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光纤光栅传感器原理及应用

（武汉理工大学）
1 光纤光栅传感原理

光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种
光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg
grating，FBG）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微 米数量级。FBG是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一
小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波
长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的
作用，如图1。

反射光谱

包层

反射光

入射光谱


入射光


光栅

纤芯
投射光

投射光谱

光栅周期

图 1 FBG 结构及其波长选择原理图
在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温
度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。
（1）光纤光栅应变传感原理
光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况， 在外力作
用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹
光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为 1300nm，则每个me将导
致 1.01pm 的波长改变量。
（2）光纤光栅温度传感原理
光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅
栅格发生变化。光纤光栅中心波长为 1300nm，当温度变化 1 摄氏度时，波长改
变量为 9.1pm。

2 光纤光栅传感器特点

利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最
大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图 2 所示。
光纤光栅传感器可测物理量：
温度、应力/应变、压力、流量、位移等。

被测参量
宽带
光源

光纤F-P腔
测点1

光强
测点2
测点3
测点n


光
源波长

波长

测点1 测点2 测点3 测点n
图 2 光纤光栅传感器分布式测量原理
光纤光栅的特点：
l 本质安全，抗电磁干扰
l 一纤多点（20-30 个点） ，动态多场：分布式、组网测量、远程监测
l 尺寸小、重量轻；
l 寿命长: 寿命 20 年以上
3 目前我校已经开展的工作（部分）

3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统

利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。

光纤光栅传感器


光纤
非
接触光传输


光纤
解调器

旋转部分


固定部分

旋转装备 分析诊断系统

图 3 光纤光栅非接触测量原理

图 4 光纤光栅传感器飞机发动机动应变测量

3.2 旋转轴系振动（位移）的光纤光栅测量技术与方法

利用旋转轴振动对磁场的影响作用， 将磁场的变化转化为光纤光栅反射波长
的变化，通过理论建模和分析，创建了一种基于磁力变化的光纤光栅无接触旋转
轴振动测量新原理与新方法。图 5 所示是这种振动测量的原理图和装置图。
通过理论分析和实验研究， 演绎了这种测量方法的原理以及呈现的无接触振
动（位移）测量、易实现多维振动测量的特点。分析了影响测量性能的因素及其
影响关系，图 6 所示就是传感探头到旋转轴的距离与光纤光栅应变的关系。