光纤光栅传感器工作原理及优势介绍

 据了解，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。

 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。

 光纤光栅传感技术的优势

在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃～600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能建筑。

光纤光栅传感器在诸多领域的应用，在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。光纤光栅传感器可以用于应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，实现准分布式光纤传感。总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。

目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面：一是对传感器本身及能进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；二是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；三是光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。

目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调，正在研究的解调方法很多，但能够实际应用的解调产品并不多，而且价格较高。其次，光纤光栅传感器应用中的其他问题也非常重要，如：

1、由于光源带宽有限，而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠，因此可复用光栅的数目受到限制；

2、如何实现在复合材料中同时测量多轴向的应变，以再现被测体的多轴向应变形貌；

3、如何实现大范围、高精度、快速实时测量；

4、如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的等。有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义，这些都有待发展。