摘要：光纤光栅传感技术是伴随着光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。本文着重介绍了光纤光栅传感技术的基本原理，光纤光栅传感器在工程应用中的系统构成并对其应用和发展趋势进行了探讨，光纤光栅传感器作为安全监测的智能器件具有很好的发展前景，正在成为传感领域中的又一大热点。
关键词：
光纤光栅、安全监测、布喇格波长、传感网络、无电测量
光纤传感无电安全监测技术是本世纪兴起的前沿应用学科，既用光纤感测信号又用光纤传输信号,是目前传感技术最杰出的代表。是自动检测的革命性技术。光纤光栅传感器是一种新型全光纤无源器件，与普通传感器相比，具有不可比拟的优势和特点。它本质防爆、无电传感、化学性能稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量，这种特性在传感器领域中引起了革命。其产业已被国内外公认是最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。光纤传感由于其固有的优势必会在不久的将来取代传统的传感技术。
一.光纤光栅传感器的基本结构：
Bragg 光纤光栅是指利用单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全光纤型Bragg光栅。其基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制（如图1所示），所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。
图1 光栅结构示意图
光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅。光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光刺中心波长为布喇格波长。
二.光纤光栅传感基本原理
光栅Bragg 条件: λB= 2nΛ
式中:λB ---Bragg 波长;
n ---光栅的有效折射率,即折射率调制幅度大小的平均效应;
Λ---光栅周期,即折射率调制的空间周期。
当光波传输通过FBG时,满足Bragg 条件的光波将被反射回来,这样入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率n 和光栅周期Λ,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移,测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的变化.如下图所示：
图2 光纤光栅传感系统基本原理图
三.实际工程应用中光纤光栅传感系统构成：
光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。如图2所示：
实际工程应用中一根光纤上可以串接多个光纤光栅传感器（各具有不同的光栅常数），宽带光源为系统提供光能量, 光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息, 外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。宽带光源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的光栅，每个光栅反射不同中心波长的光，反射光经Y型分路器的另一端口耦合进光纤光栅信号解调器，光纤光栅信号解调器解调反射光的波长及变化，再经过处理，就得到对应各个光栅处环境的实际温度或者应力了。
1、 光源
光源性能的好坏直接决定着整个系统性能的好坏。在光纤光栅传感中要求光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性, 以满足传感系统中多点多参量测量的需要。目前在光纤光栅传感系统中常用的光源主要有SLED, ASE光源。输出功率大约为1-20mw.
2 、光纤光栅传感器
光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感, 即温度与应变同时引起光纤光栅波长移动, 使得通过测量光纤光栅波长移动无法对温度与应变加以区分。因此, 解决交叉敏感问题, 实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。目前在光纤光栅传感系统中常用技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器来确定不同光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数确定温度与应变。
3 、信号解调
在光纤光栅传感系统中, 光纤光栅信号的解调是该系统的关键，主要包括二部分：一部分为光信号处理, 完成光信号波长信息到电信号的转换，其中传感器的中心反射波长的分析是解调的关键; 另一部分为电信号处理, 完成对电信号的运算处理, 提取外界信息,并以人们熟悉的方式显示出来。
由此可知，光纤光栅安全监测系统采用的是数字式测量技术，与传统测量技术相比，具有更高的稳定性和安全性。
光纤光栅系统结构示意图
除此之外光纤光栅传感系统还包括如下几个方面：
（1） 光纤光栅网络系统：
该系统的功能是通过光缆将多个探头串接起来，并构成传感器矩阵，形成传感器网络。
（2） 光纤通讯传输网络：
不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息处理及分析系统上。
（3） 信息处理及分析系统：
该系统由光纤光栅传感探测信号处理器以及计算机软件构成，信号处理器系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。
四.光纤光栅传感系统特点
本质安全、无电测量； 多种方式监测：可进行线形分布式监测，也可实现逐点定位精确检测；
全天候实时监测，远距离、大范围、实现无人值守，具有长期的稳定性；
本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，并且特别适于恶劣和高危环境中的应用；
强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志，并方便查询； 安装快捷、简单，不影响正常的安全生产；
兼容性好：可与其他系统实现互联互通；
五.奥普智信光纤光栅监测设备简介
北京奥普智信光科技术有限公司致力于构建以新型光纤光栅安全监测和分布式光纤安全监测的应用，为用户提供成功的安全监测方案和成熟的产品，具备“标准、创新、开放、领先”的特征。自主研发的“光纤光栅传感解调器”具有如下特点：精度高，灵敏度好，可靠性高，测量点多，测量范围大，传感探头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，抗电磁干扰，抗腐蚀，能在比较恶劣的化学环境下工作。 |
|
目前该技术已经相对成熟, 北京奥普智信光科技术有限公司及其他厂商已成功地应用于多个相关行业。
在水电水利工程中有许多物理量需要监测，如温度、应力、位移、渗流等。最成功的是水位遥测及大坝安全监测、河堤的渗漏、桥梁及其他混凝土结构裂变的安全监测。
光纤光栅渗压液位监测系统
2.电力行业的安全实时监测
电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位 、电缆隧道、夹层的火情监测、 发电厂和变电站的温度监测、故障点的检测和火灾报警。
3.大型民用工程的结构健康监测
民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。主要包括：桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的应力应变监测和火灾监测报警。
4.石油天然气行业的安全实时监测
石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测 、油库、油管、油罐的温度监测及故障点的监测 。
七.结论
光纤光栅传感器具有非常独特的技术优势，随着其产业的发展，成本必然会越来越低，必将发挥越来越重要的作用。目前国内对于光纤光栅传感的研究开发已经取得了一定的成绩，如何进一步使其商品化、工程化，是这一领域面临的核心问题，加快这个进程对传感领域的发展具有非常重要的意义。欢迎大家致电北京奥普智信光科技术有限公司，共计光纤光栅技术在安全监测领域的应用。
