光纤光栅传感器与传感网络技术

一、概述

随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应用提供了技术平台，光纤光栅就是其中之一。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域中的又一大热点。

同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势：

1 ．可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动以及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有非常好的可靠性和稳定性；

2 ．传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构；

3 ．抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作；

4 ．可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可以构成分布式光纤传感网络。

国外对光纤光栅传感器的研究已经基本实现了光纤光栅传感器的商品化，工程化，如 Blue Road Research 、 CiDRA 、 MOI 等。国内在光纤光栅传感器方面的研究工作也取得了一定成果，其中一部分已经转化为产品，如上海紫珊光电技术有限公司、哈尔滨工业大学、南开大学及黑龙江大学等。

二、光纤光栅传感器原理

光纤光栅的中心波长随温度及应变的变化而变化，在光通信领域中，这成为光纤光栅应用的难题之一，而在传感领域，它又成为必要的技术基础，如图 1 所示。

对于光纤光栅，满足布拉格条件的入射光波长（即中心波长）被光纤光栅反射：

l =2 n L ，

其中： l — 光栅中心波长；

n — 纤芯有效折射率；

Λ— 纤芯折射率的调制周期。

光纤光栅的中心波长会随温度和应变而变化，则有：

其中： D l —光纤光栅中心波长变化量

e —应变量

D T —温度变化

光纤光栅传感器的传感原理及结构如图 1 、图 2 所示。

三、光纤光栅传感网络解决方案

对于光纤光栅传感器，国内已经解决了光纤光栅照射技术，现在的研究重点在于传感网络的信号解调

与分析，因为光纤光栅传感器变化量为波长，所以要采用相应的波长探测计或光频谱分析仪来检测，或者对传感网络中的波长进行精确控制。对于多通道传感网络，要实现对大型传感网络数据的处理，就要采用一些相应的复杂的设备，但这些设备造价通常比较昂贵。

图 3 所示为上海紫珊光电技术有限公司所提供的全套解决方案，该传感网络具有响应速度快，高灵敏度，高测量精度等特点。

从光源发出的光，经分束后，一路光作为参考光进入信号分析仪，另一路光经过光纤光栅传感器后再回到信号分析仪，通过两路光信号间的比较和处理就可以将被测信号解调出来。

1 ．光源部分采用的是宽带光源和可调谐滤波器：

2 ．光纤光栅传感头

3 ．解调设备

上海紫珊光电技术有限公司采用自已研发制造的解调设备，能够实现对光纤传感网络的信号解调，并能够减小光纤光栅传感网络数据处理中带来的误差，实现对应变及温度的单参数测量。

四、工程应用

光纤光栅传感器的应用范围非常广，在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全、温度及应变监测。

1 ．桥梁、建筑及大坝中的应用

光纤光栅形变传感器提供了一种用于公路及桥梁、建筑、堤坝的健康监测的方法，而且也可以为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。

这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实现动态测量，采用分布式埋入可以实现对整个桥梁或建筑物的健康状况监测，从而防止工程及交通事故的发生。

2 ．在航空航天中的应用

在航空航天领域，飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤光栅传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高等优点，将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中，组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。波音公司（ Boeing ）进行了这方面的许多研究，并拥有许多专利技术。

3 ．在海洋石油平台及油田等中的应用

  海洋石油平台是海上石油资源开发的重大基础性设施，是海上生产作业和生活的基础。海洋平台结构所处环境十分复杂、恶劣，在其影响下，海洋平台结构的抗力衰减非常明显，而传统的电传感器只能进行单点测量，而且易受海水侵蚀而失效。

光纤光栅传感器对电磁场及电流不敏感，而且可以构成分布传感网络，因此它可以应用于一些传统的电传感器所不能应用的领域，如油田、天然气田及煤田等，用于探测储量及地层状况等。

五、结论

1 ．光纤光栅传感器具有非常独特的技术优势，可以应用于各种传感领域，随着通信业的发展，其成本必然会越来越低，也必将发挥越来越大的作用。

2 ．国内对于光纤光栅传感的研究开发已经取得了一定的成绩，进一步将是如何商品化、工程化的问题，这个进程对传感领域具有非常重要的意义。