一文读懂光栅式傳感器

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    光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。由于光纤光栅传感器具当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立



光栅式傳感器指采用光栅叠栅条紋原理测量位移的传感器。光栅是在一块長条形的光学玻璃上密集等間距平行的刻线，刻線密度为10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条紋具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

簡介：

1978 年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.Hill等人首次在摻锗石英光纤中发現光纤的光敏效應，并采用駐波写入法制成世界上第一根光纤光栅。随后，美国联合技術研究中心的G.Meltz等人实现了光纖Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面寫入技术，使光纤光栅的制作技术實现了突破性進展。随著光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光計算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光柵技术是光纤技术中继摻铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破。

光纤光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通過掺杂光纤時，光纤的折射率将隨光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄帶的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出許多性能独特的光纖器件，它们都具有反射带宽范圍大、附加损耗小、體積小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境塵埃影响等一系列优异性能。

光纤光柵的种類很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也稱为反射或短周期光栅），二是透射光柵（也称为长周期光栅）。光纤光栅从结構上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上還可分為滤波型光栅和色散补償型光栅；其中，色散补償型光柵是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤傳感器领域。

在光纤传感器领域，光纤光柵传感器的应用前景十分广闊。由于光纖光柵传感器具有抗電磁干扰、尺寸小（標准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可達400℃～600℃）、复用能力强、传输距离遠（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等優点，早在1988年就成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无損检测当中，同时光纖光栅傳感器还可应用于化学医药、材料工業、水利电力、船舶、煤礦等各个领域，以及在土木工程領域中（如建筑物、橋梁、水坝、管線、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土組件和結構中測定结构的完整性和内部应变狀态，從而建立靈巧结構，并进一步实现智能建筑。

工作原理：

我们知道，光柵的Bragg波長lB由下式决定：

lB=2nL ⑴

式中，n—芯模有效折射率； L—光栅周期。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量發生变化时，光栅的周期或纤芯折射率將發生变化，从而使反射光的波长发生變化，通过测量物理量變化前后反射光波长的变化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁场诱導的左右旋極化波的折射率变化不同，可實现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，还可实现對应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压電材料），对電場等物理量的間接测量也能实现。

1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理

上面介绍的光栅传感器系统，光栅的幾何结构是均匀的，对单參数的定点测量很有效，但在需要同时测量應变和温度或者測量應变或溫度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时，采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不錯的选择。

啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纤光栅除了DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这種傳感器在应变和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的溫度依赖性（dn/dT），仅会影响重心的位置。因此通过同时测量光谱位移和展寬，就可以同时测量应变和溫度。

2、長周期光纖光栅（LPG）传感器的工作原理

長周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：

li=（n0- niclad）.L ⑵

式中，n0—纖芯的折射率；niclad—i階軸对称包層模的有效折射率。

光在包层中将由于包層/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长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层的折射率差，由应變、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中產生大的波长位移，通过檢測Dli，就可获得外界物理量變化的信息。LPG在给定波长上共振带的响應通常有不同的幅度，因而適用于构建多参数傳感器。

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