什么是光纤光栅传感器 光纤光栅传感器原理【图文】

什么是光纤光栅传感器光纤光栅传感器原理【图文】

光纤光栅传感器是光纤传感器的一种，主要基于光纤光栅。传感过程是通过外部物理参数对光纤布拉格波长进行调制来获得传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。下面介绍一下光纤光栅传感器的原理和应用。

由于光纤光栅与光纤的天然兼容性，很容易在一根光纤上串联多个光纤光栅，形成光纤光栅阵列，实现准分布式传感。除此之外，光纤光栅具有普通光纤的诸多优点，其本身的传感信号是波长调制的，被测信号不受光源波动的影响，光纤的弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗的影响。因此，光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国学者的广泛关注和浓厚兴趣。自1989年Morey等人首次研究了光纤光栅的应变和温度传感特性以来，光纤光栅传感器的应用领域不断扩大。现在人们已经逐渐将其应用于各种物理量的测量，并制成各种传感器。

(一)光纤光栅传感器的分类:

这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器等。

(1)光纤光栅应变传感器及其原理:这类传感器是工程领域中应用最广泛、最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤布拉格光栅的波长漂移。当工作环境较好或被测结构需要小型传感器时，人们采用裸光纤光栅作为应变传感器，直接贴在被测结构表面或埋入结构内部。由于光纤光栅易碎，在恶劣的工作环境下很容易被破坏，所以需要封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基板、灯管和两端基于灯管的夹持。

(2)光纤布拉格光栅温度传感器及其原理:温度是国际单位制给出的基本物理量之一。它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活密切相关的重要物理量。目前常用的电温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。与传统传感器相比，光纤温度传感器具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射、光路灵活、遥测方便等优点。基于光纤光栅技术的温度传感器采用波长编码技术，消除了光源功率波动和系统损耗的影响，适合长期监测。而且，由多个光纤光栅组成的温度传感系统可以用一根光缆实现准分布式测量。温度也是直接影响光纤光栅波长变化的一个因素。人们经常直接使用裸光纤光栅作为温度传感器。和光纤光栅应变传感器一样，光纤光栅温度传感器也需要封装。封装技术的主要作用是保护和增加灵敏度。人们希望光纤光栅能有很强的机械强度和很长的使用寿命。同时，也希望合适的封装技术能够提高光纤光栅在光纤传感中对温度的灵敏度。普通光纤光栅的温度灵敏度只有0.010nm/℃分辨率为lpm的解码器在解调时可以获得较高的温度分辨率，但是如果分辨率为0。06nm用于测量由于设备的限制，其分辨率只有6度，远远不能满足实际测量的需要。目前常用的封装方式有基板、管材和聚合物封装。

(3)光纤光栅位移传感器及其原理:研究人员已经开展了利用光纤光栅进行位移测量的研究。目前这些研究都是基于测量悬臂梁表面的应变，然后计算悬臂梁的竖向变形，即悬臂梁端部的竖向位移。这种位移传感器它不是真正的位移传感器。目前这种传感器已经在实际工程中得到应用，国内也有商用产品。

(4)光纤光栅压力传感器及其原理监测张力或压力也是监测的重要内容，如桥梁结构的整体索力、高纬度海上平台的冰压、道路的土压和水压等。哈工大的欧等人先后研制出光纤光栅索压环和光纤光栅冰压传感器，英国海军研究中心研制出光纤光栅土压传感器，用于监测高速公路内部的荷载。并且各国已经开始了光纤光栅油气井压力传感器的研究工作。

除了上述的光纤光栅传感器，基于光纤光栅的传感原理，光纤光栅研究人员和传感器设计人员还设计了光纤光栅引伸计、光纤光栅曲率计、光纤光栅湿度计、光纤光栅测斜仪、光纤光栅连接管等。此外，人们还通过光纤光栅应变传感器制作了测量道路运输的运输仪和测量道路施工过程中沥青应变的应变仪。

(2)光纤光栅传感器的特点

(1)抗电磁干扰:一般情况下，电磁辐射的频率远低于光波的频率，因此光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

(2)电绝缘性好，安全可靠:光纤本身由电介质制成，不需要电源驱动，适用于易燃易爆的油、气、化工生产中。

(3)耐腐蚀，化学性能稳定:由于光纤应时的材料具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适合在恶劣环境中使用。

(4)体积小，重量轻，几何形状可塑。

(5)传输损耗低:可实现远程监控。

(6)传输容量大:可实现多点分布式测量。

(7)测量范围广:可测量温度、压力、应变、应力、流量、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。

(三)光纤布拉格光栅传感器的应用自从1989年美国Morey等人首次研究出光纤布拉格光栅应变和温度传感器以来，世界各国都非常重视，并进行了广泛的应用研究。在短短的10多年里，光纤光栅已经成为传感领域发展最快的技术，并成功应用于航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等多个领域。光纤光栅传感器作为光纤传感器的一种，在传感领域保持着良好的发展势头。通过以上对光纤光栅传感器的描述，希望对大家的工作和学习有所帮助。