1、一.布拉格光纖光柵原理布拉格光纖光柵（FBG）是一種使用強烈的紫外線激光以空間變化的方式而刻錄在標準、單模光纖中心的光學傳感器。UV Beam -紫外線激光束；FBG Region -布拉格光纖光柵區域；Fibre Core -光纖中心；FBG period A -布拉格光纖光柵周期；Fibre Cladding -光纖覆層；Polymer fibre coating 聚合物光纖涂層短波長紫外線光子具有足夠的能量打破高穩定度的氧化硅粘結料，破壞光纖的結構并輕微增 加其折射率。兩條連續的激光束之間或光纖與其遮罩物的干涉，會使紫外線光產生強烈的空間周 期性變化，從而導致光纖的折射率相應地產生周期性

2、的變化。在發生此變化的光纖區域形成的光 柵會變為一個波長選擇鏡像：光沿著光纖往下傳播并在每個微小變化處發生反射，但這些反射會 在大多數波長上產生破壞性的干涉，并沿著光纖連續傳播。然而，在某個特定的窄帶波長范圍內， 會產生有用的干涉，這些干涉會沿著光纖返回。布拉格波長人B由下式決定：人B=2neff A（1）這里，neff為激光在光纖內傳播的有效折射率；A為布拉格光柵的周期。從等式（1）可以看出，反射波長人B會受到光柵區域的物理或機械特性的變化的影響。例如， 由于彈光效應，光纖上的應變會改變A和neff.類似地，由于熱光效應，溫度的變化會導致neff 的改變；對于非約束光纖，A會受到熱膨脹和熱收

3、縮的影響，如等式（2）所示。其中，等式右 邊的第一項描述應變對人B的影響，第二項描述溫度對人B的影響。人B = XB（1-pa）Ae + XB（a+）AT（2）式中，人B為布拉格波長的變化，pa, a和&分別表示彈光系數、熱膨脹系數和熱光系 數，表示應變的變化，AT表示溫度的變化。對于刻錄在二氧化硅上波長為人B - 1550 nm的 典型光柵，應變和溫度的靈敏度分別約等于1.2 pm/”和10 pm/C。尤為重要的是，等式（2）的兩項條件是獨立的，這意味著布拉格光纖光柵（FBG）可通 過將光纖與應變隔離，從而進行溫度的測量；而具有溫度補償的應變測量可在溫度確定的情況下 進行，這種溫度的確定通常

4、來源于另一種應變隔離式布拉格光纖光柵（FBG）。布拉格光纖光柵（FBG ）除了可用于應變和溫度測量外，還可通過植入換能器，用于壓力、加 速度、位移等測量。Smart Fibres公司不僅生產FBG傳感器和換能器，還研發生產用于照射光 纖以及調制解調布拉格反射的設備。變化- 可使用一種傾斜濾光片（可以是另一種布拉格光柵）直接將波長變化轉換為光強變化。如果此濾 光片隨波長變化的透光比巳知，那么，單模光柵上反射的窄帶波長可通過測量和比較穿過和阻擋的光 波的強度即可確定。對于具有如下左下圖所示的透射譜的濾光器，當布拉格波長從七增加到七時， 減少的透射強度及反射或阻擋的光波強度Ir會相應地增加。這是對布

5、拉格光纖光柵進行解調的最簡單和最低廉的方式，但最大的缺點是它一次只能解調一個光柵。reject使用無源濾波器對布拉格光纖光柵進行解調，波長變化（左圖）轉化成光強的變化（右圖）可使用一種傾斜濾光片（可以是另一種布拉格光柵）直接將波長變化轉換為光強變化。如果 此濾光片隨波長變化的透光比已知，那么，通過測量并比較穿過和阻擋的光波的強度即可確定單 模光柵上反射的窄帶波長。對于具有如左下圖所示的透射譜的濾光器，當布拉格波長從招增加 到人2時，減少的透射強度及反射或阻擋的光波強度Ir會相應地增加。這是對布拉格光纖光柵進 行解調的最簡單和最低廉的方式，但最大的缺點是它一次只能解調一個光柵。廣泛使用的方法是通

6、過一個窄帶可調光源照射布拉格光纖光柵，這個是Smart Fibres公司當前 產品的根本。此方法在“波分復用”章節進一步進行介紹。波分復用（WDM）波分復用（WDM）的原理很簡單：多個光柵組成一個單模光纖并且每個光柵具有不同的布 拉格波長，在實際操作過程中，通過如下兩種方法實現： 使用一寬帶光源和一分光計進行檢測。使用一靈敏可調光源或一波長經過掃描后的光源和一簡單的光敏二極管檢測器。Smart Fibres公司的調制解調單元使用后一種方法，右圖所示的為此方法的工作原理示意圖。波分復用設備工作原理示意圖注解：a）光源，b）掃描濾波器，c）掃描發生器，d） 1-4通道的耦合網絡，e）布拉格光纖光

7、柵陣列，f）光電檢測器，g）處理器，h）通道4上的檢測器的時間變化，時間ti轉化成布拉格 波長XXi掃描發生器用于調節光源，將光源在光纖上傳播的任何給定波長范圍內進行掃射。當此波長與布 拉格光纖光柵（FBG）的布拉格波長一致時，光會沿著光纖反射至光電探測器。同時，掃描發生 器將計時信號提供給處理器，讓處理器將光強vs時間信息轉換成光譜信息。處理器后續會進行 處理以識別此光譜的峰值，找出它們的峰值位置并將其轉換為應變或溫度。時分復用（TDM）時分復用（TDM）系統采用寬帶脈沖光源并通過光源從光柵的返回信號到達檢測器所需 的時間來區分不同的光柵。與調制解調單元距離小的光柵處的脈沖比間距大的先接收到

8、。下圖所 示的為與調制解調單元有不同間距l的布拉格光柵陣列。從距離為li的布拉格光纖光柵返回的脈 沖所需的時間ti由下式決定：ti = 2li c/n式中，c為光在真空中傳播的速度，n為光纖的折射率。確定陣列中光柵的位置后，可使用如前所述的無緣傾斜濾波器來確定每個脈沖在其到來 時的波長。當然，也可使用高速分光計。_r：r時分復用（TDM）設備的工作原理示意圖。頂部：來自光源（a）的脈沖穿過耦合器（b）（此耦 合器也連接到檢測器（c），傳輸至包含布拉格光柵（e）的光柵；底部：光源在t0時刻傳出的 脈沖在與調制解調單元間距為11, 12和13布拉格光柵反射，并分別在t1, t2和t3時刻返回。Sm

9、art Fibres公司在成立之初就定位為致力于提供最高性價比的可調或掃描波分復用（WDM）技 術。三.布拉格光纖光柵傳感技術優勢基于布拉格光纖光柵（FBG ）的傳感器相對于傳統的電子傳感器技術具有很多重大優勢：適用于嚴苛環境布拉格光纖光柵傳感器完全無源，沒有使用任何電子元件。因此，它們可以工作在從低溫到幾百度的高溫 的極端溫度下，并可在電子傳感器及儀表無法工作的地方長期工作。抗電磁干擾布拉格光纖光柵傳感器的無源特性的另一個好處就是它們不受到靜電、電磁及無線電頻率源的干擾。所以 它們可以安裝在發電站等具有嚴重電子噪聲的場所。另外，由于無源，本質上它們是100%安全的，它可用 于大多數危險爆破環

10、境。遠程感應光纖是一個效率非常高的信號載體。因此，電子調制解調單元可安裝在距傳感器位置幾十千米的 地方。而傳統電子應變測量系統需要適當放大以防止噪聲淹沒信號。對于監測油井、提升柱、管道或隧道 等長距離、偏遠建筑結構，此特點具有特有和巨大的好處。光學傳感器沒有引線的影響，由于布拉格光纖 光柵傳感系統的被測量為波長，它不受到信號衰減的影響，所以遠端的傳感器信號在沿著較長光纖傳輸的 過程中不可能發生錯誤。長期穩定性布拉格光纖光柵傳感器的另一個優點是其對于遠程監控具有長期的穩定性。作為無源傳感器，布拉格光纖 光柵具有零漂移的特性，因而可以使用很多年而不需要重新標定。將傳感器安裝在結構上，然后連接到調

11、制解調設備，每隔幾年采集一次數據，就可獲得結構自上次讀數后的真實動作情況。由于一個調制解調單 元可用于很多結構，這大大增加了這項科技的經濟優勢。微小尺寸 刻錄布拉格光柵的光纖非常小，直徑只有約0.15mm。因此，很多傳感器可應用于非常小擾動的結構。特別 地，光纖傳感器陣列可以嵌入復合材料，用于檢測內部應變、溫度和損傷，而不影響復合材料的結構性能。內嵌光纖傳感器的夾層碳纖維面板斷面的放大圖復用技術一條光纖可以刻入很多布拉格光柵，而一臺多通道解調設備又可同時解調幾百條光纖。與每個傳感器都需 有一個專有通道的技術相比，使用波分復用技術可大大降低密集安裝設備的價格。另外，光纖比電纜更小、 更輕，且可以

12、復用，因而大規模的布拉格光纖光柵傳感器可安裝于因電纜的重量和體積所限而無法安裝的 特定應用。疲勞耐久性經過對內嵌光纖傳感器的碳化纖維試樣進行測試發現，在經過100萬次疲勞加載后，內嵌光纖傳感器不會發 生疲勞或結合破壞。今后我們還會在玻璃纖維材料上進行測試，以證明嵌于風輪機葉片內的光纖傳感器的 壽命可達到葉片25年的自身使用壽命。對于表面安裝的應用，光纖更不容易發生結合破壞，與多數電子傳 感器技術相比，對濕度和化學藥品具有更強的適應能力。安裝容易且費用低廉試想一下安裝很多傳統電子應變傳感器的情形：每個傳感器需要黏合到待測結構上，然后將黏合焊盤與每 個需要黏合的傳感器關聯起來；然后需要在現場將每個傳感器與其連接的焊盤焊接起來；然后需要在現場 將電纜焊接到所有的焊盤上并將電纜捋順、固定連接到一系列儀器上；最后，在測量開始之前，需要對所 有傳感器連接的電橋進行調平。相比較而言，使用布拉格