分析仪监测波长λb1、λb2的反射光强变化和λb1的偏移, 可知应力和温度的变化量。其中LPFG只有透射谱（如图15所示）, 满足条件的波被耦合到包层中, 在包层与空气界面处透射损失。而FBG既有透射谱, 又有反射谱, 满足条件的波被反射。测量时，LPFG透射谱起到了对2个FBG反射谱限幅的作用。由于LPFG对温度的敏感性远大于对应力的敏感性，因此当温度变化时，LPFG透射谱的波长移动很大，引起的FBG反射波长强度变化较明显；而应力引起的LPFG透射波长移动很小，对应的FBG波长强度改变不明显。因此，利用温度和应力变化引起的FBG反射峰值波长改变，通过测量波长偏移和强度变化，可同时确定温度变化和应力变化[35]。
图14. 传感器结构原理 图15. LPFG的透射光谱
2000年，Guan等人[36]也以此为基本思想，采用一超结构光纤光栅SFBG(super structure fiber Bragg grating)作为传感器，测其透射谱，对光强和Bragg波长的变化量读值，从而实现对应力和温度的同时测量。该方案只需一个光栅，结构简单，但其不再全是波长编码的方式，易受光源波动等其它因素的影响。
4.3 不同的纤芯和掺杂材料。
温度引起的光纤折射率变化对光栅耦合波长影响最大。因此, 可以通过选择适当的纤芯或包层掺杂材料及浓度，或对光纤折射率进行适当设计，来取得传感应用所需较大耦合波长温度系，或消除耦合波长温度敏感度。
当改变纤芯和包层的折射率时，LPFG耦合波长随温度变化的移动量将会改变。同样地，当改变纤芯和包层的折射率时, 也可以改变FBG耦合波长随温度变化的移动量。但光纤制作中，在纤芯中掺Ge提高光敏性以及光纤纤芯折射率的同时, 也增大了光纤的数值孔径，使波导效应增加，降低光纤光栅的灵敏度，而在光纤中掺入B后可以降低折射率。因此可采用B、Ge共掺，在提高光敏性和适当增加纤芯
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折射率的同时，还可减小光纤的数值孔径，提高光纤光栅温度灵敏度[37]，其测量准确度可达到55. 8με和3℃，但其对光纤制作的掺杂准确度要求较高。据文献[38]报道，采用Type IA和Type IIA两种不同掺杂的光栅，可以使测量的准确度提高到4.4με和0.54℃，两者的温度响应差可以达到36％。
另外还可以通过改变光纤其他参数来提高光纤光栅的温度或应力响应灵敏度。例如，在高压下(800MPa)载H2到光纤纤芯中，可增大光纤的热光耦合系数，提高光纤光栅对温度的灵敏性[39]。或者在光纤上写入光栅的过程中，用特殊的写入方式改变光纤纤芯的折射率分布，以改变光栅波长对温度的灵敏度。
4.4 不同直径的FBG组合。
上面分析可知，应力对光纤半径的影响很大。因此，在两个不同直径而相同材料的光纤中分别写入Bragg光栅。当光纤光栅所受温度和应力同时改变时，由于这两个光栅是由相同材料构成，所以它们具有相同的温度响应特性；但又因为两段光纤的直径不同，导致其应力响应特性不同。这样，总体结果表现为两个光栅对温度不敏感，而对应力敏感，从而实现区分测量。1996年，James等人[40]采用两个不同包层直径的FBG作为传感单元，其结构如图16所示，它们对温度的灵敏度基本相同，而对应力则相差较大。因此，通过测量两Bragg波长
相对偏移量，可得到应力的变化，若进而考虑 图16. 不同直径的FBG原理 绝对偏移量，则可同时测量温度。实验中，在2500με和120℃范围内，测量准确度为17με、1℃。
此外，还可采用相同直径、不同纤芯材料的光纤光栅进行区分测量，将光栅写入两段光纤的连接处，其区分测量机理与上述原理相似。主要差别在于：由于两段光纤的直径相同，所以光栅具有相同的应力响应特性；而纤芯材料的差异导致其折射率不同，从而使光栅具有不同的温度响应特性[41]。利用这一特性，也可达到同时区分测量的目的。
4.5 不同的封装材料或方法。
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? 两个FBG采用不同封装。分析表明，光纤光栅的完全粘贴状态和自由状态的敏感性不同，所以利用不同的峰值方法可以比较简单地实现各个参量之间的区别测量。文献[42]详细分析了实验条件下，不同封装对温度和应力的影响。如下图17、18所示，温度和应力的灵敏度在不同的封装下表现出了明显的不同。
图17. 封装对温度响应的影响 图18. 封装对应力响应的影响
? 采用不同聚合物材料的封装。利用某些有机物对温度和应力的响应不同，从封装增加光纤光栅对温度(或应力) 灵敏度，克服交叉敏感效应。
温度增敏：在高温下，用环氧树脂将光纤光栅粘到尼龙衬底上。尼龙的热膨胀系数为1. 7×10- 4/℃，石英的膨胀系数为5×10- 7/℃。利用尼龙比石英光纤有较大的热膨胀系数的特点，可以改变光纤光栅的热膨胀系数，使光纤光栅的温度响应灵敏度提高约15倍。或选用聚酰胺纤维聚合物材料(其热膨胀系数约为10- 5/℃)进行封装，也可使光栅温度响应灵敏度提高，达到0. 25 nm/℃[43-44]。
应力增敏：可选用热膨胀系数较小的聚四氟乙烯材料，如四氟乙烯－六氟乙烯共聚物作衬底。此类聚合物的热膨胀系数为8. 3×19- 6/℃，与光纤热膨胀系数相差不大，所以当温度变化时光栅的应力偏置将不会太大。而且这类聚合物有适当的弹性模量，可增加光栅应力响应灵敏度。用它对光纤光栅进行封装，能使光栅静压灵敏度提高到0. 06 nm/M Pa，也可选用其它低热膨胀系数的弹性材料进行封装，来提高光栅的应力灵敏度[45]。
4.6 偏振技术实现。
目前, 还有人提出了利用偏振技术来实现区分测量。在特种光纤（如保偏光纤或Panda光纤）中写入光栅，当应力、温度发生变化时，光纤光栅反射或透射光的偏振态发生相应改变，利用温度和应力引起偏振态的不同变化进行区分测量[46]。例如：LPFG双折射效应中，双峰响应的变化只与光纤本身所受应力有关，而与温
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度无关[47]。通过测量双峰的变化，便可得到应力变化量，实现区分测量[48]。
4.7 其它方法。
啁啾光栅的有效带宽具有随应力而变化，且对温度不敏感的特性, 因此利用这一特性可以实现对应力的测量。也可以通过测量Bragg光纤光栅反射带宽展开不同的方法来进行测量[17]。但是这些方法已不再是波长调制型的传感器，因此具有一定的使用局限性，受到了光源稳定性的影响。
5. 推广应用
悬臂梁结构中，它的自由端位移与受到的应力关系如下[49]：
?x?3(L?x0)hf/(2L3) 可以看出，悬臂梁自由端的位移与它受到的应力成正比关系，因此上述讨论的应力温度同时测量的各种方法可以推广
应用到位移和温度同时测量的情况中。 图19. 悬臂梁结构图
另外，还可以通过一些方法实现用光纤Bragg光栅，来同时测量湿度和温度，详见文献[50]。
6. 存在问题与前景分析
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，因而得到了密切关注与研究，在实际中也有非常广阔的应用前景，但它还存在一些需要解决的问题，如：光纤纤芯掺杂浓度分布不易控制；解调方案结构复杂、精度低而且成本高；大部分有机物封装材料不能用于恶劣环境下；不同直径光纤熔接中高损耗的问题等等。
从光子学的发展来看，光纤光栅和光纤阵列器件及其集成技术很可能成为一次
有里程碑意义的重大事件。目前光纤光栅及其器件的研究已经向更高、更深层次的发展，新的构思层出不穷，归纳起来，光纤光栅及其器件当前以及今后一段时间重
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点研究的领域包括：
? 物理机制的研究：掺杂光纤的各种光效应，特别是光敏与增敏效应的物
理机制的研究，是开发新型光纤光栅及其器件的基础。
? 最佳成栅工艺研究：包括各种光纤光栅的成栅技术的基础及最佳成栅条
件与工艺的研究。
? 研究以光纤光栅为基础器件的光子线路，包括无源光子线路的研究（如
全光滤波器、复用/解复用器、色散补偿器、光插/分复用器等）；对有源光子线路的研究（如全光纤激光器、光纤传感器等）；对光子线路的特殊功能研究（如选频滤波器、调谐特性、色散补偿特性、选通与复用特性及其机理等）。
? 全光纤光子集成研究：如全光纤DWDM光子集成通信系统、全光纤分布
式多功能型光子集成传感系统等。
? 新效应、新应用研究：对光纤光栅、光子线路及其集成的研究是一项具
有深远意义和重要应用前景的新课题，有许多异彩纷呈的新效应、新应用吸引我们去探索和构思。
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[3] G. Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn, Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse
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Optical Fiber by UV Exposure Through a Phase Mask. Appl. Phys. Lett, 10, 62(1993) [5] W. W. Morey, G. Meltz, W. H. Glenn. Proc. SPIE, Vol.1169(1989) , No.98 [6] Y. J. Rao. Opt. Las, Vol.31 (1999) , No.297
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(2001), No.2382]
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光纤布拉格光栅温度应力传感器
