一、概述

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

同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1 ．可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)。由于光纖光柵對(duì)被感測(cè)信息用波長(zhǎng)編碼，而波長(zhǎng)是一種絕對(duì)參量，它不受光源功率波動(dòng)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(jiǎn)單、尺寸小，適于各種應(yīng)用場(chǎng)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(xué)環(huán)境下工作；

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

國(guó)外對(duì)光纖光柵傳感器的研究已經(jīng)基本實(shí)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(guó)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(shù)有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南開大學(xué)及黑龍江大學(xué)等。

二、光纖光柵傳感器原理

光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨溫度及應(yīng)變的變化而變化，在光通信領(lǐng)域中，這成為光纖光柵應(yīng)用的難題之一，而在傳感領(lǐng)域，它又成為必要的技術(shù)基礎(chǔ)，如圖 1 所示。

對(duì)于光纖光柵，滿足布拉格條件的入射光波長(zhǎng)（即中心波長(zhǎng)）被光纖光柵反射：

l =2 n L ，

其中： l — 光柵中心波長(zhǎng)；

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(zhǎng)會(huì)隨溫度和應(yīng)變而變化，則有：

?

其中： D l —光纖光柵中心波長(zhǎng)變化量

e —應(yīng)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(luò)解決方案

對(duì)于光纖光柵傳感器，國(guó)內(nèi)已經(jīng)解決了光纖光柵照射技術(shù)，現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)解調(diào)

? ?

與分析，因?yàn)楣饫w光柵傳感器變化量為波長(zhǎng)，所以要采用相應(yīng)的波長(zhǎng)探測(cè)計(jì)或光頻譜分析儀來檢測(cè)，或者對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)進(jìn)行精確控制。對(duì)于多通道傳感網(wǎng)絡(luò)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)大型傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，就要采用一些相應(yīng)的復(fù)雜的設(shè)備，但這些設(shè)備造價(jià)通常比較昂貴。

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

從光源發(fā)出的光，經(jīng)分束后，一路光作為參考光進(jìn)入信號(hào)分析儀，另一路光經(jīng)過光纖光柵傳感器后再回到信號(hào)分析儀，通過兩路光信號(hào)間的比較和處理就可以將被測(cè)信號(hào)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(shè)備

上海紫珊光電技術(shù)有限公司采用自已研發(fā)制造的解調(diào)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)解調(diào)，并能夠減小光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理中帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變及溫度的單參數(shù)測(cè)量。

四、工程應(yīng)用

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

1 ．橋梁、建筑及大壩中的應(yīng)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(cè)的方法，而且也可以為監(jiān)測(cè)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(cè)量精度可以達(dá)到幾個(gè)微應(yīng)變級(jí)，具有很好的可靠性，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，采用分布式埋入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)橋梁或建筑物的健康狀況監(jiān)測(cè)，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。

2 ．在航空航天中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，飛行安全是人們十分關(guān)注的一個(gè)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(diǎn)，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(luò)，可以對(duì)飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。波音公司（ Boeing ）進(jìn)行了這方面的許多研究，并擁有許多專利技術(shù)。

3 ．在海洋石油平臺(tái)及油田等中的應(yīng)用

? 海洋石油平臺(tái)是海上石油資源開發(fā)的重大基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基礎(chǔ)。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，在其影響下，海洋平臺(tái)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(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，而且易受海水侵蝕而失效。

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

五、結(jié)論

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

2 ．國(guó)內(nèi)對(duì)于光纖光柵傳感的研究開發(fā)已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，進(jìn)一步將是如何商品化、工程化的問題，這個(gè)進(jìn)程對(duì)傳感領(lǐng)域具有非常重要的意義。