福建网建通信工程有限公司张永春

摘要：本文介绍了光纤加速度传感器的国内外研究进展和光纤传感的基本概念，理论分析了光纤加速度传感器的传感原理，并探究了光纤布拉格光栅的传感基础。

关键词：光纤光缆；加速度传感器；光纤布拉格光栅

1.1研究背景和意义

近20年来，随着光纤通信技术的不断发展和成熟，光纤传感器的应用前景也越来越广阔，它与传统的传感技术相比，光纤具有质量轻，纤芯细，抗电磁干扰能力强，抗腐蚀，耐高温高压，信号衰减小，集信息传感和传输与一体等优点，使其用途广泛。例如可以将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的应力，振动，温度和载荷等参数进行实时安全监测；也可用于对有毒，有害气体的环境监测；还包括应用于政府机构或军事重地等敏感区域和设施的安防预警技术与系统；应用于飞船，飞机等航空航天器以及潜艇，舰船的结构健康监测等。

光纤加速度传感器主要用于测量振动的加速度，在现代工业各种领域都会涉及到振动加速度的测量，因此，灵敏度高，频率范围大，信号传输距离远，抗电磁干扰能力强，实现智能化是对未来光纤加速度传感器的基本要求。因此，对光纤加速度传感器的结构，原理，测量方法的深入研究，对于我国地震监测，光纤传感器的应用前景都具有深远的意义。

1.2光纤加速度传感器的国内外研究进展

随着光纤传感技术的不断提高，给光纤加速度传感器的发展带来了前所未有的机遇，与传统的机械磁电式，压电悬浮式，电磁悬浮式等加速度传感器相比，灵敏度得到了很大的提升，光纤加速度传感器的种类也越来越多，主要有强度调制型，波长调制型，相位调制型，模式调制型和偏振态调制型等。光强调制型有反射式，投射式，光模式强度调制，折射率强度调制等，相位调制型加速度传感器常用的相位解调方法有马赫-曾德干涉仪法，法布里-珀罗干涉仪法和迈克尔逊干涉仪法等等，其中相位调制型，强度调制型和波长调制型光纤加速度的精度比较高，研究的也比较多。

2.1 引言

光纤Bragg光栅作为光纤加速度传感器的核心传感单元，具有损耗低，光谱特性好，容易与光纤连接，高性能等特点，而且作为传感元件，还有一些明显优于其它传感器的地方，如它的传感信号为波长调制，使得测量信号不会受到光纤连接或弯曲损耗，光源起伏等因素的影响；能够避免相位测量中的不清晰和需要固定参考点，适合作为分布式传感元件埋入结构内部，实现对内部压力，温度，应变等的测量。

2.2光纤布拉格光栅的传感基础

2.2.1光纤光栅的理论模型

在1978年，加拿大渥太华研究中心的hill等人首次观察到掺锗石英光纤中的光敏效应，并采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人又发展了紫外激光侧面将任意工作波长的位相光栅写入纤芯，形成光纤光栅。使得光纤光栅的制作技术取得了突破性的进展。光纤光栅是近几年来发展最快的光纤无源器件之一，具有全光纤结构，高反射损耗，低插入损耗等优点，使得它在光纤通信和光纤传感等领域有广阔的应用前景。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，就其本质讲是由于光纤芯区折射率周期性的变化，使得光纤波导的条件发生改变，进而会使一定波长相对应的模式产生耦合，导致反射光谱和投射光谱对该波长出现奇异性。光纤光栅分为均匀周期光纤光栅和非均匀光纤光栅，均匀周期光纤光栅的光学周期沿轴向保持不变，主要有光纤Bragg光纤光栅，长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅这三类，非均匀光纤光栅的栅格周期折射率调制深度不为常数或沿光纤轴向不均匀，它主要有相位光纤光栅，啁啾光纤光栅，取样光纤光栅和变迹光纤光栅等。

光纤Bragg光纤光栅是目前应用比较广泛的一种光纤光栅，光栅的栅格周期一般为100nm量级，光纤的轴向与光栅的波矢方向一致，这种光栅具有较高的反射率和较窄的反射谱，它的反射率和反射带宽可以通过改变写入条件来加以调节和控制。该光栅具有良好的应变灵敏度和温度特性，结构也简单，在光纤传感，光信息处理，光纤通信，光计算等领域均有广泛的应用。

光纤Bragg光纤光栅的结构如图2-1所示。