簡(jiǎn)單介紹FBG光學(xué)傳感器

　　在過去的二十年中，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)變的變化來改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來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)變傳感器的過程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過程類似，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。一般來說，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，這些儀器一般來說非常昂貴，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