光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用

　　利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。如通過(guò)在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量。

　　1.3 長(zhǎng)周期光纖光柵

　　長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)是一種新型的光纖光柵，光柵周期一般大于100μm，是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一分支。長(zhǎng)周期光柵的透射峰波長(zhǎng)主要與光柵的柵格周期以及纖芯和包層的折射率有關(guān)，其相位匹配條件可表示為：

　　式中。Λ為光柵周期，*****分別為纖芯和包層的折射率。*****為第P階包層模的透射波長(zhǎng)。當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，被測(cè)因素的變化將對(duì)光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制，從而使LPG的透射譜特性發(fā)生變化。這樣，探測(cè)出LPG透射譜線的變化，即可推知被測(cè)變量的變化，這就是LPG傳感的基本原理。

　　1.4 分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)

　　目前，除光纖光柵型傳感器的原理性研究之外，分布式光纖傳感系統(tǒng)也是一個(gè)重要的研究重點(diǎn)。分布式FBG傳感系統(tǒng)是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，每個(gè)光柵的工作波長(zhǎng)相互分開，在經(jīng)過(guò)3 dB耦合器取出反射后，再用波長(zhǎng)探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)光柵的波長(zhǎng)偏移進(jìn)行測(cè)量，從而檢測(cè)出相應(yīng)被測(cè)量的大小和空間分布。

　　分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以從整體上對(duì)被測(cè)對(duì)象的有關(guān)物理量的變化時(shí)間、位置進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)對(duì)分布式光纖傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合，可形成一個(gè)智能結(jié)構(gòu)。目前，分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有拉曼型、布里淵型和FBG型三種類型。

　　2 溫度和應(yīng)變交叉敏感分離技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的方案很多，但是從原理上分析，基本都是基于雙波長(zhǎng)矩陣法、雙參量矩陣法、溫度參考光柵法、溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法和光強(qiáng)測(cè)溫法等幾種技術(shù)。

　　2.1 雙波長(zhǎng)矩陣法

　　雙波長(zhǎng)矩陣法是出現(xiàn)較早而且目前應(yīng)用較為廣泛的一種方案。其基本思想是通過(guò)一定方式在一個(gè)傳感頭中獲得兩個(gè)不同的布拉格波長(zhǎng)，并通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度不敏感測(cè)量或應(yīng)變及溫度的同時(shí)測(cè)量。如果λ1、λ2同時(shí)對(duì)兩被測(cè)量比較敏感。且波長(zhǎng)漂移隨溫度和應(yīng)變的變化為線性，溫度和應(yīng)變變化獨(dú)立或只有微弱擾動(dòng)，則由下式可得：

　　式中，kTi為布拉格波長(zhǎng)的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它與光纖泊松比、彈光系數(shù)和纖芯有效折射率有關(guān);kTi為布拉格波長(zhǎng)的溫度靈敏系數(shù)，它與熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)有關(guān)。目前，雙波長(zhǎng)矩陣法在溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量方面主要有參考光柵法、雙波長(zhǎng)重疊FBG法和雙直徑FBG法等。

　　2.2 雙參量矩陣法

　　雙參量矩陣法是運(yùn)用各種方法將溫度和應(yīng)力對(duì)同一光波的影響分別作用于該光波的不同參量上，然后推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的區(qū)分測(cè)量。近年來(lái)，有許多方法基于這一思想的交叉敏感問(wèn)題解決方案。如混合FBG/長(zhǎng)周期光柵法、二次諧波法、超結(jié)構(gòu)光柵法等。

　　2.3 溫度參考光柵法