光纤光栅传感器

光纤光栅是20世纪70年代末出现的一种光子器件。光纤光栅的出现促成了光纤由被动传输介质转向主动的光子器件，极大地拓宽了光纤技术的应用。光纤光栅是光通信、光传感领域中的新兴光子器件，一直以来都是应用和研究的热点。

光纤光栅可利用光纤材料的光敏性对某一段光纤的纤芯折射率进行调制，借以改变或控制通过光纤光栅所在区域的光的传播行为和方式，形成一个窄带的反射波或透射波。光纤的光敏性是指外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起光纤纤芯折射率的永久性变化的属性。光纤光栅只占据了一小段光纤，体积小，质量轻，防腐防电磁，带宽范围大，损耗小，耦合性好，易于与光纤系统融成一体，加上目前的制作工艺相对成熟，是目前通信和传感领域应用极广的一类光子器件。

8.6.1 光纤光栅传感器基本介绍

光纤光栅按照不同的分类标准可以有不同的分类方法。目前通常将光纤光栅按空间周期和折射率系数分布特性进行分类。

（1）光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating，FBG） 这是最早发展起来的一种光栅，目前应用范围也最广。其折射率调制深度和栅格周期均为常数，栅格周期一般为102nm量级。光栅波矢方向跟光纤轴向一致。它主要在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用器等中应用。

（2）啁啾光纤光栅（chirped fiber Bragg grating，CFBG） 其栅格间距不等，变化方式有线性啁啾和分段啁啾方式。一般用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。

（3）长周期光纤光栅（long period fiber grating，LPFG） 其栅格周期也为常数，但比Bragg光栅的要大，一般在几十到几百微米，波矢方向也与光纤轴向相同。它与普通光栅不同，不是将某个波长的光反射回去，而是耦合到包层中去。它主要应用于掺铒光纤放大器的增益平坦和光纤传感。

以上是最常见、应用最广的三种光纤光栅。图8－21给出了这三种光纤光栅的基本形式及光传播的路径。除此之外，还有闪耀光纤光栅、相移光纤光栅、Tapered光纤光栅、取样光纤光栅、Tophat光纤光栅、超结构光纤光栅等。随着理论研究的发展和制作技术的成熟，它们在光通信和光传感领域中将逐渐得到应用。

图8－21 常见光纤光栅的基本形式与光传播的路径

以光纤光栅作为敏感元件实现传感功能的光纤光栅传感器，除了具有普通光纤传感器的优点以外，还有一些明显优于普通光纤传感器的地方。例如：

①它采用波长编码方式实现传感信号的传输，而波长是一个绝对参量，因此不受光源功率波动以及光纤弯曲等带来的影响，可靠性好，抗干扰能力强；

②它不像一般的光纤传感器需要搭建测头装置，而是本身就可以实现传感，结构简单，尺寸小，适应的范围也很广，对于埋入材料内部构成智能材料结构非常合适；

③传统的点式光纤传感器要想组成传感网络非常困难，而采用光纤光栅可轻易组网；

④光纤光栅能防水、防腐及抗电磁干扰，在恶劣环境下也能发挥作用。

8.6.2 光纤光栅的传感原理

用于传感的光纤光栅主要是光纤Bragg光栅，近年来啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅也逐渐应用于传感。

1.光纤Bragg光栅的传感原理

周期均匀调制的光纤Bragg光栅的工作原理如图8－22所示。当有一束光强分布为I的宽带光入射到光栅上时，即有一光强分布为R的窄带光被反射回来，反射波的中心波长称为Bragg波长，记为λB。

图8－22 光纤Bragg光栅的工作原理

在光纤Bragg光栅中，前向传输的基模被耦合成后向传输的基模，根据耦合模理论，其Bragg波长为

λB＝2nΛ 　（8－42）

式中：n为纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。n、Λ的改变可以引起λB的变化，这是光纤Bragg光栅传感的基本原理。由于n、Λ均受温度、应变的影响，据此可以实现温度、应变以及与它们相关的量的测量。

温度或应变作用于光纤Bragg光栅，最后改变了Bragg波长λB。当轴向应变为εz，温度变化量为ΔT时，外界信号引起的Bragg波长的变化量可表示为

ΔλB＝λB（1－Pe）εz＋λB（α＋ξ）ΔT＝Kεεz＋KTΔT 　（8－43）

式中：λB为初始Bragg波长；Pe为有效弹光系数，对于普通石英光纤有Pe＝0.216；Kε为应变灵敏度，Kε＝λB（1－Pe），对于典型中心波长下的光纤Bragg光栅，当λB＝830nm时Kε＝0.65 pm／με（με为微应变，1με＝1×10－6mm／mm），当λB＝1 300nm时Kε＝1pm／με，当λB＝1 550 nm时Kε＝1.2pm／με；α为光纤的热膨胀系数，对于掺锗石英光纤一般取α＝0.55×10－6；ξ为光纤热光系数，对于掺锗石英光纤一般取ξ＝6.80×10－6；KT为温度灵敏度，当λB＝830nm时KT＝6.1pm／℃，当λB＝1300nm时KT＝9.5pm／℃，当λB＝1 550nm时KT＝11.4pm／℃。

式（8－43）即为光纤Bragg光栅进行传感测量的传感模型。由该式可知，温度和应变与Bragg波长的变化量之间均为线性关系。当温度和应变同时作用于光纤Bragg光栅时，通过一个光纤Bragg光栅难以获得温度和应变的值，必须再加一个参考光纤Bragg光栅，补偿温度或者应变。

2.啁啾光纤光栅传感原理

从光纤Bragg光栅的传感模型可知，光纤Bragg光栅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并不容易，而采用啁啾光纤光栅传感器则很容易实现。

啁啾光纤光栅与光纤Bragg光栅的工作原理基本相同，它在受到外界物理量作用时除了Bragg波长的变化外，还会发生光谱的展宽变化。应变导致光栅反射信号的拓宽和峰值波长的位移，温度只改变反射光峰值波长的位置，当温度和应变同时存在时，通过同时测量光谱位移和展宽，可以同时测量温度和应变。

3.长周期光纤光栅传感原理

长周期啁啾光纤光栅的工作模式与光纤Bragg光栅的不同，它将特定波长上的光耦合进包层，相当于一个带阻滤波器。这些耦合进包层的光的波长满足

λi＝（n0－niclad）Λ 　（8－44）

式中：n0为纤芯的折射率；niclad为i阶包层模的有效折射率。

由式（8－44）可知，纤芯和包层折射率之差影响了长周期光纤光栅光传播的损耗带。而折射率受外界物理因素（如温度、应变等）的影响。根据这一原理，可以通过检测λi来实现外界物理量的检测。由于损耗带波长不止一个，因此，长周期光纤光栅对于多参数的测量同样适用。

8.6.3 光纤光栅传感探测解调技术

对于啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅，一般通过光谱仪观察其反射谱和透射谱来实现对物理量的检测。而对于光纤Bragg光栅，只需知道Bragg波长的变化量，就这一点来说，其解调方法就要简单许多，除用光谱仪解调以外，还可采用其他的多达二三十种方法。这些方法按照其解调原理大致可分为干涉解调法和滤波法两大类。下面对其中的几种典型解调方法进行介绍。

1.非平衡Mach－Zehnder干涉解调法

利用非平衡Mach－Zehnder干涉仪可实现光纤Bragg光栅传感信号的解调，这一方法最早是由A.D.Kersey提出的。相应解调系统的基本结构如图8－23所示。

图8－23 应用非平衡Mach－Zehnder干涉仪的光纤Bragg光栅解调系统

宽带光源发出的光经过一个3dB耦合器后，传输给传感用光纤Bragg光栅，从该光栅上反射回来的光通过耦合器再进入非平衡Mach－Zehnder干涉仪中。干涉仪一臂中的光纤绕在压电陶瓷圆柱上，压电陶瓷上施加一个余弦驱动信号。此时该非平衡干涉仪相当于一个传输特性为余弦平方函数的光滤波器，最后得到的干涉仪的输出光强度为

式中：ψ（λ）为光在干涉仪不对称两臂中的相位差，ψ（λ）＝2πnd／λ，其中d为干涉仪两光纤臂长差，n为光纤纤芯的有效折射率，λ为传感光纤Bragg光栅反射光的中心波长；A为光强系数，与输入光强度和系统光损失成正比；φ为Mach－Zehnder干涉仪的相位偏移，它是一个缓慢变化的随机参数。

设传感光栅通过动态应力变化进行波长调制，波长变化可表示为Δλsin ωt，那么干涉仪信号的相位移动为

式中：Δε为作用于传感光栅的动态应变幅值；Kε为传感光栅的应变灵敏度。

如有d＝10mm，n＝1.46，Kε＝1.15pm／με，响应波长为1.55μm，则系统的灵敏度Δψ／Δε为0.044rad／με。若结合高分辨力动态相移检测（相移典型值≈10－6rad／），则这个系统灵敏度的干涉仪可以测得的动态应变的分辨力约等于20×10－4με／。

非平衡Mach－Zehnder干涉解调法具有带宽大、解析度高的特点，这是其他解调方式难以比拟的，但是相移方式的测量方法使得它只适合于动态测量，不适合于静态测量。另外，这种干涉解调法是一种相对测量方法，干涉仪的相位变化有一定的范围，这也导致其测量范围非常有限。

2.F－P滤波解调法

F－P滤波解调法实质上是通过压电陶瓷驱动F－P滤波器改变其腔长，以改变F－P滤波器通过的光波的波长，即起到滤波作用，从而对光纤光栅传感器进行解调。相应解调系统的基本结构如图8－24所示。

图8－24 基于F－P滤波器的光纤光栅解调系统

宽带光源的光经由3dB耦合器入射到传感用光纤Bragg光栅上，从传感用光纤Bragg光栅反射回来的光信号再经耦合器到达F－P滤波器，当改变F－P滤波器的锯齿波驱动电压时， F－P滤波器的腔长将随之改变，当其透射波长与光纤Bragg光栅反射峰重合时，光电探测器接收到的光功率最大。由此时滤波器的驱动电压与透射波长的关系可以得到光纤Bragg光栅反射峰的位置。由于透射谱是反射谱与F－P滤波器透射谱的卷积，带宽将增加，分辨率将减小，为此，在扫描电压上加一小的抖动电压，经混频和低通滤波后，测量输出信号的抖动频率，在信号为零时所测即为光栅的反射峰值波长。

由于F－P滤波器的带宽大约为0.3nm，波长调谐范围最大可以达到50nm，因此光纤Bragg光栅的反射信号总能被F－P滤波器检测到。F－P滤波器的实用性和可靠性很好，另外其可调谐范围也很宽，为不同波长的多个光纤Bragg光栅同时解调提供了有效手段。

F－P滤波器本身体积小，使用方便，但是其插入损耗比较大，易受温度影响，而且精细度较高的F－P滤波器的价格也相当昂贵，这在一定程度上影响了它的应用。但它的解调性能在各类解调方法中是非常出色的，成品化的程度最高，目前商用的光纤光栅网络解调仪一般基于F－P滤波器。

3.匹配光栅滤波法

匹配光栅滤波法的解调原理与F－P滤波解调法的基本一样，只不过用于滤波的器件不是F－P滤波器，而是参考光栅。如果从传感光栅反射回来的光经由耦合器入射到参考光栅上，此时采用的是透射式的匹配光栅滤波法，如图8－25所示。当传感光栅与参考光栅的波长一致时，光电探测器探测的光功率为最小。如果从传感光栅反射回来的光经过耦合器后经由第二个耦合器入射到参考光栅上，光电探测器探测的光功率是从第二个耦合器出来的参考光栅的反射信号，那么此时采用的是反射式匹配光栅滤波法。当两光栅匹配时，光电探测器探测的光功率最大。

图8－25 基于透射式匹配光栅滤波法的光纤Bragg光栅解调系统

无论是采用透射式还是采用反射式匹配光栅滤波法，通过检测传感光栅与参考光栅匹配时的电压信号，都可以得知传感光栅的Bragg波长变化量。

匹配光栅滤波解调系统可以消除双折射引起的随机噪声，具有良好的抗干扰性，但是系统的光损耗很大，灵敏度受压电陶瓷的位移灵敏度的影响较大，而且只适合于静态或准静态测量。

匹配光栅滤波检测方法也可用于对多个传感光纤Bragg光栅的阵列进行解调，但是由于传感光栅与参考光栅一对一的特点，光电探测器也需要一一对应，因此极大地增强了系统的复杂性，降低了系统的信噪比，因此并不实用。

4.可调谐窄带激光光源滤波法

可调谐窄带激光光源滤波法不采用宽带光源，而是采用可调谐的激光作为入射光，它的基本原理如图8－26所示。激光光源在一定波长范围内（一般在40nm以上）进行扫描，传感用光纤Bragg光栅的工作波长落在扫描区间内，当扫描波长与光纤Bragg光栅波长一致时，反射功率达到最大，此时的扫描波长即为传感光纤Bragg光栅的波长。

图8－26 基于可调谐窄带激光光源的光纤Bragg光栅解调系统

可调谐窄带激光光源滤波法的优势在于解调精度比较高，结果稳定可靠，且具有比较宽的解调范围，因此是一种比较不错的解调方法。但由于受扫描速度的限制，该方法只能用于静态或准静态的测量，多用于实验室中。当然，用可调谐窄带激光光源滤波法也可以实现多光纤Bragg光栅的测量。

除上述几种方法外，还有非平衡扫描迈克尔逊干涉仪法、被动式波长比例解调法、边缘滤波法、基于波长选择性探测器的解调法、波分复用光纤耦合器解调法、锁模解调法、傅里叶变换法、高折射环形镜边缘滤波法、保偏光纤环路解调法等光纤Bragg光栅的传感解调方法。

8.6.4 光纤光栅复用技术

光纤光栅传感器的优良性能之一就是易于组成准分布式网络。不同于前面所述的分布式光纤传感器，光纤光栅传感网络是由成百上千个光纤光栅测量点组合而成的。它们一般采用一定的复用技术，以实现合理的传感阵列。这些复用技术包括时分复用、空分复用、波长和频率复用及相干复用等。由于直接测量的是光纤光栅反射波长（或透射波长）λB的漂移量，因此其传感网络的主要结构是波分复用，它在智能和灵巧结构中有重要应用。

1.波分复用技术

波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）的基本思想是：利用宽带光源照射同一根光纤上多个中心反射波长不同的光纤Bragg光栅，从而实现多个光纤Bragg光栅的复用。波分复用是光纤Bragg光栅传感网络最直接的复用技术。

图8－27所示为典型的波分复用光纤Bragg光栅传感网络的原理。不同反射波长的n个光纤Bragg光栅沿单光纤长度排列，分别置于监测对象的n个不同监测部位，当这些部位的待测物理量发生变化时，各个光纤Bragg光栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息。通过对接收端的波长探测系统进行解码，并分析Bragg波长漂移的情况，即可获得待测物理量的变化情况，从而实现对n个监测对象的实时在线监测。

图8－27 波分复用光纤Bragg光栅传感网络原理

波分复用传感网络所能复用的光纤Bragg光栅传感器数量主要取决于光源带宽和待测物理量的动态范围。若光源带宽为50nm，待测应变的变化范围为±1 500με，相应于各光栅间的中心波长间隔为3nm，则该网络最多可复用16个传感器。波分复用网络属于串联拓扑结构，网络中的光纤Bragg光栅各占据不同的频带资源，故光源功率可被充分利用，同时各光栅的带宽互不重叠，避免了串音现象，因此波分复用系统的信噪比很高。这种编码方式比较简单，而且可靠性强，对光信号的检测简便可行。

2.时分复用技术

在串接复用的情况下，从任意两个相邻的光纤Bragg光栅传感器返回的Bragg波长信号在时间上都是隔开的。反射信号这种时域上的隔离特性，使得在同一根光纤上间隔一定距离复用相同的或不同中心反射波长的多个光纤Bragg光栅成为可能，从而避免了网络中的各传感器抢夺有限频带资源的问题，这是时分复用（time division multiplexing，TDM）的基本思想。图8－28所示为典型的时分复用光纤Bragg光栅传感网络原理。各光纤Bragg光栅传感器之间的时间延迟由它们之间的光纤长度决定。

3.空分复用技术

在多点测量领域如航空领域中，要求网络中的传感器能够相互独立地工作并可相互交换来工作，并且系统中的传感光纤Bragg光栅具有良好的互换性。此时光纤Bragg光栅应具有相同的特征。采用串联拓扑结构的波分复用和时分复用系统都很难实现工作的独立性和互换性，而采用并行拓扑结构的空分复用（spatial division multiplexing，SDM）系统却可以实现。

图8－28 时分复用光纤Bragg光栅传感网络原理

图8－29为典型的空分复用光纤Bragg光栅传感网络原理。由图可见，每个传感光栅都单独分配一个传输通道，每次仅有一个通道被选通。需测量哪个光栅的特性，只要将相应的那个通道接通即可。空分复用网络的复用能力、分辨率和工作速率与采用的探测技术有很大关系。

图8－29 空分复用光纤Bragg光栅传感网络原理

空分复用网络的突出优点是：各传感器相互独立工作、互不影响，因此串音效应很小，信噪比比较高；同时，复用能力不受频带资源的限制，若采用合适的波长探测方案，例如CCD并行探测技术，则网络规模可以很大，采样速率也要高于串联拓扑网络。其缺点是功率利用率较低。

4.混合复用技术

上述几种复用技术各有千秋，但当被监测对象较多时，则需要一个庞大的光纤Bragg光栅传感网络。如果将各种复用技术结合起来，使它们互为补充，则网络的复用能力可以适应大规模测量场合的需求。这就是混合复用（hybrid division multiplexing，HDM）的基本思想。主要的混合复用形式有WDM／TDM、SDM／WDM、SDM／TDM，以及SDM／WDM／TDM复用。

5.相干域复用技术

相干域复用（coherence domain multiplexing，CDM）的基本原理为：各个光栅和反射镜通过耦合器和准直镜构成迈克尔逊干涉仪，一个压电陶瓷用来调制两臂的光程差；当反射镜的光程调整到和某个光栅接近，且可调谐滤波器允许该光栅的反射光通过时，在光探测器上可以看到和压电陶瓷上调制信号相应的干涉信号，调整反射镜的位置，就可以分别检测不同的传感光栅。

6.光频域反射复用技术

光频域反射复用的基本原理为：可调谐光源的幅值由频率按三角形变化的信号调制，照射时延不同的各个光栅，反射光经探测器转换为电压后再和原始的三角波信号相乘；两个相乘信号有时延，它们对应的调频频率不同，因此会产生拍频信号；频率是随时间线性变化的，因此对于同一时延光栅，拍频相等，而对于时延不同的光栅，拍频则不相等，利用拍频的差异就可实现光栅的复用。

相干域复用技术和光频域反射复用技术都是比较新颖的复用技术，其结构相对比较复杂，实用化程度不高。