布拉格光纤光栅的详细介绍

1978年加拿大通信研究中心的KOHill等人发现了掺锗光纤的光敏特性并制作出世界上第一根光纤光栅，随着后来光栅写入技术的进步和低温高压载氢敏化处理技术的发现，使光纤光栅的批量生产成为可能，光纤光栅开始走向实用化，广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。目前光纤光栅已经广泛应用于应变、温度、压力等众多物理参量的静态及动态测量，在传感领域发挥了重要的作用。
光纤光栅本质上就是一段纤芯中具有折射率周期性变化结构的光纤。根据模耦合理论，它对特定波长的入射光具有反射作用，反射中心波长为 ，它与纤芯有效折射率及光栅周期 有关。

反射属于几何光学，衍射属于波动光学，而几何光学只是波动光学在波长远小雨问题所涉及的物体（障碍物、孔缝、反射镜、透射镜等）的尺度时的简化近似版本，因此，反射角等于入射角在几何光学中只是作为一个实验定律给出（不提费马原理，那将超出光学领域，是关于作用量原理的一个很深刻的东西），而在波动光学中可以从基本的惠更斯子波原理和波的叠加干涉原理出发推导出反射角等于入射角，与此同时，还通过数学演算细致地描述了衍射的光强分布以及这一分布与反射定律的关系。
首先看晶体中某一个晶面上的众多原子与入射光束的相互作用：由于是斜射，有一定宽度的平面波光束的波前不是同时经过该晶面，光束中最靠近晶面的那一侧（即光束的下部）的光线最先进入。当光束上部的光线最后进入时，最先进入的光线在该晶面上的各个相遇的原子处形成的子波的球面波最大，其他先后进入的光线在该晶面其他原子处形成的子波的球面波顺次减小（光束上部的光线在该晶面处形成的子波的球面波现在只是一个点）。这些子波的众多球面波的波前包络面构成上下两平面，下平面与原来未进入该晶面时的波前是平行的，它们就是深入下一层晶面的光波；而上平面就是该晶面的反射光的波前，由几何关系不难证明反射定律。这其实说得仍不够细致，各个球面子波本身的扩散将发生衍射，而各个球面子波之间还要发生相互干涉，这类似于光栅衍射（>光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤光栅温度传感技术与喇曼散射温度传感技术的比较
光纤光栅温度传感技术与喇曼散射温度传感技术都是新近发展起来的用于测量空间温度分布的光子传感器系统，由于系统具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、在有害环境中使用安全等性能，因而都是世界上具有先进水平的传感技术，但两者各有其适用范围，也各有其特点。以下作一简单比较，仅供参考：
一、相同点
1）两者同属光纤类传感技术
光导纤维最早在光学行业中用于传光及传像。在20世纪70年代初生产出低损光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。但是光导纤维不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。这就是光纤传感器的基本原理，如图所示。
2）两者具有一些共同特性：
与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：
抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。
灵敏度高
利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论证明，有的已经实验证，如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器。
重量轻，体积小，外形可变
光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可绕的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。
测量对象广泛
目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。
对被测介质影响小
这对于医药生物领域的应用极为有利。
便于复用，便于成网
有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络
成本低
有些种类的光纤传感器的成本将大大小于现在同类传感器。
2不同点
1）检测原理不同：
基于喇曼散射的光纤温度传感器所检测的物理量是微弱的后向喇曼散射光的光强。微弱的后向喇曼散射光的光强会随着检测光缆周围温度的变化而变化，通过检测后向喇曼散射光的光强从而测知光缆周围的温度值。但后向喇曼散射光的光强不仅非常弱小，而且还会受发光光源稳定性、连接损耗、光缆缺陷、光缆位置的微小变动等因素的影响，从而影响检测结果的可靠性。
光纤光栅温度传感器检测的物理量是光纤光栅布拉格波长，是数字式测量技术，具有极高的准确性。光纤光栅布拉格波长会随着光栅周围温度的变化而变化，通过检测光纤光栅布拉格波长的变化从而测知光栅周围的温度值。光纤光栅布拉格波长不受发光光源稳定性、连接损耗、光缆缺陷、光缆位置的微小变动等因素的影响，因而是讫今为止可靠性最高的光纤传感器。
2）对光缆的要求不同：
基于喇曼散射的光纤温度传感器要求光缆均匀性好、无缺陷，否则会导致测量误差，影响系统检测信号的可靠性；光纤光栅温度传感器采用数字式测量技术，光缆的非均匀性不会使光纤光栅布拉格波长发生变化。因而光纤光栅温度传感器对光缆的均匀性没有特别严格的要求。
3）使用寿命不同：
由于后向喇曼散射光极其微弱，基于喇曼散射的光纤温度传感器必须使用高功率的激光光源，其使用寿命为 小时量级；光纤光栅温度传感器使用LED光源，使用寿命为 小时量级，比前者高一个数量级，特别适合于在线监测、长期使用。
4）主要性能不同：
基于喇曼散射的光纤温度传感器受其信号处理方式的局限，温度精度及温度分辨率、空间精度及空间分辨率以及响应时间不可能同时达到很高的水平；光纤光栅温度传感器不受此局限。
5）数据处理方式不同：
基于喇曼散射的光纤温度传感器对数据的处理方式有两个特点，其一是对时间求平均，其二是对空间求平均，因而响应时间长；光纤光栅温度传感器是把检测的布拉格波长按照其内在规律转换为对应的温度值，不存在求平均的问题。
由于喇曼散射光极其微弱，比微弱的瑞利散射光还要低一个数量级，基于喇曼散射的光纤温度传感器要想提高信噪比，提高温度精度，必须增加信号“累加”次数，因而大大延长相应时间。
光纤光栅温度传感器无需作“累加”处理，具有很高的响应速度。
三、参考结论
3．1喇曼散射温度传感技术的主要优点：
1）防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、在有害环境中使用安全；
2）分布式温度检测；
3）应用范围广；
4）可 *** 作性：光纤质轻、径细、柔软，，具有良好的可 *** 作性。
3．2喇曼散射温度传感技术的主要缺陷：
1）喇曼散射系统的主要缺点是其微弱的散射光信号，大约为入射光的 ，即亿分之一，这样弱的信号使得信号的测量和处理变得很困难，从而严重限制了系统的性能；
2）由于使用高功率的激光光源，使用寿命相对较小；
3）受其测量原理的局限，测量精度与响应时间互相牵制，要提高测量精度就必须延长响应时间，要减小响应时间，又必须牺牲掉测量精度，二者不能同时达到很高的水平；
4）长期使用中的性能稳定性差；
5）由于检测信号微弱，信号处理非常复杂，系统造价昂贵；
6）如果为了降低平均成本而扩大一套系统的检测区域，这样会使检测光缆的长度很长。这样做虽然降低了平均成本，但又导致另外的后果，那就是检测光缆中几个断点的出现就会使整个系统瘫痪。
7）空间分辨率指标太低。如果空间分辨率为8米，将会出现漏报现象。
8）系统中所使用的泵浦光源：高功率脉冲半导体激光器，以及探测器APD，不仅使用寿命短，而且难以长时间保持高性能的工作状态，从而影响系统性能。目前为止，高功率脉冲半导体激光器和探测器APD的性能在使用过程中的下降是比较快的。
9）系统需要进行特性曲线定标，而系统在进行特性曲线定标时，要求整个线路处于非正常状态，线路的温度平均分布，只有在这种严格条件下测到的曲线才能如实反映光纤的物理特性，系统才能给出正确的温度信息，而要达到这样严格的条件比较困难。
10）系统要经常校正零点设置，这不仅会影响系统的正常运行，而且，对零点的设置很难做到绝对准确。

摘 要：随着我国电力系统的不断发展，电力设备安全在线监测越来越受到人们的重视。现有的电力设备监测手段从工作原理上分主要有电信号传感器和光信号传感器两类。很多情况下需要测量的地方处在高压环境中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组，发电机定子的电压、电流、温度等参数的实时测量。这些地方测量需要的传感器应具有很好的绝缘性能，一般电信号传感器无法满足使用要求。由于光纤光栅传感器所具有的绝缘、抗电磁干扰、体积小等特点，是进行这些环境下测量的最佳选择。
关键词：光纤；光栅；电力；应用
一、光纤光栅传感器技术
光纤光栅传感器经过半个世纪的发展与研究，在光纤光栅的制作技术上有了比较多的成绩，光纤光栅也得到了广泛的应用。尤其近年兴起的光纤光栅传感器，更是吸引了各国学者的广泛关注。相比传统的传感器，光纤光栅传感器具有其独特的优势，例如，径细、质软、重量轻，以及绝缘、抗电磁干扰且耐水、耐高温、耐腐蚀等特点。正是由于光纤光栅传感器所具有的诸多特点使其在工业、农业、电力、医疗等领域有着广阔的应用。光纤光栅的制作与发展经过几十年的不断发展，写入激光光源的不断更新和光纤制作技术的不断完善，使光纤光栅的制作技术有了长足的发展。短周期光纤光栅的制作通常分为两种：一种是内部写入法，一种是外部写入法。内部写入法的制作简单，对实验装置的要求较低，但它只能写入布拉格波长与激励波长一致的光栅。氩离子激光器作光源，利用驻波干涉法成功制出第一根LMN。
二、光纤光栅传感器技术在电力系统中的应用
大型变压器在运行时,绕组温度分布是不均匀的。通过传统的热模拟法测量的技术，运行绕组的温升过程与模拟不尽相同误差较大,法国电网已停用该测温装置。在顶层油温处于正常水平的情况下，绕组的热点温度可能已发生局部过热。绕组过热一方面会造成该处油的分解，另一方面还会造成该处局部绝缘。累积性的老化多次重复过热。最终将导致绝缘击穿而损坏变压器。
21热点温度测量技术
在变压器热点温度直接测量技术上，主要是围绕光纤传感技术来进行的光。纤为SiO2材料，具有非常优异的绝缘特性，敏感组件测量和信号的传输均由光来完成，没有电信号的引入，因此理论上就为光纤传感技术在变压器热点温度监测上成为可能。目前使用光纤传感技术测量变压器热点温度主要有三种测量技术：荧光式测量，半导体式测量和光纤光栅测量。
22荧光式测温
荧光式测温方法是在光纤末端加入荧光物质，经过一定波长的光激励后，荧光物质受激辐射出荧光能量，由于受激辐射能量按指数方式衰减，衰减时间常数。根据温度的不同而不同，通过测量衰减时间，从而得出测量点的温度。由于衰减时间常数的计算是通过荧光物质受激辐射后的光强测量而换算得到的，而光强受光纤弯曲所产生的光损耗、光纤接头处的插入损耗以及外接光缆的光损耗等因素影响，从而导致衰减时间常数计算误差。
23半导体测温
半导体测温原理是在光纤末端加入砷化钾晶体，当光源发出多重波长的光照射到砷化钾晶体时，该晶体处于不同的温度会吸收部分波长的光，同时将剩余不能吸收的波长的光反射回去通过检测反射光的频谱，从而换算出测量点的温度。半导体测温由于测量的是光的频谱，不是光强，因此测量不受光功率影响，但是在实际 *** 作过程中，但是光路的变化如光缆的重新布置,传感器的重新焊接还会严重影响测温的准确性，还须重新定标确保温度测量的准确性。同荧光式测温技术一样，温度敏感组件都是处于光纤的末端，单根光纤只能接一个传感器。
24光纤光栅测温
光纤光栅是在光纤上制作的、只反射特定波长的光传感组件。该器件反射的波长与温度具有优异的线性关系，光纤光栅反射波长和温度线性拟合的决定系数。可达9999%，通过测量光纤光栅反射回的光的波长，即可换算出测量点的温度。在单根光纤上的不同位置可以刻写不同波长的光纤光栅传感器，每个传感以光纤。光栅刻写时的光反射波长为其编码，通过波分复用技术，从而在单根光纤上实现。最多可达20个光纤光栅传感器的串联。
26光纤光栅测温系统在110kV变压器中的应用
本项目采用深圳太辰光通信有限公司自主研制、生产的变压器光纤光栅测温。系统主要技术有：TS-WI-40-4光纤光栅波长解调仪光纤光栅温度传感器，波长范围为1525nm-1565nm，温度的范围在-40℃～+300℃。测量的通道数4道，精度在+/-1℃之间。温度的精度±1℃，光缆护套Ф11mm。铁氟龙套管温度分辨率 01℃，内部油浸光纤长度10米，单根光纤传感器数量最多20个，传感器尺寸Ф07mm×10mm。
27测量方案
高压绕组紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器，低压绕组紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器。这样设置传感器的理由一方面可。以评估绕组的热点温度；另一方面可以比较在绕组的紧邻位置，两个传感器测量的温度是否有较好的一致性。
28光纤光栅传感器的安装
（1）在垫块上切割一个凹槽，凹槽直径要保证可以放入光纤传感器。
（2）使用变压器工业专用黏合剂固定传感器，并利用牛皮纸固定传感器。
（3）用未切割凹槽的垫块粘合开槽垫块的上下两个面。用楔子插入线圈撑出放入垫块的空间。将粘合好传感器的垫块插入线圈，垫块放置方向和绕组轴向相同取出楔子。
三、光纤光栅传感器技术在电力上运用的安全性能
进入变压器内部的光纤光栅传感器及相关材料分别经过两个阶段的试验评估，第一阶段试验是按照GB/T169271-19《高电压试验技术第一部分一般试验要求》，在105℃的油温中放置了168小时，试验前后油样的油化验结果合格，且光纤光栅传感器及相关材料均无开裂现象。第二阶段试验是将上述材料放入变压器油中2年，试验结果证明材料和变压器油兼容性满足要求，光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估。光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估分别经历两个阶段的试验评估。第一阶段试验是按照GB/T169271-19《高电压试验技术第一部分一般试验要求》，光纤光栅传感器在变压器油中的耐压值不低于3kV/mm。第二阶段试验中光纤光栅传感器经受了1575kV雷电冲击、1525kV *** 作冲击、400kV工频耐压和DC1020kV，5min中的直流耐受试验，并顺利通过了上述测试。
结束语
光纤光栅传感器在电力上的应用，主要包括两种方式：通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测、间接测量电学参量如电压、电流等。电力设备的故障主要存在于电力系统要害部位终端、中间接头等和易发生故障的部位弯曲敷设部位，因此对电力电缆系统的重点部位进行实时温度监测，就可以实现电力电缆的安全检测。光纤光栅传感器检测的电力设备包括高压开关柜隔离触头断路器、线夹、隔离刀闸、互感器、变压 器、电抗器、阻波器等。光纤光栅传感器对这些电力设备进行温度的在线监测，诊断过热的原因，再经过处理分析故障，从而实现真正意义的在线安全监测。
参考文献
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