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布拉格光栅传感器：光纤布拉格光栅传感器的特点以及工作原理解析

近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。
在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。
光纤传感器简介
从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 （混合型） 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。
光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯（core），包层（cladding）和保护层（buffer coating）。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保护程序的不同，使用多层保护层。

图1. 典型光纤的横截面图
光纤布拉格光栅（FBS）传感器
光纤布拉格光栅传感器是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。
当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，如下面的方程 （1） 中所示。这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。
在方程 （1）中，λb 是布拉格波长，n 是光纤纤芯的有效折射率，而 Λ 是光栅之间的间隔长度，称为光栅周期。

图2. 光纤布拉格光栅传感器的工作原理
因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度的函数（方程 （1） 中的Λ），所以光纤布拉格光栅可以被生产为具有不同的布拉格波长，这样就能够使用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。

图3. 光纤布拉格光栅透视图
应变以及温度的改变会同时影响光纤布拉格光栅有效的光折射率 n 以及光栅周期Λ ，造成的结果就是光栅反射光波波长的改变。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程 （2） 中的关系来表示：
其中 Δλ 是反射波长的变化而 λo 为初始的反射波长。
右边加号前的第一个表示式表示的是应变的变化对反射波长的影响。其中 pe 是应变光学灵敏系数，而 ε 是光栅所受到应变影响。加号后面的第二个表达式表示的是温度的变化对波长造成的影响。其中 αΛ 是热膨胀系数而 αn 是温度光学灵敏系数。αn 体现了光折射率因为温度变化造成的影响而 αΛ 体现了同样的温度变化造成的光栅周期的改变。
正因为光纤布拉格光栅会同时受到应变和温度变化的影响，所以在计算反射波长变化的时候既要同时考虑这两种因素，又要分别对其进行分析。当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。你可以使用为此专门进行封装的FBG温度传感器，这种传感器能保证封装内部光纤布拉格光栅的属性不会耦合于任何外部的弯曲，拉伸，挤压或扭曲应变。在这种情况下，玻璃的热膨胀系数 αΛ 通常在实用中是可以忽略的;所以，因温度变化而造成的反射波长的改变就可以主要由该光纤的温度光学灵敏系数 αn 来决定了。
光纤布拉格光栅应变传感器在某种程序上讲就更加复杂了，因为温度和应变会同时影响传感器的反射波长。为了正确地进行的测量，在测试的时候，必须针对温度对光纤布拉格光栅造成的影响进行补偿。为了实现这种补偿，可以使用一个与FBG应变传感器有良好热接触的FBG温度传感器来完成。得到测试结果以后，只需要简单地从FBG应变传感器测得的波长改变中减去由FBG温度传感器测得的波长改变就可以从方程 （2） 中消去加号右边的第二个表达式，这样做就补偿了应变测试中温度变化造成的影响了。
安装光纤布拉格光栅应变传感器的过程和安装传统的电气应变传感器的过程类似，而且FBG应变传感器有许多种不同的种类和安装方法可供选择，包含环氧树脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。
探询方法
由于光纤布拉格光栅可以被植入不同的特定反射波长，所以可以利用它来实现良好的波分复用 （WDM） 技术。这个特性使得可以在一条长距离的独立光纤上，以菊花链的形式连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。波分复用技术在可用的光学广谱中为每一个FBG传感器分配了一个特定的波长范围供其使用。由于光纤布拉格光栅固有的波长特性，就算在传输过程中由于光纤介质的弯曲和传输造成了光强的损耗和衰减，传感器测得的结果也仍然能够保持准确。
每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围和波长探询器可探询的总波长范围决定了在一条单独的光纤上可以挂接的传感器的数量。一般来说，因为应变改变造成的波长改变会比温度改变造成的波长改变更加明显，所以一般会为FBG应变传感器分配大概5纳米的工作波长范围，而FBG温度传感器则分配大概1纳米的工作波长范围。又因为通常的波长探询器能提供的测试范围大概为60到80纳米，所以一条光纤上挂接的传感器数量一般可以从1个到80个不等 – 当然，这要建立在各个传感器反射波长的区域在光谱范围内不会有重叠 （图 4） 的基础上的。因此，在选择FBG传感器的时候，需要仔细地选择标称波长以及工作波长范围来保证每一个传感器都有其独立的工作波长区域。

图4. 同一条光纤上挂接的每一个FBG传感器必须具有其独立的工作波长范围
一般的FBG传感器会拥有几个纳米的工作波长范围，所以光学探询器必须能够完成分辨率为几个皮米甚至更小的测量 – 一个相当小的量级。探询FBG光栅传感器可以有几种方法。干涉计是通常运用的实验室设备，它可以提供相当高分辨率的光谱分析。但是，这些仪器一般来说非常昂贵，体积庞大并且不够坚固，所以在一些涉及各种结构的现场监测的应用中，如风机叶片，桥梁，水管以及大坝等环境的监测中，这些仪器都不适用。
一种更加坚固的方法是引入了电荷耦合器件 （charge-coupled device - CCD） 以及固定的分散性单元，一般是指波长位置转换。
在这种方法中，会用一个广谱的光源照射FBG传感器 （或者一系列FBG传感器）。这些反射光束会通过一个分散性单元，分散性单元会将波长不同的反射光束分别分配到电荷耦合器件（CCD）表面不同的位置上去。如下图5所示。

图5. 使用波长位置转换法探询FBG光学传感器
这种方法可以快速并且同时地对挂接在光纤上的所有FBG传感器进行测量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比 （SNR）。举例来说，如果我们希望在80纳米的波长范围中实现1皮米的分辨率，那么我们需要一个包含80，000个像素点的线性CCD器件，这个像素指标已经比目前在市面上能够找到的最好的线性CCD器件 （截至2010年7月） 的指标高出了10倍以上。另外，因为广谱光源的能量是被分散到一个很广的波长范围中，所以FBG反射光束的能量会非常小，有时候甚至会给测量带来困难。
目前最流行的方法是利用一个可调法珀滤波器来创造一束具有高能量，并且能够快速扫频的激光源来代替传统的广谱的光源。可调的激光源将能量集中在一个很窄的波长范围里面，提供了一个具有很高信噪比的高能量的光源。这种体系结构提供的高光学功率让使用一条光纤挂载多个光学通道成为可能，这样就能有效地减少多通道探询器的成本并且降低系统的复杂度。基于这种可调激光架构的探询器可以在一个相对大的波长范围里面以很窄的光谱带进行扫描，另一方面，一台光探测器将与这个扫描同步，测量从FBG传感器反射回来的激光束。当可调激光器发射的激光波长与FBG传感器的布拉格波长吻合的时候，光探测器就能测量到相应的响应。该响应发生的时候可调激光的波长就对应了此时FBG传感器处测得的温度以及/或者应变，如图 6所示。

图6. 用可调激光源法探询FBG光学传感器
使用这种方法进行探询可以达到大概1皮米的精度，对应到传统FBG传感器的精度即是约1.2微应变（FBG应变传感器）或约0.1摄氏度（FBG温度传感器）。因为可调激光源法相对于其它的方法来说具有很高的光学功率，所以这种探询法还可以适用于光纤长度更大 （超过10千米） 的测量应用中。
FBG光学传感器的优势
通过使用光波代替电流以及使用标准光纤代替铜线作为传输介质，FBG光学传感解决了许多使用电气传感需要面临的挑战和解决的困难。光纤和FBG光学传感器都是绝缘体，具有被动性电学特性，并且不受电磁感应噪声的影响。具有高光学功率可调激光源的探询器可以以很低的数据丢失率甚至是零丢失来完成长距离的测量。同时，与电气传感器系统不同，一个光学通道可以同时完成多个FBG传感器的测试，极大地减小了测试系统的体积，重量以及复杂度。
在一些外部环境条件恶劣的应用现场中，一些常用的电气传感器，例如箔应变片，热电偶，以及振弦式传感器已经很难使用甚至已经失效的情况下，光学传感器是一个非常理想的解决办法。因为光学传感器的用途以及安装方法和这些传统的电气传感器类似，所以从电气测试方案过渡到光学测试方案会相对简单。如果能够对光纤和FBG的工作原理有一个比较好的了解，那将帮助你更好地接受光学测试技术并驾驭这种新技术所带来的所有优势。

布拉格光栅传感器：布拉格光栅传感器_光纤应变片_光纤传感器_工作原理

原标题：布拉格光栅传感器_光纤应变片_光纤传感器_工作原理

光纤应变片 (也称为布拉格光栅传感器)，用于测量应变，但可以集成不同类型的传感器到一根光纤中，例如温度，加速度或移位等。与传统的电阻应变片相比，光学应变片不需要供电，该技术基于通过光纤传播的光。

因此，传感器是完全被动和免疫的，例如电磁干扰。这也是在某些应用中光学应变片优于电阻应变片的原因。

结构

光学应变片由二氧化硅芯和包层组成。

在本文中，我们将重点介绍光纤应变传感器，其中光纤本身是传感器。其他类型的光纤传感器使用光纤本身传输光，而不是用它来测量。

它像普通的电信光纤一样长，可以长达几公里，有许多测量点。纤维本身由两层组成：纤芯和密度较低的包层。塑料涂层缠绕在二氧化硅纤维上以进行保护。

工作原理

光纤作为传感器

为了制造实际的应变传感器，光纤在生产过程中用所谓的光纤布拉格光栅(FBG)进行内接。这基本上是材料干扰的一种模式，反射出与光纤的其余部分不同的光线。为了更好地理解，您可以将光纤视为圆柱形透明材料，其中有许多薄片。当来自激光的光线照射该薄片时，某些波长被反射，而其它波长则通过。

材料干扰 - “切片” 以一定的间隔放置。当光纤被拉伸或压缩时，因此受到正或负应变 - 这些间隔发生变化。当光纤被拉伸时，它变长，空间变大，反之亦然。

当光纤布拉格光栅处于应变状态时，反射光回传需要更长或更短的时间来回传，反射的波长也会发生变化。光纤布拉格光栅具有一定的折射率。材料的折射率描述了通过材料时弯曲或折射多少光。当光栅由于应变而改变形状时，其折射率也将产生改变。

整个光纤布拉格光栅总体约为5毫米，尽管用肉眼看不到单独的材料干扰。在显微镜下，许多光纤布拉格光栅可以刻录在一根长的光纤中，每个光栅作为单个应变传感器工作。

当光纤被施加到材料时，它将与材料一起产生变形。测量的应变用于允许分析材料中的机械应力。

为了给出实际的例子，当将光纤施加到隧道壁上时，当隧道壁材料中存在应力时，其将使光纤产生应变，这可能是由于列车冲击的振动或是多年来产生的墙壁沉降或裂缝，从相关的应变的信息确定是否需要进行维护。

光纤解调仪

对于测量，光纤需要连接到所谓的光纤解调器; 它能够连续发出不同波长的光，一次一个， 这被称为“扫描激光”。 光传播通过光纤，在某点由布拉格光栅反射，并返回解调器。

由于布拉格光栅具有不同周期，因此可以区分不同传感器的信号。 其余光线到达光纤末端时会折射，因此不影响测量。 从光栅返回的原始光信号可以推导出实际应变，获得材料应力。

.那么，为什么核心和包层之间的密度差是非常重要的呢? 激光用于通过光纤发光， 两种不同的纤维材料密度产生通道光纤内部的光，从而不散射光栅。 为了能进行工作，重要的是光纤没有太多弯曲。

温度补偿是关键

布拉格光栅传感器极易受温度影响。随着温度的升高，光纤随着温度的升高而膨胀。折射率也发生变化。没有补偿，这将导致获得的应力包括温度产生的应变。有以下几种补偿技术，包括：

应变传感器边上安装温度传感器，从测量数据中减去温度效应来进行数学补偿。

将两个光纤布拉格光栅放置在推挽式结构中，使得当处于应变状态时，一个被压缩，另一个被拉伸。温度效应对于两者都是相同的(例如延长)，但是机械应力的影响是不同的：这样就可以对温度进行数学补偿。

将光纤包封在机械设备中，该材料在被测材料的相反方向上膨胀，以消除温度效应，并且不需要数学补偿。

光纤传感器应用

“作为 法国 ITER 项目 的一部分, 我们的传感器需要适应剧烈的温度变化，从大约 -270°C 到 300°C，并且处在强烈的电磁场中。在这种应用中，电阻应变片几乎无法正常工作。“ Cristina Barbosa 解释道。

桥梁，风力发电机和隧道等结构健康监测应用中，由于单个光纤可以容纳数百个传感器，尤其是隧道或管道监测等大型项目中，其与传统的应变片相比，布线和安装成本更低。

此外，由于光纤技术天生的抗电磁干扰性，光学测量技术可以用于存在大量电磁干扰或可能爆炸的环境(如炼油厂)中。

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布拉格光栅传感器：布拉格光栅技术 ｜ 常见问题 ｜ HBM

什么事温度补偿，如何工作?布拉格光栅（FBG）应变依赖性
布拉格光栅的应变依赖性由下式给出：

这里:
k– 布拉格光栅的 k 系数
布拉格光栅（FBG）温度依赖性
布拉格光栅的温度依赖性由下式给出：
这里:
– 光纤的热膨胀系数
ζ –  热光系数（折射率对温度的依赖性）
固定布拉格光栅（FBG）的温度依赖性
如果光纤应变仪被固定到刚性无应变结构，温度可以改变光纤的折射率，但是其膨胀由结构固定。这等同于考虑固定光纤的热膨胀=0。光纤布拉格光栅测量应变的温度依赖性为：

当测量应变时，该温度引起的波长变化与应变混淆。实际由温度引起的测量应变为：
因此，对温度的交叉敏感性（TCS）由下式给出：

有效应变应该由应变传感器测量的应变减去温度的影响：

这种变形的校正没有考虑温度对固定传感器结构变形的影响。
固定在结构上的布拉格光栅（FBG）的温度依赖性
为了补偿由于温度效应引起的结构的变形，计算应当考虑结构的热膨胀系数（CTE）来进行。
结构的总应变变化为：
固定到承受负载和温度的结构的传感器的波长变化由下式给出：

这意味着为了补偿由于温度效应引起的结构的变形，有必要知道传感器固定在其上的结构的材料的CTE值。
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布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器,它和光纤传感器一样,与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。
中文名
布拉格光纤光栅传感器
外文名
fiberBragg grating sensor
目录
1
1 布拉格光纤光栅传感器的特点
2
2 布拉格光纤光栅传感研究进展
3
3 布拉格光纤光栅传感器应变温度分辨
4
4 布拉格光纤光栅传感器的封装埋设技术
布拉格光纤光栅传感器1 布拉格光纤光栅传感器的特点
语音
1978年加拿大握太华通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,并采用驻波法制成世界上第一只光纤光栅。但是由于这种刻写方法的效率很低且灵活性差,在光纤光敏性被发现后的十年内未引起很大的注意。直到1989年,美国联合技术研究中心的GMetlz等人利用高强度的紫外激光所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中的折射率调制,即形成光纤光栅。这种刻写方法效率高,且灵活性好,可以刻写不同周期的光纤光栅。横向写入法的发明使光纤光栅技术取得了突破性的进展,此后的十多年里,光纤光栅一直是光纤通信和光纤传感领域的研究热点之一。
[1]
布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器,它和光纤传感器一样,与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。且由于它是波长编码的,使得它与传统的光纤传感器相比,又有许多优点,如:精度不受光源强度影响,受环境影响小,更加容易复用和实现分布式传感等。利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强,重量轻,体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量,因而是最有希望的智能传感网络技术。
[1]
光纤光栅传感器的应用范围非常广,民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用的一个热点,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的温度及应变监测。基础结构的状态,力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行准分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中,光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。
[1]
航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的传感器超过100个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。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,组成准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。
[1]
布拉格光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息,进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全。现代船用传感器中多达90%是压力或温度传感器,通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感器,利用波分和时分复用原理,一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个,从而适应不断增加的舰载控制系统的复杂性,并有效的降低传感系统的成本。电力工业中的设备大都处在强电磁场中,一般电学传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中,如高压开关的在线监测,高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量,这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件,光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方,如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站,使用准分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。
[1]
小尺寸的传感器在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的光纤传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。核工业存在高辐射,核泄漏对人类是一个极大的威胁,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的传感器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网络来监视核废料站的状况,对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的,而光纤光栅传感网络可以满足这些要求。
[1]
除了以上应用外,光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用,例如:(1)加速度计可用于很多工程的测量,如振动、入射角、事件记录、平台稳定性、车辆暂停控制、地震监测、以及起搏器控制等,用光纤光栅传感器制作的加速度计表现出良好的性能。(2)用光纤光栅制作的水声器用来测量水下声场,可以实现很好线性响应、高灵敏度、高稳定性、宽的动态范围(90dB)和宽的操作频率范围(从凡kHz到凡MH)z。(3)用光纤光栅制作的机械工具系统结构形变监测传感器,可以探测到实用结构微米量级的形变,其误差为0.4%。
布拉格光纤光栅传感器2 布拉格光纤光栅传感研究进展
语音
由于布拉格光纤光栅传感器具有以上许多不可替代的优点以及广泛的应用前景,自从横向紫外曝光刻写技术面世以来,布拉格光纤光栅传感器得到了学术界和产业界的广泛关注,在短短的十凡年内得到了飞速发展,针对布拉格光纤光栅智能传感网络的实用化研究和应用已经取得了一些进展，这主要集中在以下几个方面:布拉格光纤光栅传感器的波长解调技术光纤光栅传感器经过十余年的研究与发展，至今己经出现了许多波长解调技术。在实验室，波长解调可以用高精度的光谱仪来实现，但是由于光谱仪的价格昂贵，而且体积大，不适于实际应用，所以需要结构紧凑，成本低的解调系统。具体解决方案主要包括宽带光滤波法可调谐窄带滤波器法，光干涉法，激光器扫描法。成像光谱分析法等。这些方法有着不同的分辨率和动态范围，针对不同的应用选择相应的解调方案，可以很好的适用于各种实际应用。
[1]
1)宽带光滤波法该方法通过宽带光源发出的宽带光:经隔离器，3DB锅合器后，到传感光栅反射滤波，反射回窄带光，再经过宽带滤波器(WDM祸合器)，由于宽带滤波器的滤波特性与波卜轰有关，则反射光经滤波后探测到的能量与波长有关，再通过相应的电子信号处理就能检测出FBG中心波长的偏移量。这种方案实现简单，但是精度比较低，波长分辨率大概10pm左右。2)可调谐窄带滤波器法该方法中，由LED发出的宽带光，经祸合器到达FBG传感器阵列，到达FBG反射回来的窄带光再经可调谐F-P滤波器滤波，当传感FBG的中心波长与F-P滤波器透射中心彼长一致时，透射光能量最大，通过动态调谐F-P滤波器的透射波长来动态“跟踪7T传感光栅的中心波长，就可以实现中心波长偏移量的解调。这种解调方案精度较高，由于工作在波长扫描方式，那么只要扫描范围足够大，就很容易在一根光纤上复用多个FBG，但这种方案的扫描频率不是很高，不适合高速率的动态传感。3)光干涉检测法该方法检测光纤光栅传感器波长移动是通过一非平衡光纤Mach一Zehnder干涉仪来实现的。宽带光源发出的光经过祸合器入射到传感FBG上，被FBG反射的光再通过藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉仪。这样，被FBG反射的这部分光就有效地转化为干涉仪的入射光源，由传感光纤光栅扰动引入的波长移动也就成为此光源的波长(光频率)调制信号。由于干涉仪输出的相位对非平衡千涉仪的输入波长存在着固有的依赖关系，布拉格彼长的移动就转换为相位的变化，再通过检a}n}干涉仪输出光的相位的变化就可以得到布拉格波长的移动情况。
[1]
4)可调谐扫描激光器法可调谐扫描激光器法主要是通过可调谐激光器的波长可调谐性来动态跟踪传感FBG的中心波长。5)CCD成像光谱分析法在CCD成像光谱解调系统中，波长分到提通过个色散元件叻口棱镜或光栅)来实现的，色散元件把波长转变为CCD探测器阵列的像元位置，这样就把测量光谱线的问题转化为判断光斑所在像元的问题。通常由于FBG的光谱中心分布在几个相令巧的像元上，所以要准确检测中心波长的位置，还必须采用相应的算法来实现。CCD成像光谱法有才民大的局限性，即实用的CCD波长响应范围在900nm以下，所以只能对中心波长在900nm以下的光栅传感器解调。
[1]
布拉格光纤光栅传感器3 布拉格光纤光栅传感器应变温度分辨
语音
由于布拉格光纤光栅的中心波长同时受到温度和应变的影响，所以传感具体参量的时候必须通过相应的方法把这两个效应区分开。布拉格光纤光栅的温度和应变灵敏度如表经过研究,已经提出了许多方案来实现温度和应变的同时检测,主要包括以下方法:(1)参考FBG法这种方法的原理是引入一个参考FGB,使其不受应变影响而只受温度影响,同时这个参考FGB和传感FGB处于相同的环境,这样就可以通过这个参考FGB来检测出温度,再从传感FGB总的波长偏移量中除去参考FGB的温度影响,就可以把温度和应变区分开。(2)蚀刻FBG法这种方法通过蚀刻FGB,刻有FGB的那段光纤的芯径尺寸呈线性递减关系,这样当对其轴向施加均匀应力时,沿轴向的应变也是呈线性关系,这样就导致了惆啾,即反射带宽的变化,而温度对其影响只是使其中心波长偏移,而不改变带宽,也就是带宽是温度不敏感的,通过检测带宽的变化就可以把温度效应导致的误差除去。但是这种方法的缺点是减小了光纤的强度,也即减小了传感的范围。(3)双波长FBG法这种方法的原理是通过在光纤的同一个位置写入两个波长不同的FGB,然后检测这两个不同波长的偏移量来分辨温度和应变。因为温度和应变导致的布拉格波长的偏移量由式(4)FBG谐波法FGB谐波法和上面的双波长FGB法原理是一样的,只是这里用的是FGB的二次谐波而不是两个波长不同的FGB,当FGB的反射率很高时,折射率的调制有可能不是很好的正弦调制,从而导致了二次谐波的产生,而这两个谐波的温度和应变灵敏度不同,通过矩阵法就可以同时检测温度和应变。(5)FBG和长周期光纤光栅(LpG)混合检测通过实验发现,长周期光纤光栅(LpG)的温度和应变灵敏度和FGB有着较大的差异,因此如果精确知道FGB和LGP的温度和应变灵敏度的话,就可以通过结合FBG和LGP实现温度和应变的分辨。这种方法的缺点是:长周期光栅的带宽大容易影响测量精度和复用能力;而且长周期光栅的长度较长,埋设进材料后受非均匀应变场的影响很大,从而降低测量精度。
[1]
除了以上凡种典型的应变温度分辨方法外,还有采用取样布拉格光纤光栅等方法,但是真正能实用的分辨技术还有待进一步研究。
布拉格光纤光栅传感器4 布拉格光纤光栅传感器的封装埋设技术
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光纤传感器的研究重点方向就是所谓的“智能材料结构”,即可以实时采集材料结构自身的受力,温度等参数,来实现对材料整体性能的智能检测。在“智能材料”这方面,光纤光栅传感器有很好的潜力,非常适用于这种准分布式传感应用,因为光纤光栅是波长编码的,在材料中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为传感元件,再通过使用波分复用和时分复用技术就可以实现成百上千传感点的准分布式传感,就可以实现“智能材料结构”,而正确的埋设方法也是其中的一个重要环节,研究者对布拉格光纤光栅传感器的封装与埋设也做了大量的研究,主要集中在以下方面:(1)传感光栅的保护问题由于光纤光栅实际上是一段光纤,所以它在剪切力的作用下很容易断,所以在埋设的过程中须对它采取相应的保护措施,进行相应的封装。(2)传感光栅与材料之间的应力传递的建模在应力传感过程中,传感光栅是埋设入材料中的,所以应力并不是直接作用在传感光栅上的,这就意味着在材料和光栅之间存在一个力的传递问题,这是提高传感准确度的一个重要方面。这就需要利用材料力学的知识建立适当的模型进行分析,更精确的分析还要采用有限元分析法。
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(3)多轴应变的产生的影响对于光纤光栅的埋设,光栅上受到的应力有可能是多个方向的,除了轴向应力还有横向应力,横向应力会使光纤产生双折射现象,也即导致了原来的单峰反射谱分裂成两个反射峰,这就给中心波长的准确检测带来了一定的困难。由此可见，光栅的埋设技术是非常复杂的，如果需要准确传感，需要考虑的因素非常多，其中包括光栅的保护，材料与光栅之间应力的传递，应力引起的双折射效应以及非均匀应力引起的光谱展宽等等。
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参考资料
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恽斌峰 ．布拉格光纤光栅传感器理论与实验研究 ：东南大学 ，2006