概述光纤光栅传感器基本原理及实际应用，介绍光纤光栅传感器球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中应用。

、 前言
　　1978年加拿大渥太华通信研究中心K.O.Hill等人首次掺锗石英光纤中发现光纤光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第根光纤光栅。1989年，美国联合技术研究中心G.Meltz等人实现光纤Bragg光栅（FBG）UV激光侧面写入技术，使光纤光栅制作技术实现突破性进展。随着光纤光栅制造技术断完善，其应用成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理整领域都将由于光纤光栅实用化发生革命性变化，光纤光栅技术光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后又重大技术突破。

　　光纤光栅利用光纤中光敏性制成。所谓光纤中光敏性指激光通过掺杂光纤时，光纤折射率将随光强空间分布发生相应变化特性。纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质就纤芯内形成窄带（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这特性制造出许多性能独特光纤器件。这些器件具反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，与其它光器件兼容成体，受环境尘埃影响等系列优异性能。光纤光栅种类很多，主要分两大类：Bragg光栅（也称反射或短周期光栅）；二透射光栅（也称长周期光栅）。光纤光栅从结构上分周期性结构和非周期性结构，从功能上还分滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅非周期光栅，又称啁啾光栅（chirp光栅）。目前光纤光栅应用主要集中光纤通信领域和光纤传感器领域。

　　光纤传感器领域，光纤光栅传感器应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限达400℃-600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早1988年就成功航空、航天领域中作效无损检测技术，同时光纤光栅传感器还应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各领域，还土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）混凝土组件和结构中，测定其结构完整性和内部应变状态，从建立灵巧结构，并进步实现智能建筑。

二、 光纤光栅传感器工作原理
　　我们知道，光栅Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1）

　　式中，n芯模效折射率，Λ光栅周期。当光纤光栅所处环境温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅周期或纤芯折射率将发生变化，从使反射光波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长变化，就以获得待测物理量变化情况。如利用磁场诱导左右旋极化波折射率变化同，实现对磁场直接测量。此外，通过特定技术，实现对应力和温度分别测量，也同时测量。通过光栅上涂敷特定功能材料（如压电材料），还实现对电场等物理量间接测量。

1、 啁啾光纤光栅传感器工作原理上面介绍光栅传感器系统，光栅几何结构均匀，对单参数定点测量很效，但需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度分布时，就显得力从心。种较好方法就采用啁啾光纤光栅传感器。

　　啁啾光纤光栅由于其优异色散补偿能力应用高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器工作原理基本相同，外界物理量作用下啁啾光纤光栅除△λB变化外，还会引起光谱展宽。这种传感器应变和温度均存场合非常用，啁啾光纤光栅由于应变影响导致反射信号拓宽和峰值波长位移，温度变化则由于折射率温度依赖性（dn／dT），仅影响重心位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就以同时测量应变和温度。

2、 长周期光纤光栅（LPG）传感器工作原理

　　长周期光纤光栅（LPG）周期般认数百微米，LPG特定波长上把纤芯光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0纤芯折射率，nicladi阶轴对称包层模效折射率。光包层中将由于包层／空气界面损耗迅速衰减，留下串损耗带。独立LPG能很宽波长范围上许多共振，LPG共振中心波长主要取决于芯和包层折射率差，由应变、温度或外部折射率变化产生任何变化都能共振中产生大波长位移，通过检测△λi，就获得外界物理量变化信息。LPG给定波长上共振带响应通常同幅度，因LPG适用于多参数传感器。

三、 光纤光栅传感器应用

1、球动力学中应用

　　震检测等球动力学领域中，表骤变等现象原理及其危险性估定和预测非常复杂，火山区应力和温度变化目前止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变最效手段心。光纤光栅传感器这领域中应用主要岩石变形、垂直震波检测以及作形检波器和光学震仪使用等方面。活动区应变通常包含静态和动态两种，静态应变（包括由火山产生静态变形等）般都定位于与质变形源很近距离；以震源震波代表动态应变则能够与震源较远球周边环境中检测到。得到相当准确震源或火山源位置，更好描述源区几何形状和演变情况，需要使用密集排列应力－应变测量仪。光纤光栅传感器能实现远距离和密集排列复用传感宽带、高网络化传感器，符合震检测等要求，因此它球动力学领域中无疑具较大潜用途。报道指出，光纤光栅传感器已成功检测频率0.1-2Hz，大小10-9ε（应变）岩石和表动态应变。

2、航天器及船舶中应用

　　先进复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，且以减轻船体或航天器重量，对于快速航运或飞行具重要意义，因此复合材料越来越多被用于制造航空航海工具（如飞机机翼）。

　　全面衡量船体状况，需要解其同部位变形力矩、剪切压力、甲板所受抨击力，对于普通船体大约需要100传感器，因此波长复用能力极强光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统测量船体弯曲应力，且测量海浪对湿甲板抨击力。具干涉探测性能16路光纤光栅复用系统成功实现带宽5kHz范围内、分辨率小于10nε/（Hz）1/2动态应变测量。

　　另外，监测架飞行器应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多传感器，故传感器重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧光纤光栅传感器最好选择。另外，实际上飞机复合材料中存两方向应变，嵌人材料中光纤光栅传感器实现多点多轴向应变和温度测量理想智能元件。

3、民用工程结构中应用

　　民用工程结构监测光纤光栅传感器最活跃领域。力学参量测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等维护和状况监测非常重要。通过测量上述结构应变分布，以预知结构局部载荷及状况。光纤光栅传感器以贴结构表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构缺陷情况。另外，多光纤光栅传感器以串接成传感网络，对结构进行准分布式检测，以用计算机对传感信号进行远程控制。

　　光纤光栅传感器以检测建筑结构之桥梁。应用时，组光纤光栅被粘于桥梁复合筋表面，或梁表面开小凹槽，使光栅裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善保护，则最好建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起应变，使用应力和温度分开传感臂，并每梁上均安装这两臂。

　　两具相同中心波长光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉相位噪声最小化，这方法实现高灵敏度动态应变测量。用FFPI结合另外两FBG，其中光栅用来测应变，另被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现同时测量三量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼干涉仪相干性和光纤布拉格光栅传感器优点。已5mε测量范围内，实现小于1με静态应变测量精度、0.1℃温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2动态应变灵敏度。

4、电力工业中应用

　　光纤光栅传感器因受电磁场干扰和实现长距离低损耗传输，从成电力工业应用理想选择。电线载重量、变压器绕线温度、大电流等都利用光纤光栅传感器测量。

　　电力工业中，电流转换器把电流变化转化电压变化，电压变化使压电陶瓷（PZT）产生形变，利用贴于PZT上光纤光栅波长漂移，很容易得知其形变，从得知电流强度。这种较廉价方法，并且需要复杂电隔离。另外，由大雪等对电线施加过量压力能会引发危险事件，因此线检测电线压力非常重要，特别对于那些易检测到山区电线。光纤光栅传感器测电线载重量，其原理把载重量变化转化紧贴电线金属板所受应力变化，这应力变化被粘于金属板上光纤光栅传感器探测到。这利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量实例，这种情况下，相邻光栅间距较大，故需快速调制和解调。

5、医学中应用

　　医学中用传感器多电子传感器，它对许多内科手术适用，尤其高微波（辐射）频率、超声波场或激