光纤光栅传感器原理和特点及其发展趋势

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，该光纤传感器主要是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。下面我们就光纤光栅传感器的原理及应用等方面来向大家作介绍。

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。

(一)光纤光栅传感器的分类:

这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器等。

(1)光纤光栅应变传感器及其原理：此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。

(2)光纤光栅温度传感器及其原理：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0.010nm/℃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lnm。应用分辨率为lpm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。

(3)光纤光栅位移传感器及其原理：研究人员开展了应用光纤光栅进行位移测量的研究，目前这些研究都是通过测量悬臂梁表面的应变，然后通过计算求得悬臂梁垂直变形，即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器，目前这种传感器在实际工程已取得了应用，国内亦具有商品化产品。

(4)光纤光栅压力传感器及其原理对拉力或压力的监测也是监测的一部分重要内容，如桥梁结构的拉索的整体索力、高纬度海洋平台的冰压力，以及道路的土壤压力，水压力等。哈工大欧进萍等人相继开发出了光纤光栅拉索压力环和光纤光栅冰压力传感器，英国海军研究中心开发了光纤光栅土壤压力传感器，用以监测公路内部的荷载情况。并且各国相继开始光纤光栅油气井压力传感器的研究工作。　　

除以上介绍的光纤光栅传感器外，光纤光栅研究人员和传感器设计人员基于光纤光栅的传感原理，还设计出光纤光栅伸长计，光纤光栅曲率计，光纤光栅湿度计，以及光纤光栅倾角仪，光纤光栅连通管等。此外，人们还通过光纤光栅应变传感器制成用于测量公路运输情况的运输计、用于测量公路施工过程中沥青应变的应变计等。

(二)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。

(三)光纤光栅传感器的应用自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅己成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域。光纤光栅传感器作为光纤传感器的一种，在传感器领域保持着良好的发展势头，通过以上关于光纤光栅传感器的说明，希望对大家工作学习有所帮助。