光纖光柵傳感器工作原�
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�(xué)玻璃上密集等間距平行的刻�，刻線密度為 10�100�/毫米�
一、光柵式傳感器工作原�
我們知�，光柵的Bragg波長lB由下�?jīng)Q定：
lB=2nL �
式中，n—芯模有效折射率� L—光柵周��
�(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(shí)，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�(fā)生變�，通過測量物理量變化前后反射光波長的變�，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(shí)�(xiàn)對磁場的直接測量。此�，通過特定的技�(shù)，還可實(shí)�(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量和同時(shí)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(shí)�(xiàn)�
1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原�
上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何�(jié)�(gòu)是均勻的，對單參�(shù)的定�(diǎn)測量很有�，但在需要同�(shí)測量�(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布�(shí)就顯得力不從心。此�(shí)，采用啁啾光纖光柵傳感器就是一�(gè)不錯(cuò)的選��
啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散�(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�，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會�(fā)生變化。這種傳感器在�(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�，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(shí)測量光譜位移和展�，就可以同時(shí)測量�(yīng)變和溫度�
2、長周期光纖光柵（LPG）傳感器的工作原�
長周期光纖光柵（LPG）的周期一般認(rèn)為有�(shù)百微�，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合�(jìn)包層，其公式如下�
li=（n0- niclad）·L �
式中，n0—纖芯的折射�；niclad—i階軸對稱包層模的有效折射��
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�(gè)�(dú)立的LPG可能在一�(gè)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�，由�(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�(chǎn)生大的波長位�，通過檢測Dli，就可獲得外界物理量變化的信�。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�(gòu)建多參數(shù)傳感��
二、光柵式傳感器的組成部分
1、光�
鎢絲燈泡，它有較小的功率，與光電元件搭配使用�(shí)，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。半�(dǎo)體發(fā)光器�，如砷化鎵發(fā)光二極管，還可以在范圍內(nèi)工作，所�(fā)光的峰值波長為，與硅光敏三極管的峰值波長接�，所以，有很高的�(zhuǎn)換效�，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�。兩者柵線間會分開一�(gè)很小的夾角，便于于得到莫爾條�。一般來說主光柵是活動的，它還可以單�(dú)地移�，也能夠隨被測物體而移�，其長短�(guān)鍵在于測量范�。指示光柵相對于光電器件而固��
3、通光�
通光孔是�(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�，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�
受光元件是用于感知主光柵在移動時(shí)�(chǎn)生莫爾條紋的移動，�(jìn)而精確測量位移量。在挑選光敏元件�(shí)，要考慮到靈敏度、響�(yīng)�(shí)�、光譜特�、可靠�、體積等因素�
�、光柵式傳感器的�(yīng)�
在地球動力學(xué)中的�(yīng)�
在地震檢測等地球動力�(xué)�(lǐng)域中，地表驟變等�(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測是非常�(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�(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變�、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�?；顒訁^(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動�(tài)兩種，靜�(tài)�(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�(tài)�(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測�。為了得到相�(dāng)�(zhǔn)確的震源或火山源的位�，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情�，需要使用密集排列的�(yīng)力－�(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能�(shí)�(xiàn)�(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高�(wǎng)�(luò)化傳感器，符合地震檢測等的要�，因此它在地球動力學(xué)�(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。有�(bào)道指�，光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率�0.1Hz�2Hz，大小為10-9 e的巖石和地表動態(tài)�(yīng)��
在航天器及船舶中的應(yīng)�
先�(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�，對于快速航�(yùn)或飛行具有重要意�，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�(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�、剪切壓力、甲板所受的抨擊�，普通船體大約需�100�(gè)傳感器，因此波長�(fù)用能力極�(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢�。光纖光柵傳感系�(tǒng)可測量船體的彎曲�(yīng)�，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊�。具有干涉探測性能�16路光纖光柵復(fù)用系�(tǒng)成功�(shí)�(xiàn)了帶寬為5kHz范圍�(nèi)、分辨率小于10ne/（Hz�1/2的動�(tài)�(yīng)變測��
另外，為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)�、溫度、振�，起落駕駛狀�(tài)、超聲波場和加速度情況，通常需�100多�(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量�，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�，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩�(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是�(shí)�(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元��
在民用工程結(jié)�(gòu)中的�(yīng)�
民用工程的結(jié)�(gòu)�(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。對于橋�、礦井、隧�、大壩、建筑物等來�，通過測量上述�(jié)�(gòu)的應(yīng)變分布，可以�(yù)知結(jié)�(gòu)局部的載荷及狀�，方便�(jìn)行維�(hù)和狀況監(jiān)測。光纖光柵傳感器可以貼在�(jié)�(gòu)的表面或�(yù)先埋入結(jié)�(gòu)�，對�(jié)�(gòu)同時(shí)�(jìn)行沖擊檢�、形狀控制和振動阻尼檢測等，還以監(jiān)視結(jié)�(gòu)的缺陷情�。另�，多�(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一�(gè)傳感�(wǎng)�(luò)，對�(jié)�(gòu)�(jìn)行準(zhǔn)分布式檢�，并通過�(jì)算機(jī)對傳感信號�(jìn)行遠(yuǎn)程控制�
光纖光柵傳感器可以檢測的建筑�(jié)�(gòu)之一為橋�。應(yīng)用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁�(fù)合筋的表�，或在梁的表面開一�(gè)小凹�，使光柵的裸纖芯部分嵌�(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�(shí)把光柵埋�(jìn)�(fù)合筋。同�(shí)，為了修正溫度效�(yīng)引起的應(yīng)�，可使用�(yīng)力和溫度分開的傳感臂，并在每一�(gè)梁上均安裝這兩�(gè)��
兩�(gè)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�(shí)�(xiàn)了高靈敏度的動態(tài)�(yīng)變測�。用FFPI�(jié)合另外兩�(gè)FBG，其中一�(gè)光柵用來測應(yīng)變，另一�(gè)被保�(hù)起來（免受應(yīng)力影響），以測量和修正溫度效�(yīng)，同�(shí)�(shí)�(xiàn)了對三�(gè)量的測量：溫�、靜�(tài)�(yīng)�、瞬�(shí)動態(tài)�(yīng)�。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)�(diǎn)，在5me的測量范圍內(nèi)，實(shí)�(xiàn)了小� 1me的靜�(tài)�(yīng)變測量精��0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/（Hz�1/2的動�(tài)�(yīng)變靈敏度�
在電力工�(yè)中的�(yīng)�
光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實(shí)�(xiàn)長距離低損耗傳輸，從而成為電力工�(yè)�(yīng)用的理想選擇。電線的載重�、變壓器繞線的溫�、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量�
在電力工�(yè)中，電流�(zhuǎn)換器可把電流變化�(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�，很容易得知其形變，�(jìn)而測知電流強(qiáng)�。這是一種較為廉�(jià)的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔�。另�，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引�(fā)危險(xiǎn)事件，因此在線檢測電線壓力非常重�，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�(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一�(yīng)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測�。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)�(xiàn)�(yuǎn)距離惡劣�(huán)境下測量的實(shí)例，在這種情況�，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)�
在醫(yī)�(xué)中的�(yīng)�
�(yī)�(xué)中用的傳感器多為電子傳感�，它對許多內(nèi)科手�(shù)是不適用�，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�(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�(yīng)，這樣會導(dǎo)致錯(cuò)誤讀�(shù)。近年來，使用高頻電�、微波輻射和激光�(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來越受到醫(yī)�(xué)界的�(guān)�，而且傳感器的小尺寸在�(yī)�(xué)�(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)樾〉某叽鐚θ梭w組織的傷害較�，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�(nèi)部的溫度、壓�、聲波場的精確局部信�。到目前為止，光纖光柵傳感系�(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�(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量�(jié)�，而超聲場的測量分辨率�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，�(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�，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��
在化�(xué)傳感中的�(yīng)�
光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因?yàn)楣鈻诺闹行牟ㄩL隨折射率的變化而變�，而光柵間倏失波的相互作用以及�(huán)境中的化�(xué)物質(zhì)的濃度變化都會引起折射率的變��
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�，其周期一般大�100μm。它的耦合�(jī)理是：向前傳�?shù)睦w芯基模被耦合入幾�(gè)特定波長的向前傳�?shù)陌鼘幽＃鼘幽：芸鞊p失掉，所以LPFG基本上沒有后向反�，在其透射譜中有幾�(gè)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�(fā)生改�，所以長周期光柵折射率測量系�(tǒng)的分辨率可實(shí)�(xiàn)10-7的靈敏度。目前已�(jīng)用長周期光柵測出了許多化�(xué)物質(zhì)的濃度，包括蔗糖、乙�、己�、十六烷、CaCl2、NaCl�，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3�1.45之間的化�(xué)物質(zhì)都可用長周期光柵�(jìn)行探測�
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