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布拉格光柵傳感器：光纖布拉格光柵傳感器的特點(diǎn)以及工作原理解析

近幾十年以來(lái)，電氣傳感器一直作為測(cè)量物理與機(jī)械現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備發(fā)揮著它的作用。盡管它們?cè)跍y(cè)試測(cè)量中無(wú)處不在，但作為電氣化的設(shè)備，他們有著與生俱來(lái)的缺陷，例如信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗，容易受電磁噪聲的干擾等等。這些缺陷會(huì)造成在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，電氣傳感器的使用變得相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，甚至完全不適用。光纖光學(xué)傳感器就是針對(duì)這些應(yīng)用挑戰(zhàn)極好的解決方法，使用光束代替電流，而使用標(biāo)準(zhǔn)光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)。
在過(guò)去的二十年中，光電子學(xué)的發(fā)展以及光纖通信行業(yè)中大量的革新極大地降低了光學(xué)器件的價(jià)格，提高了質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整光學(xué)器件行業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段擴(kuò)展到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，比如建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用等。
光纖傳感器簡(jiǎn)介
從基本原理來(lái)看，光纖傳感器會(huì)根據(jù)所測(cè)試的外部環(huán)境參數(shù)的變化來(lái)改變其傳播的光波的一個(gè)或幾個(gè)屬性，比如強(qiáng)度、相位、偏振狀態(tài)以及頻率等。非固有型 （混合型） 光纖傳感器僅僅將光纖作為光波在設(shè)備與傳感元件之間的傳輸介質(zhì)，而固有型光纖傳感器則將光纖本身作為傳感元件使用。
光纖傳感技術(shù)的核心是光纖–一條纖細(xì)的玻璃線，光波能夠在其中心進(jìn)行傳播。光纖主要由三個(gè)部分組成：纖芯（core），包層（cladding）和保護(hù)層（buffer coating）。其中包層能夠?qū)⒗w芯發(fā)出的雜散光波反射回纖芯中，以保證光波在纖芯中具有最低的傳輸損耗。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)原理是纖芯的光折射率比包層的折射率高，這樣光波從纖芯傳播到包層的時(shí)候會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。最外面的保護(hù)層提供保護(hù)作用，避免外界環(huán)境或外力對(duì)光纖造成損壞。而且可以根據(jù)需要要強(qiáng)度和保護(hù)程序的不同，使用多層保護(hù)層。

圖1. 典型光纖的橫截面圖
光纖布拉格光柵（FBS）傳感器
光纖布拉格光柵傳感器是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來(lái)改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過(guò)全息干涉法或者相位掩膜法來(lái)將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。
當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波，這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，如下面的方程 （1） 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(zhǎng)的光波，而其它波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播。
在方程 （1）中，λb 是布拉格波長(zhǎng)，n 是光纖纖芯的有效折射率，而 Λ 是光柵之間的間隔長(zhǎng)度，稱為光柵周期。

圖2. 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理
因?yàn)椴祭癫ㄩL(zhǎng)是光柵之間的間隔長(zhǎng)度的函數(shù)（方程 （1） 中的Λ），所以光纖布拉格光柵可以被生產(chǎn)為具有不同的布拉格波長(zhǎng)，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來(lái)反射特定波長(zhǎng)的光波。

圖3. 光纖布拉格光柵透視圖
應(yīng)變以及溫度的改變會(huì)同時(shí)影響光纖布拉格光柵有效的光折射率 n 以及光柵周期Λ ，造成的結(jié)果就是光柵反射光波波長(zhǎng)的改變。光纖布拉格光柵反射波長(zhǎng)隨應(yīng)變和溫度的變化可以近似地用方程 （2） 中的關(guān)系來(lái)表示：
其中 Δλ 是反射波長(zhǎng)的變化而 λo 為初始的反射波長(zhǎng)。
右邊加號(hào)前的第一個(gè)表示式表示的是應(yīng)變的變化對(duì)反射波長(zhǎng)的影響。其中 pe 是應(yīng)變光學(xué)靈敏系數(shù)，而 ε 是光柵所受到應(yīng)變影響。加號(hào)后面的第二個(gè)表達(dá)式表示的是溫度的變化對(duì)波長(zhǎng)造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹系數(shù)而 αn 是溫度光學(xué)靈敏系數(shù)。αn 體現(xiàn)了光折射率因?yàn)闇囟茸兓斐傻挠绊懚?αΛ 體現(xiàn)了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。
正因?yàn)楣饫w布拉格光柵會(huì)同時(shí)受到應(yīng)變和溫度變化的影響，所以在計(jì)算反射波長(zhǎng)變化的時(shí)候既要同時(shí)考慮這兩種因素，又要分別對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量的時(shí)候，光纖布拉格光柵必須保持在完全不受應(yīng)變影響的條件下。你可以使用為此專門進(jìn)行封裝的FBG溫度傳感器，這種傳感器能保證封裝內(nèi)部光纖布拉格光柵的屬性不會(huì)耦合于任何外部的彎曲，拉伸，擠壓或扭曲應(yīng)變。在這種情況下，玻璃的熱膨脹系數(shù) αΛ 通常在實(shí)用中是可以忽略的;所以，因溫度變化而造成的反射波長(zhǎng)的改變就可以主要由該光纖的溫度光學(xué)靈敏系數(shù) αn 來(lái)決定了。
光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器在某種程序上講就更加復(fù)雜了，因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變會(huì)同時(shí)影響傳感器的反射波長(zhǎng)。為了正確地進(jìn)行的測(cè)量，在測(cè)試的時(shí)候，必須針對(duì)溫度對(duì)光纖布拉格光柵造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，可以使用一個(gè)與FBG應(yīng)變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來(lái)完成。得到測(cè)試結(jié)果以后，只需要簡(jiǎn)單地從FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)改變中減去由FBG溫度傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)改變就可以從方程 （2） 中消去加號(hào)右邊的第二個(gè)表達(dá)式，這樣做就補(bǔ)償了應(yīng)變測(cè)試中溫度變化造成的影響了。
安裝光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的過(guò)程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過(guò)程類似，而且FBG應(yīng)變傳感器有許多種不同的種類和安裝方法可供選擇，包含環(huán)氧樹脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。
探詢方法
由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長(zhǎng)，所以可以利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的波分復(fù)用 （WDM） 技術(shù)。這個(gè)特性使得可以在一條長(zhǎng)距離的獨(dú)立光纖上，以菊花鏈的形式連接多個(gè)不同的擁有特定布拉格波長(zhǎng)的傳感器。波分復(fù)用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個(gè)FBG傳感器分配了一個(gè)特定的波長(zhǎng)范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長(zhǎng)特性，就算在傳輸過(guò)程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強(qiáng)的損耗和衰減，傳感器測(cè)得的結(jié)果也仍然能夠保持準(zhǔn)確。
每一個(gè)獨(dú)立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)探詢器可探詢的總波長(zhǎng)范圍決定了在一條單獨(dú)的光纖上可以掛接的傳感器的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)閼?yīng)變改變?cè)斐傻牟ㄩL(zhǎng)改變會(huì)比溫度改變?cè)斐傻牟ㄩL(zhǎng)改變更加明顯，所以一般會(huì)為FBG應(yīng)變傳感器分配大概5納米的工作波長(zhǎng)范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長(zhǎng)范圍。又因?yàn)橥ǔ５牟ㄩL(zhǎng)探詢器能提供的測(cè)試范圍大概為60到80納米，所以一條光纖上掛接的傳感器數(shù)量一般可以從1個(gè)到80個(gè)不等 – 當(dāng)然，這要建立在各個(gè)傳感器反射波長(zhǎng)的區(qū)域在光譜范圍內(nèi)不會(huì)有重疊 （圖 4） 的基礎(chǔ)上的。因此，在選擇FBG傳感器的時(shí)候，需要仔細(xì)地選擇標(biāo)稱波長(zhǎng)以及工作波長(zhǎng)范圍來(lái)保證每一個(gè)傳感器都有其獨(dú)立的工作波長(zhǎng)區(qū)域。

圖4. 同一條光纖上掛接的每一個(gè)FBG傳感器必須具有其獨(dú)立的工作波長(zhǎng)范圍
一般的FBG傳感器會(huì)擁有幾個(gè)納米的工作波長(zhǎng)范圍，所以光學(xué)探詢器必須能夠完成分辨率為幾個(gè)皮米甚至更小的測(cè)量 – 一個(gè)相當(dāng)小的量級(jí)。探詢FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計(jì)是通常運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，它可以提供相當(dāng)高分辨率的光譜分析。但是，這些儀器一般來(lái)說(shuō)非常昂貴，體積龐大并且不夠堅(jiān)固，所以在一些涉及各種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，如風(fēng)機(jī)葉片，橋梁，水管以及大壩等環(huán)境的監(jiān)測(cè)中，這些儀器都不適用。
一種更加堅(jiān)固的方法是引入了電荷耦合器件 （charge-coupled device - CCD） 以及固定的分散性單元，一般是指波長(zhǎng)位置轉(zhuǎn)換。
在這種方法中，會(huì)用一個(gè)廣譜的光源照射FBG傳感器 （或者一系列FBG傳感器）。這些反射光束會(huì)通過(guò)一個(gè)分散性單元，分散性單元會(huì)將波長(zhǎng)不同的反射光束分別分配到電荷耦合器件（CCD）表面不同的位置上去。如下圖5所示。

圖5. 使用波長(zhǎng)位置轉(zhuǎn)換法探詢FBG光學(xué)傳感器
這種方法可以快速并且同時(shí)地對(duì)掛接在光纖上的所有FBG傳感器進(jìn)行測(cè)量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比 （SNR）。舉例來(lái)說(shuō)，如果我們希望在80納米的波長(zhǎng)范圍中實(shí)現(xiàn)1皮米的分辨率，那么我們需要一個(gè)包含80，000個(gè)像素點(diǎn)的線性CCD器件，這個(gè)像素指標(biāo)已經(jīng)比目前在市面上能夠找到的最好的線性CCD器件 （截至2010年7月） 的指標(biāo)高出了10倍以上。另外，因?yàn)閺V譜光源的能量是被分散到一個(gè)很廣的波長(zhǎng)范圍中，所以FBG反射光束的能量會(huì)非常小，有時(shí)候甚至?xí)o測(cè)量帶來(lái)困難。
目前最流行的方法是利用一個(gè)可調(diào)法珀濾波器來(lái)創(chuàng)造一束具有高能量，并且能夠快速掃頻的激光源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的廣譜的光源。可調(diào)的激光源將能量集中在一個(gè)很窄的波長(zhǎng)范圍里面，提供了一個(gè)具有很高信噪比的高能量的光源。這種體系結(jié)構(gòu)提供的高光學(xué)功率讓使用一條光纖掛載多個(gè)光學(xué)通道成為可能，這樣就能有效地減少多通道探詢器的成本并且降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。基于這種可調(diào)激光架構(gòu)的探詢器可以在一個(gè)相對(duì)大的波長(zhǎng)范圍里面以很窄的光譜帶進(jìn)行掃描，另一方面，一臺(tái)光探測(cè)器將與這個(gè)掃描同步，測(cè)量從FBG傳感器反射回來(lái)的激光束。當(dāng)可調(diào)激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)與FBG傳感器的布拉格波長(zhǎng)吻合的時(shí)候，光探測(cè)器就能測(cè)量到相應(yīng)的響應(yīng)。該響應(yīng)發(fā)生的時(shí)候可調(diào)激光的波長(zhǎng)就對(duì)應(yīng)了此時(shí)FBG傳感器處測(cè)得的溫度以及/或者應(yīng)變，如圖 6所示。

圖6. 用可調(diào)激光源法探詢FBG光學(xué)傳感器
使用這種方法進(jìn)行探詢可以達(dá)到大概1皮米的精度，對(duì)應(yīng)到傳統(tǒng)FBG傳感器的精度即是約1.2微應(yīng)變（FBG應(yīng)變傳感器）或約0.1攝氏度（FBG溫度傳感器）。因?yàn)榭烧{(diào)激光源法相對(duì)于其它的方法來(lái)說(shuō)具有很高的光學(xué)功率，所以這種探詢法還可以適用于光纖長(zhǎng)度更大 （超過(guò)10千米） 的測(cè)量應(yīng)用中。
FBG光學(xué)傳感器的優(yōu)勢(shì)
通過(guò)使用光波代替電流以及使用標(biāo)準(zhǔn)光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)，F(xiàn)BG光學(xué)傳感解決了許多使用電氣傳感需要面臨的挑戰(zhàn)和解決的困難。光纖和FBG光學(xué)傳感器都是絕緣體，具有被動(dòng)性電學(xué)特性，并且不受電磁感應(yīng)噪聲的影響。具有高光學(xué)功率可調(diào)激光源的探詢器可以以很低的數(shù)據(jù)丟失率甚至是零丟失來(lái)完成長(zhǎng)距離的測(cè)量。同時(shí)，與電氣傳感器系統(tǒng)不同，一個(gè)光學(xué)通道可以同時(shí)完成多個(gè)FBG傳感器的測(cè)試，極大地減小了測(cè)試系統(tǒng)的體積，重量以及復(fù)雜度。
在一些外部環(huán)境條件惡劣的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中，一些常用的電氣傳感器，例如箔應(yīng)變片，熱電偶，以及振弦式傳感器已經(jīng)很難使用甚至已經(jīng)失效的情況下，光學(xué)傳感器是一個(gè)非常理想的解決辦法。因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器的用途以及安裝方法和這些傳統(tǒng)的電氣傳感器類似，所以從電氣測(cè)試方案過(guò)渡到光學(xué)測(cè)試方案會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。如果能夠?qū)饫w和FBG的工作原理有一個(gè)比較好的了解，那將幫助你更好地接受光學(xué)測(cè)試技術(shù)并駕馭這種新技術(shù)所帶來(lái)的所有優(yōu)勢(shì)。

布拉格光柵傳感器：布拉格光柵傳感器_光纖應(yīng)變片_光纖傳感器_工作原理

原標(biāo)題：布拉格光柵傳感器_光纖應(yīng)變片_光纖傳感器_工作原理

光纖應(yīng)變片 (也稱為布拉格光柵傳感器)，用于測(cè)量應(yīng)變，但可以集成不同類型的傳感器到一根光纖中，例如溫度，加速度或移位等。與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片相比，光學(xué)應(yīng)變片不需要供電，該技術(shù)基于通過(guò)光纖傳播的光。

因此，傳感器是完全被動(dòng)和免疫的，例如電磁干擾。這也是在某些應(yīng)用中光學(xué)應(yīng)變片優(yōu)于電阻應(yīng)變片的原因。

結(jié)構(gòu)

光學(xué)應(yīng)變片由二氧化硅芯和包層組成。

在本文中，我們將重點(diǎn)介紹光纖應(yīng)變傳感器，其中光纖本身是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身傳輸光，而不是用它來(lái)測(cè)量。

它像普通的電信光纖一樣長(zhǎng)，可以長(zhǎng)達(dá)幾公里，有許多測(cè)量點(diǎn)。纖維本身由兩層組成：纖芯和密度較低的包層。塑料涂層纏繞在二氧化硅纖維上以進(jìn)行保護(hù)。

工作原理

光纖作為傳感器

為了制造實(shí)際的應(yīng)變傳感器，光纖在生產(chǎn)過(guò)程中用所謂的光纖布拉格光柵(FBG)進(jìn)行內(nèi)接。這基本上是材料干擾的一種模式，反射出與光纖的其余部分不同的光線。為了更好地理解，您可以將光纖視為圓柱形透明材料，其中有許多薄片。當(dāng)來(lái)自激光的光線照射該薄片時(shí)，某些波長(zhǎng)被反射，而其它波長(zhǎng)則通過(guò)。

材料干擾 - “切片” 以一定的間隔放置。當(dāng)光纖被拉伸或壓縮時(shí)，因此受到正或負(fù)應(yīng)變 - 這些間隔發(fā)生變化。當(dāng)光纖被拉伸時(shí)，它變長(zhǎng)，空間變大，反之亦然。

當(dāng)光纖布拉格光柵處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，反射光回傳需要更長(zhǎng)或更短的時(shí)間來(lái)回傳，反射的波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。光纖布拉格光柵具有一定的折射率。材料的折射率描述了通過(guò)材料時(shí)彎曲或折射多少光。當(dāng)光柵由于應(yīng)變而改變形狀時(shí)，其折射率也將產(chǎn)生改變。

整個(gè)光纖布拉格光柵總體約為5毫米，盡管用肉眼看不到單獨(dú)的材料干擾。在顯微鏡下，許多光纖布拉格光柵可以刻錄在一根長(zhǎng)的光纖中，每個(gè)光柵作為單個(gè)應(yīng)變傳感器工作。

當(dāng)光纖被施加到材料時(shí)，它將與材料一起產(chǎn)生變形。測(cè)量的應(yīng)變用于允許分析材料中的機(jī)械應(yīng)力。

為了給出實(shí)際的例子，當(dāng)將光纖施加到隧道壁上時(shí)，當(dāng)隧道壁材料中存在應(yīng)力時(shí)，其將使光纖產(chǎn)生應(yīng)變，這可能是由于列車沖擊的振動(dòng)或是多年來(lái)產(chǎn)生的墻壁沉降或裂縫，從相關(guān)的應(yīng)變的信息確定是否需要進(jìn)行維護(hù)。

光纖解調(diào)儀

對(duì)于測(cè)量，光纖需要連接到所謂的光纖解調(diào)器; 它能夠連續(xù)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，一次一個(gè)， 這被稱為“掃描激光”。 光傳播通過(guò)光纖，在某點(diǎn)由布拉格光柵反射，并返回解調(diào)器。

由于布拉格光柵具有不同周期，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號(hào)。 其余光線到達(dá)光纖末端時(shí)會(huì)折射，因此不影響測(cè)量。 從光柵返回的原始光信號(hào)可以推導(dǎo)出實(shí)際應(yīng)變，獲得材料應(yīng)力。

.那么，為什么核心和包層之間的密度差是非常重要的呢? 激光用于通過(guò)光纖發(fā)光， 兩種不同的纖維材料密度產(chǎn)生通道光纖內(nèi)部的光，從而不散射光柵。 為了能進(jìn)行工作，重要的是光纖沒(méi)有太多彎曲。

溫度補(bǔ)償是關(guān)鍵

布拉格光柵傳感器極易受溫度影響。隨著溫度的升高，光纖隨著溫度的升高而膨脹。折射率也發(fā)生變化。沒(méi)有補(bǔ)償，這將導(dǎo)致獲得的應(yīng)力包括溫度產(chǎn)生的應(yīng)變。有以下幾種補(bǔ)償技術(shù)，包括：

應(yīng)變傳感器邊上安裝溫度傳感器，從測(cè)量數(shù)據(jù)中減去溫度效應(yīng)來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

將兩個(gè)光纖布拉格光柵放置在推挽式結(jié)構(gòu)中，使得當(dāng)處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，一個(gè)被壓縮，另一個(gè)被拉伸。溫度效應(yīng)對(duì)于兩者都是相同的(例如延長(zhǎng))，但是機(jī)械應(yīng)力的影響是不同的：這樣就可以對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

將光纖包封在機(jī)械設(shè)備中，該材料在被測(cè)材料的相反方向上膨脹，以消除溫度效應(yīng)，并且不需要數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

光纖傳感器應(yīng)用

“作為 法國(guó) ITER 項(xiàng)目 的一部分, 我們的傳感器需要適應(yīng)劇烈的溫度變化，從大約 -270°C 到 300°C，并且處在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)中。在這種應(yīng)用中，電阻應(yīng)變片幾乎無(wú)法正常工作。“ Cristina Barbosa 解釋道。

橋梁，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和隧道等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，由于單個(gè)光纖可以容納數(shù)百個(gè)傳感器，尤其是隧道或管道監(jiān)測(cè)等大型項(xiàng)目中，其與傳統(tǒng)的應(yīng)變片相比，布線和安裝成本更低。

此外，由于光纖技術(shù)天生的抗電磁干擾性，光學(xué)測(cè)量技術(shù)可以用于存在大量電磁干擾或可能爆炸的環(huán)境(如煉油廠)中。

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布拉格光柵傳感器：布拉格光柵技術(shù) ｜ 常見(jiàn)問(wèn)題 ｜ HBM

什么事溫度補(bǔ)償，如何工作?布拉格光柵（FBG）應(yīng)變依賴性
布拉格光柵的應(yīng)變依賴性由下式給出：

這里:
k– 布拉格光柵的 k 系數(shù)
布拉格光柵（FBG）溫度依賴性
布拉格光柵的溫度依賴性由下式給出：
這里:
– 光纖的熱膨脹系數(shù)
ζ –  熱光系數(shù)（折射率對(duì)溫度的依賴性）
固定布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性
如果光纖應(yīng)變儀被固定到剛性無(wú)應(yīng)變結(jié)構(gòu)，溫度可以改變光纖的折射率，但是其膨脹由結(jié)構(gòu)固定。這等同于考慮固定光纖的熱膨脹=0。光纖布拉格光柵測(cè)量應(yīng)變的溫度依賴性為：

當(dāng)測(cè)量應(yīng)變時(shí)，該溫度引起的波長(zhǎng)變化與應(yīng)變混淆。實(shí)際由溫度引起的測(cè)量應(yīng)變?yōu)椋?br/>因此，對(duì)溫度的交叉敏感性（TCS）由下式給出：

有效應(yīng)變應(yīng)該由應(yīng)變傳感器測(cè)量的應(yīng)變減去溫度的影響：

這種變形的校正沒(méi)有考慮溫度對(duì)固定傳感器結(jié)構(gòu)變形的影響。
固定在結(jié)構(gòu)上的布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性
為了補(bǔ)償由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)的變形，計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)（CTE）來(lái)進(jìn)行。
結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變變化為：
固定到承受負(fù)載和溫度的結(jié)構(gòu)的傳感器的波長(zhǎng)變化由下式給出：

這意味著為了補(bǔ)償由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)的變形，有必要知道傳感器固定在其上的結(jié)構(gòu)的材料的CTE值。
光柵傳感器：光纖布拉格光柵傳感器的特點(diǎn)以及工作原理解析 第3張" title="布拉格光柵傳感器：光纖布拉格光柵傳感器的特點(diǎn)以及工作原理解析 第3張-傳感器知識(shí)網(wǎng)"/>

布拉格光柵傳感器：布拉格光纖光柵傳感器

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布拉格光纖光柵傳感器
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本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
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。
布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一樣,與傳統(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的優(yōu)點(diǎn),如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。
中文名
布拉格光纖光柵傳感器
外文名
fiberBragg grating sensor
目錄
1
1 布拉格光纖光柵傳感器的特點(diǎn)
2
2 布拉格光纖光柵傳感研究進(jìn)展
3
3 布拉格光纖光柵傳感器應(yīng)變溫度分辨
4
4 布拉格光纖光柵傳感器的封裝埋設(shè)技術(shù)
布拉格光纖光柵傳感器1 布拉格光纖光柵傳感器的特點(diǎn)
語(yǔ)音
1978年加拿大握太華通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性,并采用駐波法制成世界上第一只光纖光柵。但是由于這種刻寫方法的效率很低且靈活性差,在光纖光敏性被發(fā)現(xiàn)后的十年內(nèi)未引起很大的注意。直到1989年,美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的GMetlz等人利用高強(qiáng)度的紫外激光所形成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光來(lái)產(chǎn)生光纖纖芯中的折射率調(diào)制,即形成光纖光柵。這種刻寫方法效率高,且靈活性好,可以刻寫不同周期的光纖光柵。橫向?qū)懭敕ǖ陌l(fā)明使光纖光柵技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展,此后的十多年里,光纖光柵一直是光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
[1]
布拉格光纖光柵可以作為一種光纖傳感器,它和光纖傳感器一樣,與傳統(tǒng)的電傳感器相比有著許多不可替代的優(yōu)點(diǎn),如:不受電磁干擾,重量輕,體積小,不受腐蝕等。且由于它是波長(zhǎng)編碼的,使得它與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比,又有許多優(yōu)點(diǎn),如:精度不受光源強(qiáng)度影響,受環(huán)境影響小,更加容易復(fù)用和實(shí)現(xiàn)分布式傳感等。利用光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)復(fù)用能力強(qiáng),重量輕,體積小等優(yōu)點(diǎn),埋入監(jiān)測(cè)材料中可以方便地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量,因而是最有希望的智能傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
[1]
光纖光柵傳感器的應(yīng)用范圍非常廣,民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn),在橋梁、建筑、海洋石油平臺(tái)、油田及航空、大壩等工程都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)安全的溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),力學(xué)參數(shù)的測(cè)量對(duì)于橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的維護(hù)是至關(guān)重要的,通過(guò)測(cè)量建筑物的分布應(yīng)變,可以預(yù)知局部荷載的狀態(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面,也可以在澆筑的時(shí)候埋入結(jié)構(gòu)中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺陷的形成和生長(zhǎng)。另外,多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè),傳感信號(hào)可以傳輸很長(zhǎng)距離送到中心監(jiān)控室進(jìn)行遙測(cè)。因此在民用工程中,光纖光柵傳感器成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的最重要手段。
[1]
航空航天業(yè)是一個(gè)使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了監(jiān)測(cè)壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等,所需要使用的傳感器超過(guò)100個(gè),因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵傳感器具有體積小,重量輕,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中,組成準(zhǔn)分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò),可以對(duì)飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[1]
布拉格光纖光柵傳感器能夠?yàn)楝F(xiàn)代船舶的操作提供瞬時(shí)的和豐富的傳感信息,進(jìn)而通過(guò)提供船舶操作人員所需要的早期危險(xiǎn)報(bào)警和損傷評(píng)估來(lái)保證船舶的安全。現(xiàn)代船用傳感器中多達(dá)90%是壓力或溫度傳感器,通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)姆庋b和襯底材料可以將光纖光柵應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)變成溫度和壓力傳感器,利用波分和時(shí)分復(fù)用原理,一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的光纖光柵傳感器數(shù)量可以多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè),從而適應(yīng)不斷增加的艦載控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,并有效的降低傳感系統(tǒng)的成本。電力工業(yè)中的設(shè)備大都處在強(qiáng)電磁場(chǎng)中,一般電學(xué)傳感器無(wú)法使用。很多情況下需要測(cè)量的地方處在高壓中,如高壓開關(guān)的在線監(jiān)測(cè),高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量,這些地方的測(cè)量需要傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無(wú)源器件,光纖光柵傳感器是進(jìn)行這些測(cè)量的最佳選擇。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到達(dá)的地方,如荒山野嶺、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電站,使用準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的遙測(cè)能力可以極大地減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。因此光纖光柵傳感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用前景很好。
[1]
小尺寸的傳感器在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的,光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的光纖傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量,提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場(chǎng)的精確局部信息。光纖光柵傳感器對(duì)人體組織的損害非常之小,足以避免對(duì)正常醫(yī)療過(guò)程的干擾。核工業(yè)存在高輻射,核泄漏對(duì)人類是一個(gè)極大的威脅,因此對(duì)于核電站的安全檢測(cè)是非常重要的。由于核裝置的老化,需要更多的維護(hù)和修理,最終必須被拆除,所有這些都不能在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)見(jiàn),因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)備,處理不確定情況。同時(shí)核廢料的管理也變得越來(lái)越重要,需要有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)視核廢料站的狀況,對(duì)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定的要求也是前所未有的,而光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可以滿足這些要求。
[1]
除了以上應(yīng)用外,光纖光柵傳感器在其他方面也有許多應(yīng)用,例如:(1)加速度計(jì)可用于很多工程的測(cè)量,如振動(dòng)、入射角、事件記錄、平臺(tái)穩(wěn)定性、車輛暫停控制、地震監(jiān)測(cè)、以及起搏器控制等,用光纖光柵傳感器制作的加速度計(jì)表現(xiàn)出良好的性能。(2)用光纖光柵制作的水聲器用來(lái)測(cè)量水下聲場(chǎng),可以實(shí)現(xiàn)很好線性響應(yīng)、高靈敏度、高穩(wěn)定性、寬的動(dòng)態(tài)范圍(90dB)和寬的操作頻率范圍(從凡kHz到凡MH)z。(3)用光纖光柵制作的機(jī)械工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)傳感器,可以探測(cè)到實(shí)用結(jié)構(gòu)微米量級(jí)的形變,其誤差為0.4%。
布拉格光纖光柵傳感器2 布拉格光纖光柵傳感研究進(jìn)展
語(yǔ)音
由于布拉格光纖光柵傳感器具有以上許多不可替代的優(yōu)點(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用前景,自從橫向紫外曝光刻寫技術(shù)面世以來(lái),布拉格光纖光柵傳感器得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,在短短的十凡年內(nèi)得到了飛速發(fā)展,針對(duì)布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，這主要集中在以下幾個(gè)方面:布拉格光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)光纖光柵傳感器經(jīng)過(guò)十余年的研究與發(fā)展，至今己經(jīng)出現(xiàn)了許多波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室，波長(zhǎng)解調(diào)可以用高精度的光譜儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于光譜儀的價(jià)格昂貴，而且體積大，不適于實(shí)際應(yīng)用，所以需要結(jié)構(gòu)緊湊，成本低的解調(diào)系統(tǒng)。具體解決方案主要包括寬帶光濾波法可調(diào)諧窄帶濾波器法，光干涉法，激光器掃描法。成像光譜分析法等。這些方法有著不同的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，針對(duì)不同的應(yīng)用選擇相應(yīng)的解調(diào)方案，可以很好的適用于各種實(shí)際應(yīng)用。
[1]
1)寬帶光濾波法該方法通過(guò)寬帶光源發(fā)出的寬帶光:經(jīng)隔離器，3DB鍋合器后，到傳感光柵反射濾波，反射回窄帶光，再經(jīng)過(guò)寬帶濾波器(WDM禍合器)，由于寬帶濾波器的濾波特性與波卜轟有關(guān)，則反射光經(jīng)濾波后探測(cè)到的能量與波長(zhǎng)有關(guān)，再通過(guò)相應(yīng)的電子信號(hào)處理就能檢測(cè)出FBG中心波長(zhǎng)的偏移量。這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是精度比較低，波長(zhǎng)分辨率大概10pm左右。2)可調(diào)諧窄帶濾波器法該方法中，由LED發(fā)出的寬帶光，經(jīng)禍合器到達(dá)FBG傳感器陣列，到達(dá)FBG反射回來(lái)的窄帶光再經(jīng)可調(diào)諧F-P濾波器濾波，當(dāng)傳感FBG的中心波長(zhǎng)與F-P濾波器透射中心彼長(zhǎng)一致時(shí)，透射光能量最大，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)諧F-P濾波器的透射波長(zhǎng)來(lái)動(dòng)態(tài)“跟蹤7T傳感光柵的中心波長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)偏移量的解調(diào)。這種解調(diào)方案精度較高，由于工作在波長(zhǎng)掃描方式，那么只要掃描范圍足夠大，就很容易在一根光纖上復(fù)用多個(gè)FBG，但這種方案的掃描頻率不是很高，不適合高速率的動(dòng)態(tài)傳感。3)光干涉檢測(cè)法該方法檢測(cè)光纖光柵傳感器波長(zhǎng)移動(dòng)是通過(guò)一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)禍合器入射到傳感FBG上，被FBG反射的光再通過(guò)藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣，被FBG反射的這部分光就有效地轉(zhuǎn)化為干涉儀的入射光源，由傳感光纖光柵擾動(dòng)引入的波長(zhǎng)移動(dòng)也就成為此光源的波長(zhǎng)(光頻率)調(diào)制信號(hào)。由于干涉儀輸出的相位對(duì)非平衡千涉儀的輸入波長(zhǎng)存在著固有的依賴關(guān)系，布拉格彼長(zhǎng)的移動(dòng)就轉(zhuǎn)換為相位的變化，再通過(guò)檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波長(zhǎng)的移動(dòng)情況。
[1]
4)可調(diào)諧掃描激光器法可調(diào)諧掃描激光器法主要是通過(guò)可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)可調(diào)諧性來(lái)動(dòng)態(tài)跟蹤傳感FBG的中心波長(zhǎng)。5)CCD成像光譜分析法在CCD成像光譜解調(diào)系統(tǒng)中，波長(zhǎng)分到提通過(guò)個(gè)色散元件叻口棱鏡或光柵)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，色散元件把波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD探測(cè)器陣列的像元位置，這樣就把測(cè)量光譜線的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為判斷光斑所在像元的問(wèn)題。通常由于FBG的光譜中心分布在幾個(gè)相令巧的像元上，所以要準(zhǔn)確檢測(cè)中心波長(zhǎng)的位置，還必須采用相應(yīng)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。CCD成像光譜法有才民大的局限性，即實(shí)用的CCD波長(zhǎng)響應(yīng)范圍在900nm以下，所以只能對(duì)中心波長(zhǎng)在900nm以下的光柵傳感器解調(diào)。
[1]
布拉格光纖光柵傳感器3 布拉格光纖光柵傳感器應(yīng)變溫度分辨
語(yǔ)音
由于布拉格光纖光柵的中心波長(zhǎng)同時(shí)受到溫度和應(yīng)變的影響，所以傳感具體參量的時(shí)候必須通過(guò)相應(yīng)的方法把這兩個(gè)效應(yīng)區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度如表經(jīng)過(guò)研究,已經(jīng)提出了許多方案來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)檢測(cè),主要包括以下方法:(1)參考FBG法這種方法的原理是引入一個(gè)參考FGB,使其不受應(yīng)變影響而只受溫度影響,同時(shí)這個(gè)參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)境,這樣就可以通過(guò)這個(gè)參考FGB來(lái)檢測(cè)出溫度,再?gòu)膫鞲蠪GB總的波長(zhǎng)偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應(yīng)變區(qū)分開。(2)蝕刻FBG法這種方法通過(guò)蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)系,這樣當(dāng)對(duì)其軸向施加均勻應(yīng)力時(shí),沿軸向的應(yīng)變也是呈線性關(guān)系,這樣就導(dǎo)致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對(duì)其影響只是使其中心波長(zhǎng)偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過(guò)檢測(cè)帶寬的變化就可以把溫度效應(yīng)導(dǎo)致的誤差除去。但是這種方法的缺點(diǎn)是減小了光纖的強(qiáng)度,也即減小了傳感的范圍。(3)雙波長(zhǎng)FBG法這種方法的原理是通過(guò)在光纖的同一個(gè)位置寫入兩個(gè)波長(zhǎng)不同的FGB,然后檢測(cè)這兩個(gè)不同波長(zhǎng)的偏移量來(lái)分辨溫度和應(yīng)變。因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變導(dǎo)致的布拉格波長(zhǎng)的偏移量由式(4)FBG諧波法FGB諧波法和上面的雙波長(zhǎng)FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個(gè)波長(zhǎng)不同的FGB,當(dāng)FGB的反射率很高時(shí),折射率的調(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)制,從而導(dǎo)致了二次諧波的產(chǎn)生,而這兩個(gè)諧波的溫度和應(yīng)變靈敏度不同,通過(guò)矩陣法就可以同時(shí)檢測(cè)溫度和應(yīng)變。(5)FBG和長(zhǎng)周期光纖光柵(LpG)混合檢測(cè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)周期光纖光柵(LpG)的溫度和應(yīng)變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應(yīng)變靈敏度的話,就可以通過(guò)結(jié)合FBG和LGP實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分辨。這種方法的缺點(diǎn)是:長(zhǎng)周期光柵的帶寬大容易影響測(cè)量精度和復(fù)用能力;而且長(zhǎng)周期光柵的長(zhǎng)度較長(zhǎng),埋設(shè)進(jìn)材料后受非均勻應(yīng)變場(chǎng)的影響很大,從而降低測(cè)量精度。
[1]
除了以上凡種典型的應(yīng)變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實(shí)用的分辨技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。
布拉格光纖光柵傳感器4 布拉格光纖光柵傳感器的封裝埋設(shè)技術(shù)
語(yǔ)音
光纖傳感器的研究重點(diǎn)方向就是所謂的“智能材料結(jié)構(gòu)”,即可以實(shí)時(shí)采集材料結(jié)構(gòu)自身的受力,溫度等參數(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料整體性能的智能檢測(cè)。在“智能材料”這方面,光纖光柵傳感器有很好的潛力,非常適用于這種準(zhǔn)分布式傳感應(yīng)用,因?yàn)楣饫w光柵是波長(zhǎng)編碼的,在材料中不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)不同波長(zhǎng)的光柵作為傳感元件,再通過(guò)使用波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)成百上千傳感點(diǎn)的準(zhǔn)分布式傳感,就可以實(shí)現(xiàn)“智能材料結(jié)構(gòu)”,而正確的埋設(shè)方法也是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),研究者對(duì)布拉格光纖光柵傳感器的封裝與埋設(shè)也做了大量的研究,主要集中在以下方面:(1)傳感光柵的保護(hù)問(wèn)題由于光纖光柵實(shí)際上是一段光纖,所以它在剪切力的作用下很容易斷,所以在埋設(shè)的過(guò)程中須對(duì)它采取相應(yīng)的保護(hù)措施,進(jìn)行相應(yīng)的封裝。(2)傳感光柵與材料之間的應(yīng)力傳遞的建模在應(yīng)力傳感過(guò)程中,傳感光柵是埋設(shè)入材料中的,所以應(yīng)力并不是直接作用在傳感光柵上的,這就意味著在材料和光柵之間存在一個(gè)力的傳遞問(wèn)題,這是提高傳感準(zhǔn)確度的一個(gè)重要方面。這就需要利用材料力學(xué)的知識(shí)建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行分析,更精確的分析還要采用有限元分析法。
[1]
(3)多軸應(yīng)變的產(chǎn)生的影響對(duì)于光纖光柵的埋設(shè),光柵上受到的應(yīng)力有可能是多個(gè)方向的,除了軸向應(yīng)力還有橫向應(yīng)力,橫向應(yīng)力會(huì)使光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,也即導(dǎo)致了原來(lái)的單峰反射譜分裂成兩個(gè)反射峰,這就給中心波長(zhǎng)的準(zhǔn)確檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。由此可見(jiàn)，光柵的埋設(shè)技術(shù)是非常復(fù)雜的，如果需要準(zhǔn)確傳感，需要考慮的因素非常多，其中包括光柵的保護(hù)，材料與光柵之間應(yīng)力的傳遞，應(yīng)力引起的雙折射效應(yīng)以及非均勻應(yīng)力引起的光譜展寬等等。
[1]
參考資料
1.

惲斌峰 ．布拉格光纖光柵傳感器理論與實(shí)驗(yàn)研究 ：東南大學(xué) ，2006