一文讀懂光柵式傳感器

　　光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵是在一塊長(zhǎng)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。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。

　　簡(jiǎn)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(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。隨后，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的G·Meltz等人實(shí)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(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)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(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(dú)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(zhǎng)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(bǔ)償型光柵;其中，色散補(bǔ)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達(dá)400℃～600℃)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無(wú)源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn)，早在1988年就成功地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無(wú)損檢測(cè)當(dāng)中，同時(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)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(jī)場(chǎng)跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中測(cè)定結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。

　　工作原理：

　　我們知道，光柵的Bragg波長(zhǎng)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(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(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量物理量變化前后反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。如利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。此外，通過(guò)特定的技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測(cè)量和同時(shí)測(cè)量。通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量也能實(shí)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(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè)量很有效，但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)量應(yīng)變或溫度沿光柵長(zhǎng)度的分布時(shí)就顯得力不從心。此時(shí)，采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個(gè)不錯(cuò)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(huì)發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)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(hào)會(huì)拓寬，峰值波長(zhǎng)也會(huì)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(huì)影響重心的位置。因此通過(guò)同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。

　　2、長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理

　　長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍上有許多的共振，其共振的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)位移，通過(guò)檢測(cè)Dli，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長(zhǎng)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。