光纤光栅传感技术简介
光纤光栅传感技术简介
一、 光纤光栅
光纤光栅是在1978 年由加拿大通信研究中心的 K.Hill 等人发明的。他是利用曝光（或光刻）技术在光纤上形成的折射率（或物理损伤）的周期性分布结构，称为光纤光栅。光纤光栅能够把光纤中传输的某一特定波长光的反射，由于其反射波长满足Bragg 衍射方程，所以把这种光栅称为光纤Bragg 光栅（fiber Bragg grating），英文缩写FBG 。
二、 光纤光栅传感原理
光纤光栅周期在几百纳米数量级，当某一宽带光源的光入射到光纤光栅中时，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，反射光的波长由Bragg 公式确定
，λ=2n eff Λ （1）
式中，λ、n eff 和Λ分别为光纤光栅的反射波长、有效折射率和周期。
当环境温度和光纤光栅受到应变作用时，光纤光栅的反射波长发生改变，改变量由下式给出
∆λ
λ=(1-p e ) ε+(α+ξ) ∆T （2），
2式中, p e =n eff [p 12-μ(p 11+p 12) /2 为有效弹光系数, p 11和p 12为弹光系数, μ为纤芯材料的泊松比，α为弹性体的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，∆T 为温度改变量，ε为光纤的轴向应变。
如果光纤光栅不受应变作用时，（2）式变为
∆λ
λ
此时，光纤光栅可用作温度传感器。 =(α+ξ) ∆T （3），
如果温度和应变同时作用，由（2）式可得
ε=1∆λ[-(α+ξ) ∆T ] （4）。 1-p e λ
公式（4）表明：如果已知光纤光栅谐振波长的漂移量及其温度的改变量，就可以计算出光纤光栅的应变，此时，光纤光栅可用作应变传感器。
三、 光纤光栅传感的优势与特点
1. 光纤光栅器件集成在光纤内部，体积小、重量轻、无源无电、不怕灰尘，
具有电磁信号干扰的能力，不怕雷电，可在易燃易爆和强电磁干扰等恶劣环境使用；
2. 光纤光栅传感器采用光波长编码，采用“波分复用”、“时分复用”和“空
分复用”技术，容易组网，形成大规模光纤光栅传感网络，特别适合于大型结构工程、航空、航天等领域应用；
3. 光纤光栅传感器信号可进行远距离传输，距离可达几十公里，适合用于
大型结构工程远距离实时在线监测，尤其适合在无人区、无电区以及恶劣的环境进行长期监测；
4. 光纤与碳纤维材料兼容，可嵌入到复合材料内部，对复合材料损伤进行识别。
2014-7-25