一文讀懂光柵式傳感器

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光柵式傳感器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玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。

簡介：

1978 年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。隨后，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的G·Meltz等人實現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實現(xiàn)了突破性進展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器（EDFA）技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。

光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件，它們都具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。

光纖光柵的種類很多，主要分兩大類：一是Bragg光柵（也稱為反射或短周期光柵），二是透射光柵（也稱為長周期光柵）。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵；其中，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵（chirp光柵）。目前光纖光柵的應用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。

在光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應用前景十分廣闊。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小（標準裸光纖為125um）、重量輕、耐溫性好（工作溫度上限可達400℃～600℃）、復用能力強、傳輸距離遠（傳感器到解調(diào)端可達幾公里）、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點，早在1988年就成功地應用在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測當中，同時光纖光柵傳感器還可應用于化學醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個領(lǐng)域，以及在土木工程領(lǐng)域中（如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機場跑道等）的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中測定結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進一步實現(xiàn)智能建筑。

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。

當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應力、應變或其它物理量發(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變和溫度或者測量應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)異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統(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。這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應變的影響，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）的周期一般認為有數(shù)百微米，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進包層，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通常有不同的幅度，因而適用于構(gòu)建多參數(shù)傳感器。

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