如何利用光纤光栅进行传感器等应用设计？

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。

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。

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.

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。

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。

举例：光纤光栅传感器在大坝和路基监测中的应用

大坝坝体的变形、混凝土面板(包括周边缝)的变形、蓄水后大坝渗漏量的变化和路基受力变形等是大坝和路基工程安全运行重点关注的问题。只有对工程进行全面监测，才能掌握工程的运行性态，了解大坝和路基的安全状况。

应用优势：可实现分布式测量，连续得到沿着探测光缆数公里的测量信息。捕捉到的渗漏、脱空信息量大，可以完整地监测大坝和路基全部范围内渗漏、脱空信息，为大坝和路基安全监测人员提供科学的数据。可对渗漏点、脱空点进行精确的定位，特别适合用于不可预知的渗漏点、脱空点的监测。采用专用的高强度光缆，完全可以承受大坝施工时对测量结构产生的影响。光缆有阻水纱和阻水层，即使光缆长期处于水中也不影响测量结果的准确性。

监测内容主要包括：

变形监测：面板堆石坝的变形监测包括面板、堆石体和坝基3部分的变形监测。 水平、垂直位移监测、大坝基础变形监测、表面变形监测、内部变形监测、混凝土面板挠度监测、面板与垫层间脱空监测、面板周边缝监测、面板与防浪墙间缝面监测、板间缝监测。

渗流监测：渗流监测包括坝基渗透压力、坝体及坝基渗漏量、渗漏部位和绕坝渗流的监测。大坝渗漏、脱空经常发生在面板竖向伸缩缝、周边缝、送浆处理后的基岩裂隙以及混凝土面板裂缝，特别是周边缝，因周边缝受力复杂，变形较大，且为张性缝，极易造成防渗结构损坏，形成脱空、渗漏通道。

面板应力和温度监测：通过埋设的光纤应变计、弦式应变计、钢筋计、温度计等，观测面板的应力应变和温度。主要包括混凝土应力监测、钢筋应力、面板混凝土温度。