一种光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统

　　FBG好像一个窄带的反光镜，只反射一个波长而透射其余的波长。被反射的波长称为Bragg波长，满足光纤光栅的Bragg方程式，即满足条件

(1)

　　式中，∧为Bragg光栅周期；neff为反向耦合模有效折射率。该方程式为光纤光栅在外界作用下Bragg波长的传感响应提供了理论工具，即任何使这两个参量发生改变的过程，都将引起光栅Bragg波长的移位。因此，常见的FBG传感器，就是通过测量布拉格波长的漂移而实现对被测量的检测的。

　　在所有引起光栅Bragg波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸或挤压，都将导致光栅周期∧的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应，使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而改变。据此，可用光纤Bragg光栅制成灵敏的光纤传感器。其中，应力引起光栅Bragg波长的移位可以由下式统一描述

(2)

　　式中，ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变；Δneff为光纤的弹光效应。不同的外界应力状态将导致ΔΛ和Δneff的不同变化。因此，只要检测到反射信号中光栅Bragg波长的移位ΔλB，即可检测到待测传感量的变化。

　　从弹光效应的角度来看，光纤光栅对纵向压力较横向压力更为敏感。综合弹光和波导两种效应，光纤光栅对于均匀横向应力的灵敏度较纵向伸缩要小，因而在复杂应力情况下，由纵向压力引起的波长移位将会占主要地位。

　　若只考虑轴向应变(即纵向压力)时，则引起中心波长位移的相对变化为

（3）

　　式中， 为光纤光栅应变灵敏度系数， 为轴向应变。由式（3）可得

（4）

　　由公式（4）看出，反射波长的变化与应变成正比。也就是说，由反射波长的变化可以得到相应的应变力。

　　外界温度改变，同样也会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有：光纤热光效应、光纤热膨胀效应、光纤内部热应力引起的弹光效应。从光栅Bragg方程式(1)出发，当外界温度改变时，对式(2)展开，可得到温度变化ΔT时所引起的光纤光栅Bragg波长的移位。通过理论推导证实，当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是与材料系数相关的常数。因此，对于纯熔融石英光纤，当不考虑外界因素的影响时，其温度灵敏度系数基本上取决于材料的折射率温度系数，而弹光效应与波导效应将不对光纤光栅的波长移位造成显着影响。故可得到下列表达式，即

（5）

　　式中，αn为热光系数；αΛ为线性热膨胀系数。对于熔融石英光纤，αn=0.86×10-5/oC，而αΛ=5.5×10-7/oC。

　　由式（5）可看出，反射波长的变化与温度变化ΔT成正比。即由反射波长的变化可以得到相应的温度。对1.55μm波长，可得到单位温度变化下引起的波长移位为10.8pm/oC。

三、光纤Bragg光栅传感器的优点

光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。光纤光栅传感器除具有一般光纤传感器的优点外，还具有下列优点：