一种光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统

传统的周界安防或围栏报警系统：如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等，虽为安全技术防范做出了一定的贡献，但受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一定的缺陷。而利用光电技术中的新型光纤传感技术做成的周界围栏报警系统具有非常明显的技术优势。本文介绍传统周界围栏报警系统的缺陷及光纤传感的优势，光纤Bragg光栅传感器的原理、优点，基于光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统的组成及工作原理，系统多处侵入定位报警的解决法及其应用与市场前景等。

一、光纤传感技术与周界围栏报警系统比较

多年来，传统的周界安防或围栏报警系统：如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等，为安全技术防范做出了一定的贡献。但是，受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一定的缺陷：如主动红外对射的围栏报警系统，易受地形条件的高低、曲折、转弯、折弯等环境限制，而且它们不适合恶劣气候，容易受高温、低温、强光、灰尘、雨、雪、 雾、霜等自然气候的影响，易出现误报率；再如泄露电缆、振动电缆、电子围栏、电网等围栏报警系统，均属于有源的电传感，系统功耗很大；且电子围栏、电网等又有一定危害性；它们又易受电磁干扰、信号干扰、串扰等，而使灵敏性下降，误报率、漏报率上升等。

　　与上述周界安防或围栏报警系统相比，利用光电技术中的新型光纤传感技术做成的周界安防或围栏报警系统具有非常明显的技术优势：

　　(1)抗电磁干扰，电绝缘性好、安全可靠，耐腐蚀、化学性能稳定，因而完全不受雷电影响，能在恶劣的化学环境、野外环境及强电磁干扰等场所下工作；

　　(2)体积小、重量轻，几何形状可塑，传输损耗小，传输容量大，具有非常好的可靠性和稳定性；

　　(3)不仅能发现外界扰动，而且可确定外界扰动的位置，系统具有成本低、结构简单、便于扩展与安装容易；

　　(4)无辐射、无易燃易爆材料，既防水又环保；

　　(5)能源依赖性低，可大大节省供电设备与线路的成本，适合长距离使用；

　　(6)可根据被测对象的情况选择不同的检测方法，再加上其对被测介质影响小，所以它非常有利于在结构检测等具有复杂环境的领域中应用等。

　　周界安防或围栏报警系统，在光纤传感技术中可利用两种光纤传感器来实现：一是利用光纤Bragg光栅分布式光纤传感器；二是利用光纤干涉型光纤传感器。本文讨论前者，后者己另外撰文介绍。

　　近年来，光纤传感技术中的光纤光栅是发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。光纤光栅传感主要优点之一是便于构成分布式传感系统，而构成分布式传感系统最关键技术之一是复用技术，包括波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)及它们的组合复用技术。由于它的敏感变化参量为光的波长，所以，不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰，并且光纤光栅具有制作简单、体积小、性能稳定可靠、又易与系统及其他光纤器件连接等特点。若将其作为传感部件，可实现实时测量和分布式测量。

　　由于光纤布拉格(Bragg)光栅对特定波长的光具有反射作用，并且其反射中心波长随着温度、应力等物理量的变化而变化，具有优良的温度和应变响应特性，因此它在传感领域有着非常广泛的应用前景。随着光纤布拉格光栅传感技术在测量方面的广泛应用，为安全技术防范系统的研究提供了广阔的生机。显然，能利用光纤布拉格光栅的应变与温度传感特性制成周界安防及围栏报警系统，因而对它的研究具有很大的实际意义和社会意义。

　　上面己简述了传统周界围栏报警系统的缺陷及光纤传感的优势，下面再介绍光纤Bragg光栅传感器的原理、优点，基于光纤Bragg光栅传感周界围栏报警系统的组成及工作原理，系统多处侵入定位报警的解决法及其应用与市场前景等。

二、光纤Bragg光栅传感器原理

　　光纤布拉格光栅FBG(Fiber Bragg Grating）是衍射光栅概念的发展，其衍射是由光纤内部折射率的变化实现的。FBG于1978年问世，它利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过紫外写入的方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，如图1所示。图中，光纤Bragg光栅的周期Λ一般小于1μm。

图1、均匀周期光纤Bragg光栅结构

　　光纤布拉格(Bragg)光栅FBG传感的基本原理如图2所示。

图2、光纤布拉格(Bragg)光栅传感原理

　　光纤布拉格(Bragg)光栅传感的原理是，当一束光送进Bragg光纤光栅时，根据光栅理论，在满足Bragg条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在Bragg波长处出现峰值。光栅受到外部物理场（如应力、应变温度等）的作用时，其栅距Λ随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长。根据ΔλB变化的大小就可以确定待测部位相应物理量的变化。