自1978年，加拿大的Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光敏現(xiàn)象并采用駐波法制造出世界上第一根光纖光柵和1989年美國的Melt等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)以來，光纖光柵的制造技術(shù)不斷完善，人們對光纖光柵在光傳感方面的研究變得更為廣泛和深入。光纖光柵傳感器具有一般傳感器抗電磁干擾、靈敏度高、尺寸小、重量輕、成本低，適于在高溫、腐蝕性等環(huán)境中使用的優(yōu)點(diǎn)外，還具有本征自相干能力強(qiáng)和在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測量的獨(dú)特優(yōu)勢。故光纖光柵傳感器已成為當(dāng)前傳感器的研究熱點(diǎn)。由光源、光纖光柵傳感器和信號解調(diào)系統(tǒng)為主構(gòu)成的光纖光柵系統(tǒng)如何能夠在降低成本、提高測量精度、滿足實(shí)時測量等方面的前提下，使各部分達(dá)到最優(yōu)匹配，滿足光纖光柵傳感系統(tǒng)在現(xiàn)代化各個領(lǐng)域?qū)嵱没男枰彩茄芯咳藛T重點(diǎn)考慮的問題。

本文對光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對光纖光柵系統(tǒng)的寬帶光源進(jìn)行了說明，重點(diǎn)分析了光纖光柵傳感器的傳感原理及如何區(qū)分測量技術(shù)，對信號常用的信號解調(diào)方法進(jìn)行了總結(jié)，最后，提出為適應(yīng)未來的需要對系統(tǒng)各部分的優(yōu)化措施。

1、光纖光柵傳感系統(tǒng)

光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調(diào)等組成。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應(yīng)外界被測量的信息，外界被測量的信息通過信號解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時地反映出來。

1.1 光 源

光源性能的好壞決定著整個系統(tǒng)所送光信號的好壞。在光纖光柵傳感中，由于傳感量是對波長編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性，以滿足分布式傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測量的需要。光纖光柵傳感系統(tǒng)常用的光源的有LED，LD和摻雜不同濃度、不同種類的稀土離子的光源。LED光源有較寬的帶寬，可達(dá)到幾十個納米，有較高的可靠性，但光源的輸出功率較低，且很難與單模光纖耦合。LD光源具有單色性好、相干性強(qiáng)、功率高的特點(diǎn)。但LD光譜的穩(wěn)定性差（4×10-4／℃）。因此，這2種光源自身的缺點(diǎn)制約了它們在光傳感中的應(yīng)用。摻雜不同種類、不同濃度的稀土離子的光源研究最廣泛的是摻鉺光源?，F(xiàn)在C波段摻鉺光源已經(jīng)研制成功并使用，隨著光通信中對通信容量和速度的要求及分布式光纖傳感密集布點(diǎn)對光源帶寬要求，L波段的研究越來越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的帶寬和功率。摻鉺光源在溫度穩(wěn)定性方面比半導(dǎo)體光源提高2個數(shù)量級，同時，能提供較高的功率、寬的帶寬和較長的使用壽命，因此，可以擴(kuò)大光纖光柵傳感器的測量范圍，提高檢測的信噪比。

1.2 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時敏感，即溫度與應(yīng)變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量是傳感器實(shí)用化的前提。通過一定的技術(shù)來測定應(yīng)力和溫度變化來實(shí)現(xiàn)對溫度和應(yīng)力區(qū)分測量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測量技術(shù)大體可分為兩類，即，多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。

多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵／F-P腔集成復(fù)用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。FBG／LPG法解調(diào)簡單，但很難保證測量的是同一點(diǎn)，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強(qiáng)度低，信號解調(diào)困難。光纖光柵／F-P腔集成復(fù)用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長調(diào)節(jié)困難，信號解調(diào)復(fù)雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號解調(diào)也比較復(fù)雜。

單光纖光柵測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預(yù)制應(yīng)變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機(jī)物對溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對溫度或應(yīng)力靈敏度，克服交叉敏感效應(yīng)。這種方法的制作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應(yīng)靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分測量。這種方法解調(diào)簡單，且解調(diào)為波長編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量范圍偏小等問題。預(yù)制應(yīng)變法是首先給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應(yīng)力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復(fù)，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復(fù)，從而導(dǎo)致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個光纖光柵有2個反射峰，一個反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對應(yīng)變和溫度都敏感；另一個反射峰（未粘貼部分）只對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應(yīng)變。

1.3 信號解調(diào)

在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，信號解調(diào)一部分為光信號處理，完成光信號波長信息到電參量的轉(zhuǎn)換；另一部分為電信號處理，完成對電參量的運(yùn)算處理，提取外界信息，并以人們熟悉的方式顯示出來。其中，光信號處理，即傳感器的中心反射波長的跟蹤分析是解調(diào)的關(guān)鍵。光纖光柵傳感器中心反射波長最直接的檢測儀器是光譜儀。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。缺點(diǎn)是精度底、價(jià)格高、體積大，而且，不能直接輸出對應(yīng)于波長變化的電信號。因此，不能滿足實(shí)用化自動控制的需要。為此，人們研究并提出了多種解調(diào)方法，以實(shí)現(xiàn)信號的快速、精確提取?？煞譃闉V波法、干涉法、可調(diào)窄帶光源法和色散法等。

濾波法包括體濾波法、匹配光柵濾波法、可調(diào)諧F-P濾波法。體濾波法的元件是波分復(fù)用器。工作原理是從耦合器出射的光分成等強(qiáng)度的兩束，一束經(jīng)與波長有關(guān)的濾波器濾波；另一束作為參考光束，兩束出射光經(jīng)過光電探測器變成電信號，經(jīng)過處理消除光功率變化的影響，最后，得到與光纖光柵中心波長有關(guān)的輸出值。該方法可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)參量的測量。分辨力為375x10-6，動態(tài)應(yīng)變測量響應(yīng)速度不超過100Hz匹配光柵濾波法是利用其他的FBG或帶通濾波光器件，在驅(qū)動元件的作用下跟蹤FBG的波長變化，然后，通過測量驅(qū)動元件的驅(qū)動信號來獲得被測應(yīng)力或溫度。該方法結(jié)構(gòu)簡單、線性度好，分辨力可達(dá)0.4×10-6。該方法可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測量。但這種方法的不足之處是2個光柵要嚴(yán)格匹配，且傳感光柵的測量范圍不大?？烧{(diào)諧F-P濾波器法是傳感陣列FBG的反射信號進(jìn)入可調(diào)光纖F-P濾波器（FFP），調(diào)節(jié)FFP的透射波長至FBG的反射峰值波長時，濾波后的透射光強(qiáng)達(dá)到最大值，由FFP驅(qū)動電壓—透射波長關(guān)系可得FBG的反射峰值波長。掃描加上擾動信號構(gòu)成波長鎖定閉環(huán)，其應(yīng)力分辨力可達(dá)0.3×10-6。該解調(diào)法可實(shí)現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)的測量。由于FFP濾波器腔的調(diào)諧范圍很寬，可以實(shí)現(xiàn)多傳感器的解調(diào)。但高精度FFP成本較高。

濾波解調(diào)法結(jié)構(gòu)簡單，但很難進(jìn)一步提高其傳感精度。干涉法卻具有更高精度，可以大大提高傳感分辨力。可調(diào)窄帶光源解調(diào)法可獲得很高的信噪比和分辨力，實(shí)驗(yàn)所得最小波長分辨力約為2.3pm，對應(yīng)溫度分辨力約為0.2℃，但由于目前的光纖激光器的穩(wěn)定性及可調(diào)諧范圍不太理想，在一定程度上限制了光纖光柵傳感器的個數(shù)和使用范圍。

2、光纖光柵傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

為了適應(yīng)未來光纖光柵傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、大范圍、準(zhǔn)分布式測量。許多研究者正在光纖光柵傳感系統(tǒng)的各方面進(jìn)行不斷的研究，使系統(tǒng)得到優(yōu)化。光纖光柵傳感系統(tǒng)的優(yōu)化主要從三方面考慮，即，光源、光纖光柵傳感器及信號解調(diào)。對于傳感系統(tǒng)的優(yōu)化，主要是根據(jù)傳感器的數(shù)目、傳感器的靈敏度和解調(diào)系統(tǒng)的分辨力，根據(jù)實(shí)際的測量需要，配置不同的光源、傳感器和解調(diào)系統(tǒng)，使得成本低、測量誤差小、測量精度高。針對未來光纖光柵傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的要求，應(yīng)使用穩(wěn)定性好、寬帶、高輸出功率的光源。摻鉺、摻釹、摻鐿等離子的光源是今后發(fā)展的重點(diǎn)。光纖光柵傳感器既能實(shí)現(xiàn)單參量的測量，又能實(shí)現(xiàn)多參量的測量。當(dāng)單參量測量時，應(yīng)提高傳感器的靈敏度和測試精度。在實(shí)際應(yīng)用中，要注意傳感器的靈敏度和量程之間的折中。靈敏度高了，量程自然小了。這是因?yàn)楣饫w光柵的應(yīng)變有一個極限值，超過這個極限值光柵就會被破壞。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量，傳感器復(fù)用數(shù)目較多，在布置傳感器時，有時一個點(diǎn)要布置靈敏度不同的多個傳感器，以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的大范圍測量。由于傳感量主要是微小波長偏移為載體，所以，一個實(shí)用的信號解調(diào)方案必須具有極高的波長分辨力。其次，要解決動態(tài)與靜態(tài)信號的檢測問題，尤其是二者的結(jié)合性檢測已成為光柵傳感實(shí)用解調(diào)技術(shù)中的難點(diǎn)。光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用最大的優(yōu)勢在于很好地進(jìn)行傳感器的復(fù)用實(shí)現(xiàn)分布式傳感，如，美國的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可調(diào)激光掃描方法，利用時分技術(shù)，可以同時對四路光纖多達(dá)256個Bragg光柵進(jìn)行查詢。因此，未來的光纖光柵傳感系統(tǒng)將能滿足單點(diǎn)高精度的實(shí)時測量，又能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的準(zhǔn)分布式的多點(diǎn)、多參量的測試要求，在未來的傳感領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

3、結(jié)束語

隨著對光纖光柵傳感系統(tǒng)的深入研究，其研究的重點(diǎn)：一是對傳感器能同時感測應(yīng)變和溫度變化的研究；二是對信號解調(diào)系統(tǒng)的研究；三是對光纖光柵傳感器的封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、光源穩(wěn)定性、傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化等實(shí)際應(yīng)用研究。特別是隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，光纖光柵傳感系統(tǒng)可以應(yīng)用成熟的波分復(fù)用、時分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感，復(fù)用數(shù)目多、測量精度高、靈敏度高的光纖光柵系統(tǒng)網(wǎng)將會在生產(chǎn)領(lǐng)域中有更廣泛的應(yīng)用。

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