长周期光纤光栅传感器的特性与应用

1.长周期光纤光栅传感器的特性



对LPFG而言，其发生共振的中心波长取决于纤芯和包层的折射率差和光栅周期，外界条件包括环境温度、对光纤施加的应力、环境折射率、光栅弯曲等的改变都会引起纤芯和包层折射率的变化以及光栅周期的变化。这些将导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数的改变，并最终表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。另外，LPFG的中心波长不仅与纤芯的参数有关，而且还与包层的折射率有关。可以通过选择合适的包层参数，解决光纤光栅传感器的交叉敏感问题。这些特性使得LPFG适用于多参数传感器。



从长周期光纤光栅的传感机理可知，长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯的参数有关，而且还与包层的参数有关，因此，这就导致了长周期光纤光栅在传感方面的两个重要特性。



1)当包层的有效弹光系数与纤芯的有效弹光系数户。相同时，长周期光纤光栅的应变灵敏度几乎为零；而当包层的热光系数与纤芯的热光系数相同时，长周期光纤光栅的温度灵敏度也几乎为零。利用该特点，选择合适的包层参数，可制成对温度或应变不敏感的长周期光纤光栅传感器，从而从物理层解决光纤光栅传感器的温度和应变的交叉敏感问题，这对光纤光栅传感器的实际应用是十分有意义的。



2)对不同的包层模，其有效折射率是不同的，因而温度和应变灵敏度也不同。利用该特性，通过监测两个不同包层模的吸收波长的移位，可在一个长周期光纤光栅传感器上实现温度和应变的同时测量。



2．长周期光纤光栅传感应用



长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。另外，LPFG的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传播的纤芯基模和包层模。这一特点导致了LPFG的谐振波长和峰值对外界环境的变化非常敏感；具有比光纤布拉格光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度，在传感领域的应用非常广泛。



(1)温度、应变、扭曲等单参数测量长周期光纤光栅谐振波长随温度变化而线性漂移，是一种很好的温度传感器。H．Georges等人发现用电弧法写入的长周期光纤光栅在高温段的温度灵敏度远远高于低温段，巾间有明显的过渡段，因此这种长周期光纤光栅适合于制作高温(1000℃)下的温度传感器。



(2)多参数测量利用长周期光纤光栅有多个损耗峰的特性，可以用一个长周期光纤光栅实现对多参数的测量。由于不同衍射级次的包层模具有不同的温度敏感性，因此可以利用不同衍射级次的谐振峰实现多参数的同时测量。



与光纤布拉格光栅传感器一样，长周期光纤光栅传感器在应用中一直存在温度、应变、折射率、弯曲等物理量之间的交叉敏感问题，即当长周期光纤光栅传感器用于测量其中一个物理量时，由于外界环境的变化可能使其他物理量发生变化，进而导致光栅的耦合条件发生变化，而长周期光纤光栅本身不可能分辨出被测物理量与其他物理量所分别引起的光栅谐振波长的变化，从而使测量精度大大降低。如此，长周期光纤光栅具有比光纤布拉格光栅更好的灵敏度的优点却成了其在实际测量中的缺点。因此，解决长周期光纤光栅测量过程中的交叉敏感问题尤其重要。至今人们已提出了多种解决传感应用中交叉敏感问题的方案，它们各有各的特点

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