光纖光柵傳感器工作原理

光柵式傳感器（optical grating transducer）指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為 10～100線/毫米。

一、光柵式傳感器工作原理

我們知道，光柵的Bragg波長lB由下式?jīng)Q定：

lB=2nL ⑴

式中，n—芯模有效折射率； L—光柵周期。

當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現(xiàn)對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術(shù)，還可實現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量和同時測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料（如壓電材料），對電場等物理量的間接測量也能實現(xiàn)。

1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理

上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對單參數(shù)的定點測量很有效，但在需要同時測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。此時，采用啁啾光纖光柵傳感器就是一個不錯的選擇。

啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響，啁啾光纖光柵反射信號會拓寬，峰值波長也會發(fā)生位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性（dn/dT），僅會影響重心的位置。因此通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應(yīng)變和溫度。

2、長周期光纖光柵（LPG）傳感器的工作原理

長周期光纖光柵（LPG）的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進(jìn)包層，其公式如下：

li=（n0- niclad）·L ⑵

式中，n0—纖芯的折射率；niclad—i階軸對稱包層模的有效折射率。

光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長范圍上有許多的共振，其共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移，通過檢測Dli，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而適用于構(gòu)建多參數(shù)傳感器。

二、光柵式傳感器的組成部分

1、光源

鎢絲燈泡，它有較小的功率，與光電元件搭配使用時，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。半導(dǎo)體發(fā)光器件，如砷化鎵發(fā)光二極管，還可以在范圍內(nèi)工作，所發(fā)光的峰值波長為，與硅光敏三極管的峰值波長接近，所以，有很高的轉(zhuǎn)換效率，同樣有比較快的響應(yīng)速度。

2、光柵付

由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊，但又不徹底重合。兩者柵線間會分開一個很小的夾角，便于于得到莫爾條紋。一般來說主光柵是活動的，它還可以單獨地移動，也能夠隨被測物體而移動，其長短關(guān)鍵在于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。

3、通光孔

通光孔是發(fā)光體與受光體的通路，一般來說為條形狀，其長短由受光體的排列長短決定，總寬由受光體的高低決定。它是帖在指示光柵板上的。

4、受光元件

受光元件是用于感知主光柵在移動時產(chǎn)生莫爾條紋的移動，進(jìn)而精確測量位移量。在挑選光敏元件時，要考慮到靈敏度、響應(yīng)時間、光譜特性、可靠性、體積等因素。

三、光柵式傳感器的應(yīng)用

在地球動力學(xué)中的應(yīng)用

在地震檢測等地球動力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預(yù)測是非常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關(guān)鍵活動范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面?；顒訁^(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)應(yīng)變（包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等）一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離，而以震源的震波為代表的動態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應(yīng)力－應(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。有報道指出，光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1Hz～2Hz，大小為10-9 e的巖石和地表動態(tài)應(yīng)變。

在航天器及船舶中的應(yīng)用

先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具（如飛機(jī)的機(jī)翼）。

為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，普通船體大約需要100個傳感器，因此波長復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實現(xiàn)了帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/（Hz）1/2的動態(tài)應(yīng)變測量。

另外，為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動，起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況，通常需要100多個傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現(xiàn)多點多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元件。

在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來說，通過測量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀況，方便進(jìn)行維護(hù)和狀況監(jiān)測。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，還以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測，并通過計算機(jī)對傳感信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時，一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面，或在梁的表面開一個小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中（便于防護(hù)）。如果需要更加完善的保護(hù)，則最好是在建造橋時把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋。同時，為了修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂，并在每一個梁上均安裝這兩個臂。

兩個具有相同中心波長的光纖光柵代替法布里－珀*涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里－珀*涉儀（FFPI），利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化，這一方法實現(xiàn)了高靈敏度的動態(tài)應(yīng)變測量。用FFPI結(jié)合另外兩個FBG，其中一個光柵用來測應(yīng)變，另一個被保護(hù)起來（免受應(yīng)力影響），以測量和修正溫度效應(yīng)，同時實現(xiàn)了對三個量的測量：溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時動態(tài)應(yīng)變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點，在5me的測量范圍內(nèi)，實現(xiàn)了小于 1me的靜態(tài)應(yīng)變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/（Hz）1/2的動態(tài)應(yīng)變靈敏度。

在電力工業(yè)中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現(xiàn)長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。

在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化可使壓電陶瓷（PZT）產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，進(jìn)而測知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(fā)危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖光柵傳感器實現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測量的實例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。

在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波（輻射）頻率、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應(yīng)，這樣會導(dǎo)致錯誤讀數(shù)。近年來，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的，因為小的尺寸對人體組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場，在30℃～60℃的范圍內(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結(jié)果，而超聲場的測量分辨率為10-3atm/Hz1/2，這為研究病變組織提供了有用的信息。

光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。

在化學(xué)傳感中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因為光柵的中心波長隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度變化都會引起折射率的變化。

長周期光柵（long period fiber grating，LPFG）與布拉格光纖光柵一樣，也是由光纖軸上產(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制而形成，其周期一般大于100μm。它的耦合機(jī)理是：向前傳輸?shù)睦w芯基模被耦合入幾個特定波長的向前傳輸?shù)陌鼘幽＃鼘幽：芸鞊p失掉，所以LPFG基本上沒有后向反射，在其透射譜中有幾個特定波長的吸收峰。LPFG對光纖包層材料折射率的變化比上述的光纖布拉格光柵更為敏感，包層材料折射率的任何變化都會改變傳輸光譜的特性，使吸收峰發(fā)生改變，所以長周期光柵折射率測量系統(tǒng)的分辨率可實現(xiàn)10-7的靈敏度。目前已經(jīng)用長周期光柵測出了許多化學(xué)物質(zhì)的濃度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3和1.45之間的化學(xué)物質(zhì)都可用長周期光柵進(jìn)行探測。

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