一、概述

隨著光通信技術的發(fā)展，光通信中的一些技術逐漸為傳感領域中的應用提供了技術平臺，光纖光柵就是其中之一。以光纖光柵技術為基礎的光纖光柵傳感器正成為傳感器研究領域中的又一大熱點。

同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡應用中具有非常明顯的技術優(yōu)勢：

1 ．可靠性好、抗干擾能力強。由于光纖光柵對被感測信息用波長編碼，而波長是一種絕對參量，它不受光源功率波動以及光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響，因而光纖光柵傳感器具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性；

2 ．傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，適于各種應用場合，尤其適合于埋入材料內(nèi)部構(gòu)成所謂的智能材料或結(jié)構(gòu)；

3 ．抗電磁干擾、抗腐蝕、能在惡劣的化學環(huán)境下工作；

4 ．可復用性強，采用多個光纖光柵傳感器，可以構(gòu)成分布式光纖傳感網(wǎng)絡。

國外對光纖光柵傳感器的研究已經(jīng)基本實現(xiàn)了光纖光柵傳感器的商品化，工程化，如 Blue Road Research 、 CiDRA 、 MOI 等。國內(nèi)在光纖光柵傳感器方面的研究工作也取得了一定成果，其中一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，如上海紫珊光電技術有限公司、哈爾濱工業(yè)大學、南開大學及黑龍江大學等。

二、光纖光柵傳感器原理

光纖光柵的中心波長隨溫度及應變的變化而變化，在光通信領域中，這成為光纖光柵應用的難題之一，而在傳感領域，它又成為必要的技術基礎，如圖 1 所示。

對于光纖光柵，滿足布拉格條件的入射光波長（即中心波長）被光纖光柵反射：

l =2 n L ，

其中： l — 光柵中心波長；

n — 纖芯有效折射率；

Λ— 纖芯折射率的調(diào)制周期。

光纖光柵的中心波長會隨溫度和應變而變化，則有：

?

其中： D l —光纖光柵中心波長變化量

e —應變量

D T —溫度變化

光纖光柵傳感器的傳感原理及結(jié)構(gòu)如圖 1 、圖 2 所示。

三、光纖光柵傳感網(wǎng)絡解決方案

對于光纖光柵傳感器，國內(nèi)已經(jīng)解決了光纖光柵照射技術，現(xiàn)在的研究重點在于傳感網(wǎng)絡的信號解調(diào)

? ?

與分析，因為光纖光柵傳感器變化量為波長，所以要采用相應的波長探測計或光頻譜分析儀來檢測，或者對傳感網(wǎng)絡中的波長進行精確控制。對于多通道傳感網(wǎng)絡，要實現(xiàn)對大型傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的處理，就要采用一些相應的復雜的設備，但這些設備造價通常比較昂貴。

圖 3 所示為上海紫珊光電技術有限公司所提供的全套解決方案，該傳感網(wǎng)絡具有響應速度快，高靈敏度，高測量精度等特點。

從光源發(fā)出的光，經(jīng)分束后，一路光作為參考光進入信號分析儀，另一路光經(jīng)過光纖光柵傳感器后再回到信號分析儀，通過兩路光信號間的比較和處理就可以將被測信號解調(diào)出來。

1 ．光源部分采用的是寬帶光源和可調(diào)諧濾波器：

2 ．光纖光柵傳感頭

3 ．解調(diào)設備

上海紫珊光電技術有限公司采用自已研發(fā)制造的解調(diào)設備，能夠?qū)崿F(xiàn)對光纖傳感網(wǎng)絡的信號解調(diào)，并能夠減小光纖光柵傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理中帶來的誤差，實現(xiàn)對應變及溫度的單參數(shù)測量。

四、工程應用

光纖光柵傳感器的應用范圍非常廣，在橋梁、建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程都可以進行實時安全、溫度及應變監(jiān)測。

1 ．橋梁、建筑及大壩中的應用

光纖光柵形變傳感器提供了一種用于公路及橋梁、建筑、堤壩的健康監(jiān)測的方法，而且也可以為監(jiān)測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)。

這種傳感器的測量精度可以達到幾個微應變級，具有很好的可靠性，可實現(xiàn)動態(tài)測量，采用分布式埋入可以實現(xiàn)對整個橋梁或建筑物的健康狀況監(jiān)測，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。

2 ．在航空航天中的應用

在航空航天領域，飛行安全是人們十分關注的一個方面。光纖光柵傳感器具有體積小，重量輕，靈敏度高等優(yōu)點，將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中，組成分布式智能傳感網(wǎng)絡，可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機械性能及外部環(huán)境進行實時監(jiān)測。波音公司（ Boeing ）進行了這方面的許多研究，并擁有許多專利技術。

3 ．在海洋石油平臺及油田等中的應用

? 海洋石油平臺是海上石油資源開發(fā)的重大基礎性設施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基礎。海洋平臺結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分復雜、惡劣，在其影響下，海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗力衰減非常明顯，而傳統(tǒng)的電傳感器只能進行單點測量，而且易受海水侵蝕而失效。

光纖光柵傳感器對電磁場及電流不敏感，而且可以構(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡，因此它可以應用于一些傳統(tǒng)的電傳感器所不能應用的領域，如油田、天然氣田及煤田等，用于探測儲量及地層狀況等。

五、結(jié)論

1 ．光纖光柵傳感器具有非常獨特的技術優(yōu)勢，可以應用于各種傳感領域，隨著通信業(yè)的發(fā)展，其成本必然會越來越低，也必將發(fā)揮越來越大的作用。

2 ．國內(nèi)對于光纖光柵傳感的研究開發(fā)已經(jīng)取得了一定的成績，進一步將是如何商品化、工程化的問題，這個進程對傳感領域具有非常重要的意義。