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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(guó)的Melt等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫(xiě)入技術(shù)以來(lái)，光纖光柵的制造技術(shù)不斷完善，人們對(duì)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(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。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(hào)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(cè)量精度、滿足實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)領(lǐng)域?qū)嵱没男枰彩茄芯咳藛T重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
本文對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對(duì)光纖光柵系統(tǒng)的寬帶光源進(jìn)行了說(shuō)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(cè)量技術(shù)，對(duì)信號(hào)常用的信號(hào)解調(diào)方法進(jìn)行了總結(jié)，最后，提出為適應(yīng)未來(lái)的需要對(duì)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(hào)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(cè)量的信息，外界被測(cè)量的信息通過(guò)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映出來(lái)。
1．1 光 源
光源性能的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)所送光信號(hào)的好壞。在光纖光柵傳感中，由于傳感量是對(duì)波長(zhǎng)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(cè)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(gè)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?cè)诠鈧鞲兄械膽?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。現(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(duì)通信容量和速度的要求及分布式光纖傳感密集布點(diǎn)對(duì)光源帶寬要求，L波段的研究越來(lái)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(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，能提供較高的功率、寬的帶寬和較長(zhǎng)的使用壽命，因此，可以擴(kuò)大光纖光柵傳感器的測(cè)量范圍，提高檢測(cè)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(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)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(guò)確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測(cè)量技術(shù)大體可分為兩類，即，多光纖光柵測(cè)量和單光纖光柵測(cè)量。
多光纖光柵測(cè)量主要包括混合FBG/長(zhǎng)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(xiě)入法。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。FBG／LPG法解調(diào)簡(jiǎn)單，但很難保證測(cè)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(cè)量位置，提高了測(cè)量精度，但光柵強(qiáng)度低，信號(hào)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(cè)量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)困難，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜。雙FBG重疊寫(xiě)入法精度較高，但是，光柵寫(xiě)入困難，信號(hào)解調(diào)也比較復(fù)雜。
單光纖光柵測(cè)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(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對(duì)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(jiǎn)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(xiě)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(cè)量。這種方法解調(diào)簡(jiǎn)單，且解調(diào)為波長(zhǎng)編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測(cè)量范圍偏小等問(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)改變，因此，這個(gè)光纖光柵有2個(gè)反射峰，一個(gè)反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感；另一個(gè)反射峰（未粘貼部分）只對(duì)溫度敏感，通過(guò)測(cè)量這2個(gè)反射峰的波長(zhǎng)漂移可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
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