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)面寫入技術(shù)以來,，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)量的信息通過信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映出來,。

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?，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(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),，使得通過測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無法對(duì)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(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過一定的技術(shù)來測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來實(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重疊寫入法精度較高，但是,，光柵寫入困難,，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。

1.3 信號(hào)解調(diào)

在光纖光柵傳感系統(tǒng)中,，信號(hào)解調(diào)一部分為光信號(hào)處理,，完成光信號(hào)波長(zhǎng)信息到電參量的轉(zhuǎn)換；另一部分為電信號(hào)處理,，完成對(duì)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(hào)處理，即傳感器的中心反射波長(zhǎng)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(zhǎng)最直接的檢測(cè)儀器是光譜儀,。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)變化的電信號(hào)。因此,，不能滿足實(shí)用化自動(dòng)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(hào)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(zhǎng)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(cè)器變成電信號(hào)，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(zhǎng)有關(guān)的輸出值。該方法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參量的測(cè)量,。分辨力為375x10-6,，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)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(dòng)元件的作用下跟蹤FBG的波長(zhǎng)變化,，然后,，通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來獲得被測(cè)應(yīng)力或溫度。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量,。但這種方法的不足之處是2個(gè)光柵要嚴(yán)格匹配,，且傳感光柵的測(cè)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(hào)進(jìn)入可調(diào)光纖F-P濾波器（FFP）,，調(diào)節(jié)FFP的透射波長(zhǎng)至FBG的反射峰值波長(zhǎng)時(shí)，濾波后的透射光強(qiáng)達(dá)到最大值,，由FFP驅(qū)動(dòng)電壓—透射波長(zhǎng)關(guān)系可得FBG的反射峰值波長(zhǎng),。掃描加上擾動(dòng)信號(hào)構(gòu)成波長(zhǎng)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)的測(cè)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(jiǎn)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?？烧{(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(zhǎng)分辨力約為2.3pm，對(duì)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(gè)數(shù)和使用范圍,。

2、光纖光柵傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

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(cè)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(hào)解調(diào)。對(duì)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(cè)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(cè)量誤差小,、測(cè)量精度高。針對(duì)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(cè)量,，又能實(shí)現(xiàn)多參量的測(cè)量。當(dāng)單參量測(cè)量時(shí),，應(yīng)提高傳感器的靈敏度和測(cè)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(gè)極限值,，超過這個(gè)極限值光柵就會(huì)被破壞,。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量,，傳感器復(fù)用數(shù)目較多,，在布置傳感器時(shí),，有時(shí)一個(gè)點(diǎn)要布置靈敏度不同的多個(gè)傳感器，以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的大范圍測(cè)量,。由于傳感量主要是微小波長(zhǎng)偏移為載體,，所以，一個(gè)實(shí)用的信號(hào)解調(diào)方案必須具有極高的波長(zhǎng)分辨力,。其次,，要解決動(dòng)態(tài)與靜態(tài)信號(hào)的檢測(cè)問題，尤其是二者的結(jié)合性檢測(cè)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(shì)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(guó)的Micron Optics公司,，新推出的FBGSLI采用可調(diào)激光掃描方法,，利用時(shí)分技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)四路光纖多達(dá)256個(gè)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(shí)測(cè)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(cè)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(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)的深入研究,，其研究的重點(diǎn)：一是對(duì)傳感器能同時(shí)感測(cè)應(yīng)變和溫度變化的研究；二是對(duì)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的研究,；三是對(duì)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(shí)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(cè)量精度高,、靈敏度高的光纖光柵系統(tǒng)網(wǎng)將會(huì)在生產(chǎn)領(lǐng)域中有更廣泛的應(yīng)用。

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