光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor），又稱波長調(diào)制型光纖傳感器，是光纖傳感器的一種，其傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息。
工作原理
光纖光柵傳感器的工作原理是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息。它可以通過一定的技術(shù)來測(cè)定應(yīng)力和溫度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量。這些技術(shù)包括多光纖光柵測(cè)量和單光纖光柵測(cè)量。
技術(shù)分類
多光纖光柵測(cè)量
混合FBG/長周期光柵（LPG）法
此方法解調(diào)簡單，但難以確保測(cè)量的是同一位置，精度約為9×10^-6，1.5℃。
雙周期光纖光柵法
該方法能保證測(cè)量位置，提高了測(cè)量精度，但光柵強(qiáng)度較低，信號(hào)解調(diào)較為困難。
光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法
該方法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測(cè)量精度高，精度可達(dá)20×10^-6，1℃，但F-P的腔長調(diào)節(jié)困難，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜。
雙FBG重疊寫入法
該方法精度較高，但光柵寫入困難，信號(hào)解調(diào)也比較復(fù)雜。
單光纖光柵測(cè)量
聚合物材料封裝單光纖光柵法
該方法是利用某些有機(jī)化合物對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)差異，增加光纖光柵對(duì)溫度或應(yīng)力的靈敏度，以克服交叉敏感效應(yīng)。雖然制作簡單，但選擇聚合物材料較為困難。
不同F(xiàn)BG組合法
該方法是將光柵寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應(yīng)靈敏度和摻雜材料濃度的兩種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分測(cè)量。盡管解調(diào)簡單，且解調(diào)為波長編碼避免了應(yīng)力集中，但仍存在損耗大、熔接處易斷裂、測(cè)量范圍偏小等問題。
預(yù)制應(yīng)變法
該方法是先給光纖光柵施加一定預(yù)應(yīng)變，隨后將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應(yīng)力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復(fù)，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復(fù)，導(dǎo)致這部分光纖光柵的中心反射波長改變。因此，這個(gè)光纖光柵有兩個(gè)反射峰，一個(gè)反射峰對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感；另一個(gè)反射峰只對(duì)溫度敏感，通過測(cè)量這兩個(gè)反射峰的波長漂移可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。
應(yīng)用
自1989年美國的Morey等人首次進(jìn)行光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感器研究以來，光纖光柵傳感器已在航空航天、土木工程、復(fù)合材料、石油化工等領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。特別是在土木及水利工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、橋梁安全監(jiān)測(cè)等方面，光纖光柵傳感器的應(yīng)用最為活躍。
土木及水利工程中的應(yīng)用
土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測(cè)非常重要。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。此外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
在橋梁安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
目前，應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其他土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固體系，如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此對(duì)這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測(cè)及在此基礎(chǔ)上的安全分析評(píng)估具有重大意義。
在混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
1989年，美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中，并描述了實(shí)際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后，美國、英國、加拿大、日本等國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
在水位遙測(cè)中的應(yīng)用
在光纖光柵技術(shù)平臺(tái)上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測(cè)量。傳感器的精度可以達(dá)到±0.1%F·S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長的光信號(hào)。當(dāng)FBG與彈性膜片或其他設(shè)備連接在一起時(shí)，水位的變化會(huì)拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會(huì)隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測(cè)出水位的變化。
在公路健康檢測(cè)中的應(yīng)用
公路健康監(jiān)測(cè)的必要性在于交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。而破壞一般都是因?yàn)槠嚦d，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過程以及使用過程中進(jìn)行健康檢測(cè)是非常有必要的。現(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對(duì)公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。
特點(diǎn)
1、抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。
2、電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無需電源驅(qū)動(dòng)，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。
3、耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。
4、體積小、重量輕，幾何形狀可塑。
5、傳輸損耗小：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。
6、傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。
7、測(cè)量范圍廣：可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。
參考資料 >
光纖光柵傳感器原理內(nèi)容詳解.電子發(fā)燒友網(wǎng).2024-08-19
什么是光纖光柵傳感器 光纖光柵傳感器原理.太平洋科技.2024-08-19
光纖光柵傳感器的基本原理.微信公眾平臺(tái).2024-08-19