测量的系统精度。

光纤光栅

2光纤光栅传感器的发展应用及现状

2.1光纤光栅传感器的发展应用 全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。

光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。在光纤光栅研究成果转化方面国内外的差距还不算太大，中国国应集中力量发展民族光电子产业，使光纤光栅研究成果尽早产业化，为国家经济服务。

在国内光纤光栅已经在一些重大工程中得到了应用，例如在清江水布垭水电站工程中光纤光栅被应用在设施，边坡监测；武汉市晴川桥安全检测系统 等。

2.2光纤光栅传感器的现状

传感器技术在国防和民用工程中得到广泛的应用，仍需做许多研究工作，主要有（1）完善现有光纤光栅制作工艺，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解调技术，研制性能好、价格低、易实现商品化的解调设备，促进高校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）完善封装技术及结构设计，提高高校光栅传感器长期运行的稳定性、降低生产成本。

2.3光纤光栅温度传感器的发展前景

光纤温度传感器的种类很多，除了荧光和分布式光纤温度传感器外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛，例如，应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。

1）分布式光纤温度传感器在电力系统行业的发展

光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展，由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等，都需要使用光纤传感器进行测量，因此

光纤光栅

就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善，经过在电力系统行业的应用，从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。

光纤光栅温度传感器在建筑业的发展

光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点，被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统，进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作，例如，美国墨西哥使用光栅温度传感器，对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用，光栅温度传感器所存在的问题，如：交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决，因而此系统得到了完善。

航空航天业中的应用发展

航空航天业使用传感器的频率较高，包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测，都需要使用光纤温度传感器进行检测，并且所使用到的传感器数量多达百个，所以对传感器的大小和重量要求很严格。因此，基于航空航天业对传感器的要求，光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整。

3 结 束 语

光纤温度传感器自问世以来。 主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域， 并已取得了大量可靠的应用实绩。 它的应用是一个方兴未艾的领域， 有着非常广阔的发展前景， 迄今为止， 国内外已经有不少相关研究， 虽然在灵敏度、测量范围、分辨率等方面均有了很大的发展， 但是相信随着研究的深入， 根据具体的应用目的， 会有越来越多的精度更高、结构更简单、成本更低、更实用的方案提出， 更进一步促进温度传感器的发展。

参考文献

1 李川,张以谟,赵永贵等.光纤光栅:原理、技术与传感应用[M].北京:科学出版社,2005

2 涂亚庆,刘兴长. 光纤智能结构[M]. 北京:高等教育出版社，2005.5

3 郭保全,侯宏花,潘玉田. 智能材料和结构的应用及展望[J].2005,15(6)