一文读懂光栅式传感器.docx

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光学玻璃 上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10〜100线/毫米由光栅形成的叠栅条纹具有光学 放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度简介：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纤中发现光纤的光 敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅随后，美国联合技术研究中心的 G • Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作 技术实现了突破性进展随着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、光纤传感到光计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，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技 术突破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纤时，光 纤的折射率将随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带的（透射或反射）滤波器或反射镜利用这一特性可制造出 许多性能独特的光纤器件，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦 合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

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光栅），二是 透射光栅（也称为长周期光栅）光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从 功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，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传感器领域在光纤传感器领域，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有抗电磁 干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400°C〜600°C）、 复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、 易形变等优点，早在1988年就成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中， 同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域， 以及在土木工程领域中（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道 等）的混凝土组件和结构中测定结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一 步实现智能建筑工作原理：我们知道，光栅的Bragg波长1B由下式决定：1B=2nL ⑴式中，n一芯模有效折射率；L一光栅周期。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射 率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化， 就可以获得待测物理量的变化情况如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可 实现对磁场的直接测量此外，通过特定的技术，还可实现对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（如压电材料），对电场等物理量的间接测量也能 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，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在 需要同时测量应变和温度或者测量应变或温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错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 D1B的变化外， 光谱的展宽也会发生变化这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的由于应变 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 率的温度依赖性（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宽，就可 以同时测量应变和温度2、 长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理长周期光纤光栅（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：1i= （n0- niclad） • L ⑵式中，n0一纤芯的折射率；niclad-i阶轴对称包层模的有效折射率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的LPG可 能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，其共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率 差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通 过检测Dli，就可获得外界物理量变化的信息LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同 的幅度，因而适用于构建多参数传感器来源：网络，如侵删。