光纖布拉格光柵理念原理

利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內，從而在光纖上形成周期性的光柵，故稱為光纖光柵。光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調制型光纖傳感器。

（圖源網絡，侵刪）

當今光纖光柵傳感網絡是集信號傳感和傳輸雙重作用于一體的網絡結構形式，多個傳感器需要按照一定的網絡拓撲結構組合在一起，并通過同一個光電終端來控制和協調工作，從而實現多個傳感信號的探測、識別和解調的功能。在此以光纖布拉格光柵傳感器及其網絡技術為典例作說明。

應用光纖布拉格光柵傳感器對與溫度和應變相關的物理量進行測量是目前監控領域中先進的傳感技術之一。

目前，在結構變形和溫度監測中，普遍采用周期

光纖布拉格光柵傳感器的結構是利用紫外激光在光纖纖芯上刻寫一段光柵，當光源發出的連續寬帶光Li通過傳輸光纖射入時，在光柵處有選擇的反射回一個窄帶光Lr，其余寬帶光Lt繼續透射過去，在下一個具有不同中心波長的光柵處進行反射，多個光柵陣列形成光纖布拉格光柵(FBG)傳感網絡。各FBG反射光的中心波長為，=2n，式中，n為纖芯的有效折射率;為纖芯折射率的調制周期。

作用在FBG傳感器結構上有入射光譜與反射光譜及透射光譜等3種光譜。而反射回來的窄帶光的中心波長隨著作用于光纖光柵的溫度和應變成線性變化，中心波長的變化量為。

對于光纖光柵反射中心波長(短周期光纖光柵)或透射中心波長(對長周期光纖光柵)與介質折射率有關，在溫度、應變、壓強、磁場等一些參數變化時，中心波長也會隨之變化。通過光譜分析儀檢測反射或透射中心波長的變化，就可以間接檢測外界環境參數的變化，即其變化量與應變量及溫度變化相關。

基于FBG傳感網絡的分析儀可根據=2n，可以在反射光中尋址到每一個光柵傳感器。根據變化量并利用參考光信息可以解調出被測量的溫度和應變值。將FBG附著于材料性能和幾何尺寸確定的機械結構上還可以制造基于應變的力傳感器、位移傳感器和振動傳感器等。

采用FBG作為溫度和應變測量的敏感元件最顯而易見的優勢就是實現全光測量，監測現場可以沒有電氣設備，不受電磁干擾。另一個最主要的優勢是被測量用波長這種絕對量編碼，不易受外部因素干擾，因而穩定性和可靠性極好。FBG傳感器可以經受幾十萬次循環應變而不劣化，測量應變可以精確到 。同時由于單路光纖上可以制作上百個光柵傳感器，特別適合組建大范圍測試網絡，實現分布式測試。

則光纖光柵傳感網絡是集信號傳感和傳輸雙重作用于一體的網絡結構形式，多個傳感器需要按照一定的網絡拓撲結構組合在一起，并通過同一個光電終端來控制和協調工作，從而實現多個傳感信號的探測、識別和解調的功能。

基于FBG傳感網絡的分析儀的基本架構

通常用于信號解調的光源、可調諧腔、探測器和信號處理與控制模塊以及其它的相關光路元件通常集成在一個設備里，稱做光纖光柵傳感網絡分析儀。而FBG傳感器將被測量的物理量轉換為波長信號，其FBG傳感網絡分析儀將波長轉變為被測量的物理量。光源為寬譜光源(ASE)且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號良好的信噪比。一般選用側面發光二極管ELED的原因是其耦合進單模光纖的光功率至少為50-100W。此光源經光轉換開關接通標準波長信號和FBG傳感器。FBG傳感器反射回的光經過3dB耦合器引入到可調諧腔中，濾波后再由光探測器轉換為電信號，接入A/D轉換器，信號被模數轉換后由信號處理進行分析處理得到溫度或應力被測量等物理量。

其中可調諧腔作用是能直接將波長信號轉換為電信號，它是FBG波長解調的關鍵部件，可調諧腔體積小、價格低、靈敏度高、光能利用率高，是一種很有工程實用價值的方法。壓電換能器在外加電動勢的作用下可產生形變，給壓電換能器施加一個掃描電壓使其產生伸縮，驅動可調諧腔長變化，從而使可調諧腔的透射波長隨之發生改變。若入射光波長與可調諧腔的透射波長重合，則探測器能探測到最大光強。

從寬譜光源出射的光經由光轉換開關與光耦合器后分別到達相應通道的光纖光柵傳感器陣列。由于光纖光柵是以波長編碼的方式實現傳感測量，因此在傳感網絡中可以采用光開關切換各個通道，互相并無串擾。各個通道可以采用相同波長的光纖光柵傳感器陣列，從而有效的利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的波長信號經過耦合器和可調諧腔后被光電探測器接收。當傳感器陣列中某個傳感器所處的環境(如溫度場、應變場等)發生改變時，該傳感器的中心波長就會發生漂移(一般為線性變化);這種波長的微小漂移被探測、采樣又將模擬量送到A/D轉換并進入信號處理模塊進行計算分析，從而得到傳感器的相關溫度或應力等參量的測量結果。