光柵式傳感器(optical grating transducer)指采用光柵疊柵條紋原理測量位移�傳感�。光柵是在一塊長條形的光�(xué)玻璃上密集等間距平行的刻�,刻線密度為 10�100�/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光�(xué)放大作用和誤差平均效�(yīng),因而能提高測量精度。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光�、光路系�(tǒng)和測量系�(tǒng)四部分組成(見圖�。標(biāo)尺光柵相�(duì)于指示光柵移�(dòng)�(shí),便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對(duì)�(yùn)�(dòng)速度移動(dòng),并直接照射到光電元件上,在它們的輸出端得到一串電脈沖,通過放大、整�、辨向和�(jì)�(shù)系統(tǒng)�(chǎn)生數(shù)字信�(hào)輸出,直接顯示被測的位移量。傳感器的光路形式有兩種:一種是透射式光�,它的柵線刻在透明材料(如工業(yè)用白玻璃、光�(xué)玻璃等)�;另一種是反射式光柵,它的柵線刻在具有�(qiáng)反射的金屬(不銹鋼)或玻璃鍍金屬膜(鋁膜)上。這種傳感器的�(yōu)�(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控��(shù)控機(jī)��三坐�(biāo)測量�(jī)�(gòu)�,可測量靜、動(dòng)�(tài)的直線位移和整圓角位�。在�(jī)械振�(dòng)測量、變形測量等�(lǐng)域也有應(yīng)用�
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�(fā)�(xiàn)光纖的光敏效�(yīng),并采用駐波寫入法制成世界上根光纖光柵�19*,美國聯(lián)合技�(shù)研究中心的G·Meltz等人�(shí)�(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技�(shù),使光纖光柵的制作技�(shù)�(shí)�(xiàn)了突破性�(jìn)�。隨著光纖光柵制造技�(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�(gè)�(lǐng)域都將由于光纖光柵的�(shí)用化而發(fā)生革命性的變化,光纖光柵技�(shù)是光纖技�(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技�(shù)之后的又一重大技�(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�(shí),光纖的折射率將隨光�(qiáng)的空間分布發(fā)生相�(yīng)變化的特性。而在纖芯�(nèi)形成的空間相位光�,其�(shí)�(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一�(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�(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�,不受環(huán)境塵埃影響等一系列�(yōu)異性能�
光纖光柵的種類很�,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�(jié)�(gòu)上可分為周期性結(jié)�(gòu)和非周期性結(jié)�(gòu),從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵;其�,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�(yīng)用主要集中在光纖通信�(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)��
在光纖傳感器�(lǐng)�,光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣�。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺�?。?biāo)�(zhǔn)裸光纖為125um�、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可�(dá)400℃~600℃)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解�(diào)端可�(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏�、無源器件、易形變等優(yōu)�(diǎn),早�1988年就成功地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測當(dāng)�,同�(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)�(yī)�、材料工�(yè)、水利電�、船舶、煤礦等各�(gè)�(lǐng)�,以及在土木工程�(lǐng)域中(如建筑物、橋�、水壩、管�、隧�、容�、高速公�、機(jī)場跑道等)的混凝土組件和�(jié)�(gòu)中測定結(jié)�(gòu)的完整性和�(nèi)部應(yīng)變狀�(tài),從而建立靈巧結(jié)�(gòu),并�(jìn)一步實(shí)�(xiàn)智能建筑�
我們知道,光柵的Bragg波長lB由下�?jīng)Q定:
lB=2nL �
式中,n—芯模有效折射率� L—光柵周��
�(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�,從而使反射光的波長�(fā)生變化,通過測量物理量變化前后反射光波長的變�,就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不�,可�(shí)�(xiàn)�(duì)磁場的直接測�。此�,通過特定的技�(shù),還可實(shí)�(xiàn)�(duì)�(yīng)力和溫度的分別測量和同時(shí)測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料),對(duì)電場等物理量的間接測量也能實(shí)�(xiàn)�
1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原�
上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng),光柵的幾何�(jié)�(gòu)是均勻的,對(duì)單參�(shù)的定�(diǎn)測量很有�,但在需要同�(shí)測量�(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布�(shí)就顯得力不從心。此�(shí),采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一�(gè)不錯(cuò)的選��
啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散�(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)�。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)�(fā)生變化。這種傳感器在�(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響,啁啾光纖光柵反射信�(hào)�(huì)拓寬,峰值波長也�(huì)�(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�(huì)影響重心的位�。因此通過同時(shí)測量光譜位移和展�,就可以同時(shí)測量�(yīng)變和溫度�
2、長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原�
長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認(rèn)為有�(shù)百微�,它在特定的波長上可把纖芯的光耦合�(jìn)包層,其公式如下�
li=(n0- niclad)·L �
式中,n0—纖芯的折射率;niclad—i階軸�(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�(gè)�(dú)立的LPG可能在一�(gè)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(yīng)�、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�(chǎn)生大的波長位�,通過檢測Dli,就可獲得外界物理量變化的信�。LPG在給定波長上共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度,因而適用于�(gòu)建多參數(shù)傳感��
在地球動(dòng)力學(xué)中的�(yīng)�
在地震檢測等地球�(dòng)力學(xué)�(lǐng)域中,地表驟變等�(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測是非常�(fù)雜的,而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活�(dòng)性及其關(guān)鍵活�(dòng)范圍演變的最有效手段�。光纖光柵傳感器在這一�(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變彀垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方�?;顒?dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)�(tài)兩種,靜�(tài)�(yīng)變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離,而以震源的震波為代表的動(dòng)�(tài)�(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測�。為了得到相�(dāng)�(zhǔn)確的震源或火山源的位置,更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情�,需要使用密集排列的�(yīng)力-�(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能�(shí)�(xiàn)�(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高�(wǎng)�(luò)化傳感器,符合地震檢測等的要求,因此它在地球�(dòng)力學(xué)�(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用�。有�(bào)道指出,光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1Hz�2Hz,大小為10-9 e的巖石和地表�(dòng)�(tài)�(yīng)��
在航天器及船舶中的應(yīng)�
先�(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好,而且可以減輕船體或航天器的重量,�(duì)于快速航�(yùn)或飛行具有重要意�,因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛�(jī)的機(jī)翼)�
為全面衡量船體的狀�,需要了解其不同部位的變形力�、剪切壓�、甲板所受的抨擊力,普通船體大約需�100�(gè)傳感�,因此波長復(fù)用能力極�(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢�。光纖光柵傳感系�(tǒng)可測量船體的彎曲�(yīng)�,而且可測量海浪對(duì)濕甲板的抨擊�。具有干涉探測性能�16路光纖光柵復(fù)用系�(tǒng)成功�(shí)�(xiàn)了帶寬為5kHz范圍�(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動(dòng)�(tài)�(yīng)變測��
另外,為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)�、溫度、振�(dòng),起落駕駛狀�(tài)、超聲波場和加速度情況,通常需�100多�(gè)傳感�,故傳感器的重量要盡量輕,尺寸盡量小,因此最靈巧的光纖光柵傳感器是的選擇。另�,實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩�(gè)方向的應(yīng)變,嵌人材料中的光纖光柵傳感器是�(shí)�(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元��
在民用工程結(jié)�(gòu)中的�(yīng)�
民用工程的結(jié)�(gòu)�(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)�。對(duì)于橋�、礦井、隧�、大�、建筑物等來�,通過測量上述�(jié)�(gòu)的應(yīng)變分�,可以預(yù)知結(jié)�(gòu)局部的載荷及狀�,方便�(jìn)行維�(hù)和狀況監(jiān)�。光纖光柵傳感器可以貼在�(jié)�(gòu)的表面或�(yù)先埋入結(jié)�(gòu)�,對(duì)�(jié)�(gòu)同時(shí)�(jìn)行沖擊檢�、形狀控制和振�(dòng)阻尼檢測等,還以�(jiān)視結(jié)�(gòu)的缺陷情�。另�,多�(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一�(gè)傳感�(wǎng)�(luò),對(duì)�(jié)�(gòu)�(jìn)行準(zhǔn)分布式檢�,并通過�(jì)算機(jī)�(duì)傳感信號(hào)�(jìn)行遠(yuǎn)程控制�
光纖光柵傳感器可以檢測的建筑�(jié)�(gòu)之一為橋�。應(yīng)用時(shí),一組光纖光柵被粘于橋梁�(fù)合筋的表�,或在梁的表面開一�(gè)小凹�,使光柵的裸纖芯部分嵌�(jìn)凹槽中(便于防護(hù)�。如果需要更加完善的保護(hù),則是在建造橋�(shí)把光柵埋�(jìn)�(fù)合筋。同�(shí),為了修正溫度效�(yīng)引起的應(yīng)�,可使用�(yīng)力和溫度分開的傳感臂,并在每一�(gè)梁上均安裝這兩�(gè)臂�
兩�(gè)具有相同中心波長的光纖光柵代替法布里-珀*涉儀的反射鏡,形成全光纖法布里-珀*涉儀(FFPI�,利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化,這一方法�(shí)�(xiàn)了高靈敏度的�(dòng)�(tài)�(yīng)變測�。用FFPI�(jié)合另外兩�(gè)FBG,其中一�(gè)光柵用來測應(yīng)�,另一�(gè)被保�(hù)起來(免受應(yīng)力影響),以測量和修正溫度效�(yīng),同�(shí)�(shí)�(xiàn)了對(duì)三�(gè)量的測量:溫�、靜�(tài)�(yīng)�、瞬�(shí)�(dòng)�(tài)�(yīng)�。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)�(diǎn),在5me的測量范圍內(nèi),實(shí)�(xiàn)了小� 1me的靜�(tài)�(yīng)變測量精��0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動(dòng)�(tài)�(yīng)變靈敏度�
在電力工�(yè)中的�(yīng)�
光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實(shí)�(xiàn)長距離低損耗傳�,從而成為電力工�(yè)�(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫�、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量�
在電力工�(yè)�,電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化�(zhuǎn)化為電壓變化,電壓變化可使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生形變,而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂�,很容易得知其形�,�(jìn)而測知電流強(qiáng)�。這是一種較為廉�(jià)的方�,并且不需要復(fù)雜的電隔�。另�,由大雪等對(duì)電線施加的過量的壓力可能�(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件,因此在線檢測電線壓力非常重�,特別是�(duì)于那些不易檢測到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量,其原理為把載重量的變化�(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化,這一�(yīng)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測�。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)�(xiàn)�(yuǎn)距離惡劣�(huán)境下測量的實(shí)�,在這種情況�,相鄰光柵的間距較大,故不需快速調(diào)制和解調(diào)�
在醫(yī)�(xué)中的�(yīng)�
�(yī)�(xué)中用的傳感器多為電子傳感�,它�(duì)許多�(nèi)科手�(shù)是不適用的,尤其是在高微波(輻射)頻�、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬�(dǎo)體很容易受電�、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效�(yīng),這樣�(huì)�(dǎo)致錯(cuò)誤讀�(shù)。近年來,使用高頻電�、微波輻射和激光�(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來越受到醫(yī)�(xué)界的�(guān)�,而且傳感器的小尺寸在�(yī)�(xué)�(yīng)用中是非常重要的,因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較�,而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感�。它能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織�(nèi)部的溫度、壓�、聲波場的精確局部信�。到目前為止,光纖光柵傳感系�(tǒng)已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場,在30℃~60℃的范圍�(nèi),獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量�(jié)果,而超聲場的測量分辨率�10-3atm/Hz1/2,這為研究病變組織提供了有用的信息�
光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中,�(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心�,并注射人一種冷溶液,可測量肺動(dòng)脈血液的溫度,結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量,這對(duì)于心臟監(jiān)測是非常重要��
在化�(xué)傳感中的�(yīng)�
光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感,因?yàn)楣鈻诺闹行牟ㄩL隨折射率的變化而變�,而光柵間倏失波的相互作用以及�(huán)境中的化�(xué)物質(zhì)的濃度變化都�(huì)引起折射率的變化�
長周期光柵(long period fiber grating,LPFG)與布拉格光纖光柵一�,也是由光纖軸上�(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制而形�,其周期一般大�100μm。它的耦合�(jī)理是:向前傳�?shù)睦w芯基模被耦合入幾�(gè)特定波長的向前傳�?shù)陌鼘�?,包層模很快損失�,所以LPFG基本上沒有后向反�,在其透射譜中有幾�(gè)特定波長的吸收峰。LPFG�(duì)光纖包層材料折射率的變化比上述的光纖布拉格光柵更為敏感,包層材料折射率的任何變化都會(huì)改變傳輸光譜的特�,使吸收峰發(fā)生改�,所以長周期光柵折射率測量系�(tǒng)的分辨率可實(shí)�(xiàn)10-7的靈敏度。目前已�(jīng)用長周期光柵測出了許多化�(xué)物質(zhì)的濃�,包括蔗�、乙�、己�、十六烷、CaCl2、NaCl�,原則上,任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3�1.45之間的化�(xué)物質(zhì)都可用長周期光柵�(jìn)行探測�
除上述應(yīng)用外,光纖光柵傳感器還在其他�(lǐng)域得到了�(yīng)�,并且許多方面的性能都比傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器更�(wěn)定、更可靠、更�(zhǔn)�。光纖光柵傳感器可以用于�(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測�,具有較高的靈敏度和測量范圍。在光纖若干�(gè)部位寫入不同柵距的光纖光柵,就可以同�(shí)測定若干部位相應(yīng)物理量及其變化,�(shí)�(xiàn)�(zhǔn)分布式光纖傳�??傊?,光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一�(gè)方興未艾的領(lǐng)域,有著非常廣闊的發(fā)展前��
目前�(duì)光纖光柵傳感器的研究方向主要有三�(gè)方面�
1、對(duì)傳感器本身及�(jìn)行橫向應(yīng)變感測和高靈敏度、高分辨�、且能同�(shí)感測�(yīng)變和溫度變化的傳感器研究�
2、對(duì)光柵反射信號(hào)或透射信號(hào)分析和測試系�(tǒng)的研究,目標(biāo)是開�(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測技�(shù)�
3、對(duì)光纖光柵傳感器的�(shí)際應(yīng)用研�,包括封裝技�(shù)、溫度補(bǔ)償技�(shù)、傳感器�(wǎng)�(luò)技�(shù)�
目前限制光纖光柵傳感器應(yīng)用的最主要障礙是傳感信�(hào)的解�(diào),正在研究的解調(diào)方法很多,但能夠?qū)嶋H�(yīng)用的解調(diào)�(chǎn)品并不多,而且�(jià)格較�。其次,光纖光柵傳感器應(yīng)用中的其他問題也非常重要,如�
1、由于光源帶寬有�,而應(yīng)用中一般要求光柵的反射譜不能重疊,因此可復(fù)用光柵的�(shù)目受到限��
2、如何實(shí)�(xiàn)在復(fù)合材料中同時(shí)測量多軸向的�(yīng)�,以再現(xiàn)被測體的多軸向應(yīng)變形貌;
3、如何實(shí)�(xiàn)大范圍、高精度、快速實(shí)�(shí)測量�
4、如何正確地分辨光柵波長變化是由溫度變化引起的還是由�(yīng)力產(chǎn)生的�(yīng)變引起的��
有效地解決上述問題對(duì)于實(shí)�(xiàn)廉價(jià)、穩(wěn)�、高分辨�、大測量范圍、多光柵�(fù)用的傳感系統(tǒng)具有重要意義�
光柵式傳感器有如下特�(diǎn) ①精度高。光柵式傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干�?zhèn)鞲衅?。在圓分度和角位移連續(xù)測量方面,光柵式傳感器屬于精度的�
②大量程測量兼有高分辨力。感�(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特�(diǎn),但分辨力和精度都不如光柵式傳感��
③可�(shí)�(xiàn)�(dòng)�(tài)測量,易于實(shí)�(xiàn)測量及數(shù)�(jù)處理的自�(dòng)化�
④具有較�(qiáng)的抗干擾能力,對(duì)�(huán)境條件的要求不像激光干�?zhèn)鞲衅髂菢�?yán)�,但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適�(yīng)性強(qiáng),油污和灰塵�(huì)影響它的可靠�。主要適用于在實(shí)�(yàn)室和�(huán)境較好的車間使用�