自1978年，加拿大的Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發現光敏現象並采用駐波法製造出世界上第一根光纖光柵和1989年美國的Melt等人實現了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(ce) 麵寫(xie) 入技術以來，光纖光柵的製造技術不斷完善，人們(men) 對光纖光柵在光傳(chuan) 感方麵的研究變得更為(wei) 廣泛和深入。光纖光柵傳(chuan) 感器具有一般傳(chuan) 感器抗電磁幹擾、靈敏度高、尺寸小、重量輕、成本低，適於(yu) 在高溫、腐蝕性等環境中使用的優(you) 點外，還具有本征自相幹能力強和在一根光纖上利用複用技術實現多點複用、多參量分布式區分測量的獨特優(you) 勢。故光纖光柵傳(chuan) 感器已成為(wei) 當前傳(chuan) 感器的研究熱點。由光源、光纖光柵傳(chuan) 感器和信號解調係統為(wei) 主構成的光纖光柵係統如何能夠在降低成本、提高測量精度、滿足實時測量等方麵的前提下，使各部分達到最優(you) 匹配，滿足光纖光柵傳(chuan) 感係統在現代化各個(ge) 領域實用化的
需要也是研究人員重點考慮的問題。

     本文對光纖光柵傳(chuan) 感係統進行了介紹，對光纖光柵係統的寬帶光源進行了說明，重點分析了光纖光柵傳(chuan) 感器的傳(chuan) 感原理及如何區分測量技術，對信號常用的信號解調方法進行了總結，最後，提出為(wei) 適應未來的需要對係統各部分的優(you) 化措施。

 1 光纖光柵傳(chuan) 感係統

     光纖光柵傳(chuan) 感係統主要由寬帶光源、光纖光柵傳(chuan) 感器、信號解調等組成。寬帶光源為(wei) 係統提供光能量，光纖光柵傳(chuan) 感器利用光源的光波感應外界被測量的信息，外界被測量的信息通過信號解調係統實時地反映出來。

 1．1 光 源

     光源性能的好壞決(jue) 定著整個(ge) 係統所送光信號的好壞。在光纖光柵傳(chuan) 感中，由於(yu) 傳(chuan) 感量是對波長編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強的輸出功率與(yu) 穩定性，以滿足分布式傳(chuan) 感係統中多點多參量測量的需要。光纖光柵傳(chuan) 感係統常用的光源的有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，可達到幾十個(ge) 納米，有較高的可靠性，但光源的輸出功率較低，且很難與(yu) 單模光纖耦合。LD光源具有單色性好、相幹性強、功率高的特點。但LD光譜的穩定性差（4×10-4／℃）。因此，這2種光源自身的缺點製約了它們(men) 在光傳(chuan) 感中的應用。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。
     現在C波段摻鉺光源已經研製成功並使用，隨著光通信中對通信容量和速度的要求及分布式光纖傳(chuan) 感密集布點對光源帶寬要求，L波段的研究越來越重要。有研究者提出C+L波段的研製方案以提高光源的帶寬和功率。摻鉺光源在溫度穩定性方麵比半導體(ti) 光源提高2個(ge) 數量級，同時，能提供較高的功率、寬的帶寬和較長的使用壽命，因此，可以擴大光纖光柵傳(chuan) 感器的測量範圍，提高檢測的信噪比。

 1．2 光纖光柵傳(chuan) 感器

     光纖光柵傳(chuan) 感器可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由於(yu) 光纖光柵波長對溫度與(yu) 應變同時敏感，即溫度與(yu) 應變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與(yu) 應變加以區分。因此，解決(jue) 交叉敏感問題，實現溫度和應力的區分測量是傳(chuan) 感器實用化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現對溫度和應力區分測量。這些技術的基本原理都是利用兩(liang) 根或者兩(liang) 段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與(yu) 應變傳(chuan) 感器，通過確定2個(ge) 光纖光柵的溫度與(yu) 應變響應靈敏度係數，利用2個(ge) 二元一次方程解出溫度與(yu) 應變。區分測量技術大體(ti) 可分為(wei) 兩(liang) 類，即，多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。

     多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵／F-P腔集成複用法、雙FBG重疊寫(xie) 入法。各種方法各有優(you) 缺點。FBG／LPG法解調簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為(wei) 9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強度低，信號解調困難。光纖光柵／F-P腔集成複用法傳(chuan) 感器溫度穩定性好、體(ti) 積小、測量精度高，精度可達20×10-6，1℃，但F-P的腔長調節困難，信號解調複雜。雙FBG重疊寫(xie) 入法精度較高，但是，光柵寫(xie) 入困難，信號解調也比較複雜。

     單光纖光柵測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組合和預製應變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機物對溫度和應力的響應不同增加光纖光柵對溫度或應力靈敏度，克服交叉敏感效應。這種方法的製作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫(xie) 於(yu) 不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應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現區分測量。這種方法解調簡單，且解調為(wei) 波長編碼避免了應力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量範圍偏小等問題。預製應變法是首先給光纖光柵施加一定的預應變，在預應變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應力釋放後，未粘貼部分的光纖光柵形變恢複，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢複，從(cong) 而導致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個(ge) 光纖光柵有2個(ge) 反射峰，一個(ge) 反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對應變和溫度都敏感；另一個(ge) 反射峰（未粘貼部分）隻對溫度敏感，通過測量這2個(ge) 反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應變。

  1．3 信號解調

    在光纖光柵傳(chuan) 感係統中，信號解調一部分為(wei) 光信號處理，完成光信號波長信息到電參量的轉換；另一部分為(wei) 電信號處理，完成對電參量的運算處理，提取外界信息，並以人們(men) 熟悉的方式顯示出來。其中，光信號處理，即傳(chuan) 感器的中心反射波長的跟蹤分析是解調的關(guan) 鍵。光纖光柵傳(chuan) 感器中心反射波長最直接的檢測儀(yi) 器是光譜儀(yi) 。這種方法的優(you) 點是結構簡單、使用方便。缺點是精度底、價(jia) 格高、體(ti) 積大，而且，不能直接輸出對應於(yu) 波長變化的電信號。因此，不能滿足實用化自動控製的需要。為(wei) 此，人們(men) 研究並提出了多種解調方法，以實現信號的快速、精確提取。可分為(wei) 濾波法、幹涉法、可調窄帶光源法和色散法等。

     濾波法包括體(ti) 濾波法、匹配光柵濾波法、可調諧F-P濾波法。體(ti) 濾波法的元件是波分複用器。工作原理是從(cong) 耦合器出射的光分成等強度的兩(liang) 束，一束經與(yu) 波長有關(guan) 的濾波器濾波；另一束作為(wei) 參考光束，兩(liang) 束出射光經過光電探測器變成電信號，經過處理消除光功率變化的影響，最後，得到與(yu) 光纖光柵中心波長有關(guan) 的輸出值。該方法可以實現動態和靜態參量的測量。分辨力為(wei) 375x10-6，動態應變測量響應速度不超過100Hz匹配光柵濾波法是利用其他的FBG或帶通濾波光器件，在驅動元件的作用下跟蹤FBG的波長變化，然後，通過測量驅動元件的驅動信號來獲得被測應力或溫度。該方法結構簡單、線性度好，分辨力可達0.4×10-6。該方法可以實現靜態測量。但這種方法的不足之處是2個(ge) 光柵要嚴(yan) 格匹配，且傳(chuan) 感光柵的測量範圍不大。可調諧F-P濾波器法是傳(chuan) 感陣列FBG的反射信號進入可調光纖F-P濾波器（FFP），調節FFP的透射波長至FBG的反射峰值波長時，濾波後的透射光強達到最大值，由FFP驅動電壓—透射波長關(guan) 係可得FBG的反射峰值波長。掃描加上擾動信號構成波長鎖定閉環，其應力分辨力可達0.3×10-6。該解調法可實現動態和靜態的測量。由於(yu) FFP濾波器腔的調諧範圍很寬，可以實現多傳(chuan) 感器的解調。但高精度FFP成本較高。#p#分頁標題#e#

     濾波解調法結構簡單，但很難進一步提高其傳(chuan) 感精度。幹涉法卻具有更高精度，可以大大提高傳(chuan) 感分辨力。可調窄帶光源解調法可獲得很高的信噪比和分辨力，實驗所得最小波長分辨力約為(wei) 2.3pm，對應溫度分辨力約為(wei) 0.2℃，但由於(yu) 目前的光纖激光器的穩定性及可調諧範圍不太理想，在一定程度上限製了光纖光柵傳(chuan) 感器的個(ge) 數和使用範圍。

 2 光纖光柵傳(chuan) 感係統的發展趨勢

     為(wei) 了適應未來光纖光柵傳(chuan) 感係統網絡化、大範圍、準分布式測量。許多研究者正在光纖光柵傳(chuan) 感係統的各方麵進行不斷的研究，使係統得到優(you) 化。光纖光柵傳(chuan) 感係統的優(you) 化主要從(cong) 三方麵考慮，即，光源、光纖光柵傳(chuan) 感器及信號解調。對於(yu) 傳(chuan) 感係統的優(you) 化，主要是根據傳(chuan) 感器的數目、傳(chuan) 感器的靈敏度和解調係統的分辨力，根據實際的測量需要，配置不同的光源、傳(chuan) 感器和解調係統，使得成本低、測量誤差小、測量精度高。針對未來光纖光柵傳(chuan) 感係統網絡化的要求，應使用穩定性好、寬帶、高輸出功率的光源。摻鉺、摻釹、摻鐿等離子的光源是今後發展的重點。光纖光柵傳(chuan) 感器既能實現單參量的測量，又能實現多參量的測量。當單參量測量時，應提高傳(chuan) 感器的靈敏度和測試精度。在實際應用中，要注意傳(chuan) 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。這是因為(wei) 光纖光柵的應變有一個(ge) 極限值，超過這個(ge) 極限值光柵就會(hui) 被破壞。為(wei) 實現準分布式測量，傳(chuan) 感器複用數目較多，在布置傳(chuan) 感器時，有時一個(ge) 點要布置靈敏度不同的多個(ge) 傳(chuan) 感器，以實現溫度和壓力的大範圍測量。由於(yu) 傳(chuan) 感量主要是微小波長偏移為(wei) 載體(ti) ，所以，一個(ge) 實用的信號解調方案必須具有極高的波長分辨力。其次，要解決(jue) 動態與(yu) 靜態信號的檢測問題，尤其是二者的結合性檢測已成為(wei) 光柵傳(chuan) 感實用解調技術中的難點。光纖光柵傳(chuan) 感係統應用最大的優(you) 勢在於(yu) 很好地進行傳(chuan) 感器的複用實現分布式傳(chuan) 感，如，美國的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可調激光掃描方法，利用時分技術，可以同時對四路光纖多達256個(ge) Bragg光柵進行查詢。因此，未來的光纖光柵傳(chuan) 感係統將能滿足單點高精度的實時測量，又能適應網絡化的準分布式的多點、多參量的測試要求，在未來的傳(chuan) 感領域發揮更大的作用。

 3 結束語

     隨著對光纖光柵傳(chuan) 感係統的深入研究，其研究的重點：一是對傳(chuan) 感器能同時感測應變和溫度變化的研究；二是對信號解調係統的研究；三是對光纖光柵傳(chuan) 感器的封裝技術、溫度補償(chang) 技術、光源穩定性、傳(chuan) 感係統網絡化等實際應用研究。特別是隨著全光網絡的發展，光纖光柵傳(chuan) 感係統可以應用成熟的波分複用、時分複用和空分複用技術，以實現準分布式光纖傳(chuan) 感，複用數目多、測量精度高、靈敏度高的光纖光柵係統網將會(hui) 在生產(chan) 領域中有更廣泛的應用。