光纤光栅传感器的理论 - 物理学进展.pdf

第 24 卷 　第 4 期 物 　理 　学 　进 　展 Vol . 24 ,No . 4 　2004 年 12 月 PRO GR ESS IN PH YSICS Dec . ,2004 文章编号 (2004) 光纤光栅传感器的理论 、设计 及应用的必威体育精装版进展 张伟刚 ,涂勤昌,孙 磊 , 开桂云 , 袁树忠 , 董孝义 (南开大学现代光学研究所 ,天津 30007 1) 摘 　要 : 　从单参数 、多参数及分布式传感的角度 ,分析了各种光纤光栅传感器的理论及技 术发展 ,详细阐述了光纤光栅敏化与封装技术 ,论述了光纤光栅传感器的设计方法和实现技 术 ,介绍和评述了光纤光栅器及其传感网络系统应用的必威体育精装版进展 。 关键词 :光电子学与激光技术 ;光纤传感器 ;综述 ;光纤光栅 ;敏化与封装 ,光纤光栅传感网络 中图分类号 : TN253 ; TN 929 　　　　文献标识码 :A 0 　引　言 传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位 ,各种类型的传感器早已 广泛应用于各个学科领域 。光纤光栅是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件 ,在光 纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用[ 1 ] 。以光纤光栅为传感基元研 制的新型传感器 ,其感测过程可通过外界参量对光纤光栅中心波长或带宽的调制来实现 , ( ) 波长调制 或波长编码 是其最大的优点 。与基于强度的探测系统截然不同 ,光纤光栅传 感器的探测能力与光源的强度涨落 、连接器的损耗等无关 ,它代表着新一代光传感器的发 展方向[2 ] 。 当前 ,光纤光栅传感器的研究主要集中在以下几个方面 : ( 1) 光纤光栅传感模型及其理论研究 :基于耦合模理论是分析光纤光栅传感特性的 较为严格的理论 ,但其解决问题的方法较为繁难 ,而且能够得到的解析解有限。 (2) 光纤光栅的敏化与封装技术研究 : 由于光纤光栅本身的机械强度所限 ,力敏和温 敏灵敏度系数很低以及交叉敏感效应的存在 ,难于将其直接应用于实际工程待测体的感 测之中。 收稿 日期 : ( ) 基金项 目: 国家“863 ”计划项 目 2002AA3 13 110 、天津市科技重大攻关项 目、南开大学科技创新基金资 助 。 E- mail :zhangwg @nankai . edu . cn 　4 期 张伟刚等 :光纤光栅传感器的理论 、设计及应用的必威体育精装版进展 399 (3) 光纤光栅传感器设计及技术研究 :针对工程测量的参量类型、性质 、分布等不同 要求 ,需要对光纤光栅传感器的结构进行特殊设计 , 以保证感测结果的精确性和可重复 性 。 (4) 信号解调及其传感网络系统研究 :高精度 、低成本的波长检测技术是信号解调的 应用基础 ,而分布式 、多参量 、多功能感测的传感网络系统是实现大型结构体实时监测的 希望所在 。 以光纤光栅为传感基元 ,探索新型光纤光栅传感器的设计方法和实现技术 ,开发质量 优良、持久耐用 、稳定性强 、功能集成的光纤光栅系列传感器及信号解调系统 ,是最终实现 光纤光栅传感器模块化 、产业化 、规模化的目标[3 ,4 ] 。 1 　光纤光栅传感器理论的必威体育精装版进展 1. 1 　光纤光栅传感系统物理模型 2002 年 ,张伟刚等[5 ] 提出了光纤光栅传感系统的物理模型 ,如图 1 所示 。该模型抽 取传感系统的最基本功能 ,忽略光波在传输及接收过程中的色散效应 ,其运作方式是 :光 ( ) ( ) 图 1 　光纤光栅传感系统模型示意图。 a 反射式模型 b 透射式模型 ( ) (