1、第8章光纖光柵傳感器、光纖光柵傳感器、光纖光柵利用光纖材料的光靈敏度(外部入射光子與芯內(nèi)鍺離子的相互作用引起的折射率的永久變化)，在芯內(nèi)形成空間相位光柵。 在光學(xué)水平上，由于描述光纖光柵的傳輸特性的基本殘奧儀表是反射率、透射率、中心波長、反射帶寬以及光柵方程式等，所以基于光纖光柵的器件的分析和設(shè)定修正主要通過上述的基本光學(xué)殘奧儀表。 另外，光纖光柵傳感器作為傳感器單元，光纖光柵的主要優(yōu)點(diǎn)是，探測信息具有四位波長編碼線性響應(yīng)的絕對測量和良好重現(xiàn)性。 另外，插入損耗低、窄頻帶的波長反射有利于在1根單模光纖中的多路復(fù)用，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)中的星形、串聯(lián)、并聯(lián)和環(huán)連接。 光纖光柵由于其輕量、細(xì)徑、柔軟、

2、化學(xué)穩(wěn)定、耐高溫、電磁干擾(EMI )等光纖的固有特性，被認(rèn)為是理想的傳感材料。 其中，基于光纖Bragg光柵的傳感器通過外部殘奧儀表調(diào)制其Bragg中心波長來取得傳感信息，光纖光柵傳感器在研究初期被認(rèn)為是光纖Bragg光柵的理想的傳感器單元對于光纖，波長編碼具有抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，特別是在兩個(gè)方面上出現(xiàn)：1)當(dāng)忽略光纖的非線性效應(yīng)時(shí)，普通傳輸光纖不影響傳輸光波的頻率特性。 2 )光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上不影響傳感信號的波長特性，例如其他光纖傳感器的光強(qiáng)度起伏，例如光源強(qiáng)度起伏，光纖微彎效應(yīng)引起的隨機(jī)起伏和耦合損耗。 因此，基于光纖光柵的感測系統(tǒng)具有高可靠性和穩(wěn)定性。 光纖光柵傳感器在現(xiàn)有技術(shù)的條

3、件下，為了將光纖光柵應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，需要考慮以下8個(gè)主要問題。 (1)光纖光柵的機(jī)械可靠性和光學(xué)可靠性。 機(jī)械可靠性是指光纖光柵的拉伸、彎曲等性能；光學(xué)可靠性是指光柵的反射率、透射率、波長、帶寬等光學(xué)殘奧儀表隨環(huán)境而變化。 現(xiàn)在作為商品出售的光纖光柵必須通過環(huán)境試驗(yàn)。 例如，在相對濕度85%、溫度85的濕箱中進(jìn)行1000 h試驗(yàn)，其光柵的上述光學(xué)性能沒有明顯變化-4085溫度下1000個(gè)循環(huán)，光學(xué)性能也沒有明顯變化等。 光纖光柵傳感器，(2)光纖光柵的壽命。 利用光纖光柵的經(jīng)時(shí)和溫度變化特性，可以定量評價(jià)光柵的壽命。 實(shí)驗(yàn)證明，通過在高溫下退火光柵，在今后的使用中穩(wěn)定。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，在規(guī)

4、定溫度下初期發(fā)生崩潰，之后反射率相對穩(wěn)定。 例如，一個(gè)光纖光柵在370度的溫度下開始反射率的降低，然后光柵的反射率穩(wěn)定在大約2000小時(shí)以上。 因此，通過加速劣化，光柵反射率可以預(yù)測時(shí)間和溫度的變化。 光纖光柵傳感器，(3)光纖光柵的封裝。 寫入光柵時(shí)，一般為了除去保護(hù)層，機(jī)械強(qiáng)度大幅降低，所以作為實(shí)用的光纖光柵需要良好的封裝，需要考慮適當(dāng)?shù)幕宀牧?有機(jī)物或金屬等)和粘貼材料(環(huán)氧樹脂或特殊膏等)，影響壽命(4)交叉敏感的消除。 光纖光柵對應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等多種殘奧儀表具有不同程度的敏感性，即交叉敏感性。 例如，當(dāng)在光纖光柵中測量失真時(shí)，溫度可以采用溫度補(bǔ)償(包括主動(dòng)補(bǔ)償和無源補(bǔ)償)、不均勻

5、光纖光柵等方式來敏化。 光纖光柵傳感器，(5)增感和脫感。利用特殊材料封裝，提高了所希望的殘奧儀表的傳感靈敏度，減弱了無關(guān)殘奧儀表的傳感靈敏度，在檢測中對無關(guān)殘奧儀表進(jìn)行剝離平滑化。 (6)寬光譜、高功率光源的獲得。 使用光纖光柵作為傳感器元件時(shí)，如果要擴(kuò)大其測量范圍，請使用寬光譜光源，另一方面，為了提高檢測的信噪比，要求光源輸出高。 因此，光源的選擇直接影響光纖光柵傳感系統(tǒng)的數(shù)量和抗干擾能力，值得充分重視。 光纖光柵傳感器，(7)波長位移的檢測。 在以光纖布拉格光柵為基礎(chǔ)構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中，傳感量主要是以波長為單位的微小位移，因此傳感系統(tǒng)需要精密的波長和波長變化檢測裝置。 (8)光檢測器的波長

6、分辨率。 光纖光柵傳感系統(tǒng)的檢測靈敏度直接依賴于檢測波長變化的靈敏度，因此光電檢測器的波長分辨率是光耦合技術(shù)的問題。 光纖光柵位移應(yīng)變傳感器利用懸臂梁的位移應(yīng)變傳感器，將光纖光柵簡單地粘貼到矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)上，通過測量與懸臂梁不同點(diǎn)的應(yīng)變換算，得到實(shí)際的應(yīng)變和位移結(jié)果。 直接光纖光柵位移應(yīng)變傳感器，圖8-1懸臂梁結(jié)構(gòu)的光線光柵位移應(yīng)變傳感器，左側(cè)為被測量物，該物體通過一個(gè)突出物作用于垂直豎立的懸臂梁，光纖Bragg光柵僅通過直接粘貼在懸臂梁上張偉剛等人對該懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了垂直應(yīng)力、位移等力學(xué)量的測量。 其懸臂梁為矩形，在懸臂梁的自由端有直角三角形的約束框架。 懸臂梁由特殊的有機(jī)材

7、料合成，其長度、寬度、厚度和楊氏模量分別為l、b、h、e，約束框架固定在梁上的a、b之間的作用桿的前端與沿著AB移動(dòng)的滑塊c接觸，下端d是受力點(diǎn)，作用桿在橫向?qū)к壣蠈㈤L度為l、自由中心波長的光纖Bragg光柵剛性粘貼在接近懸臂梁固定端q的上表面，將其中心位置與固定端的距離設(shè)為。 當(dāng)然，當(dāng)外力作用于作用桿d時(shí)，其動(dòng)作被約束框架限制。 即，通過橫向力，滑塊沿著橫向?qū)к壱苿?dòng)，作用桿橫向位移，作用桿前端的滑塊c從a點(diǎn)沿著約束框架向b點(diǎn)滑動(dòng)，使懸臂梁向下彎曲，通過拉伸接近懸臂梁固定端的FBG的縱向力，作用桿、利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)垂直力學(xué)測量的裝置，圖8-2垂直力學(xué)測量裝置的圖像，除了對常用的懸臂梁進(jìn)行分析外

8、，侑有龍等人對現(xiàn)有的懸臂梁提出了改進(jìn)意見，基于改進(jìn)后的懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器對溫度的影響非常小部分解決了光纖光柵溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題，該懸臂梁為厚度呈階躍分布的等腰三角形，邊界線AB距固定端為a，距自由端q為b。 左右兩側(cè)的上表面齊平，兩側(cè)的厚度分別和。 恒定長度的光柵沿著軸向剛度粘貼在上表面a-b附近，并用于使得邊界兩側(cè)的光柵的長度近似相等，從而在測量期間兩側(cè)的光柵的反射光譜的峰值近似相等。 簡支梁的光纖光柵位移傳感器，傳統(tǒng)的簡支梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器，圖8-3的幾種非一般形態(tài)的簡支梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器(a )層疊型(b )菱面體類型(c )同側(cè)雙力器同側(cè)雙功率型2、光

9、纖光柵振動(dòng)加速度傳感器通過在考慮變形時(shí)加上時(shí)間這一參考量，得到光纖光柵振動(dòng)加速度傳感器。 徐兆文等人提出了懸臂梁結(jié)構(gòu)和匹配光纖光柵法，對振動(dòng)進(jìn)行了傳感實(shí)驗(yàn)研究。左圖所示的光源是帶有光學(xué)隔離器的寬帶光源，光學(xué)隔離器的作用是避免反向光對光源的影響，對于兩個(gè)耦合器的耦合比，光纖光柵FBG1是傳感器光柵，而光纖光柵FBG2是檢測匹配光柵右圖所示為傳感器光纖光柵FBG1的懸臂梁結(jié)構(gòu)。 該裝置的主體由彈性薄鋼振動(dòng)片、步進(jìn)裝置和纏繞線圈的電磁鐵構(gòu)成。 傳感器光柵粘貼在振動(dòng)片上。 當(dāng)信號源向線圈施加交變信號時(shí)，電磁鐵通過交變電流產(chǎn)生交變磁場。 彈性薄鋼振動(dòng)片在周期性交變磁場的作用下振動(dòng)，彈片的振動(dòng)引起晶格常數(shù)

10、的周期性變化，從而使晶格峰反射波長規(guī)則地往復(fù)漂移，將振動(dòng)信號耦合到感應(yīng)晶格上。圖8-4匹配光纖光柵法的振動(dòng)傳感模式圖、光纖光柵溫度傳感器，由裸光纖光柵封裝制作的溫度傳感器對裸光纖光柵的測定溫度的線性比較好，但由于靈敏度比較低圖(a )表示在單層的聚四氟乙烯上用環(huán)氧樹脂膏粘貼光纖光柵的結(jié)構(gòu)，圖(b )表示將上下2層的聚四氟乙烯作為鉗子粘貼環(huán)氧樹脂膏光纖光柵的結(jié)構(gòu)。 這兩種結(jié)構(gòu)是日本學(xué)者Totu Mizunami、Hiroaki Tatehata和Hideo Kawashima于2001年提出的。 之后的板式結(jié)構(gòu)多在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基材的改良和更換。圖8-5板式結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳

11、感器、李燕等人在2000年設(shè)置了新的光纖光柵壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 將光纖光柵的兩端固定在2塊金屬板上，上金屬板通過精密調(diào)整螺釘產(chǎn)生微小的升降，可以作為負(fù)荷臺。 在光纖光柵的伸長應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行螺旋調(diào)節(jié)，使光纖光柵產(chǎn)生盡可能大的伸長，使測試保持較寬的線性范圍，同時(shí)在恒溫條件下，確定壓力傳感頭的測試零點(diǎn)。 可通過選擇不同的金屬板材或相同板材的不同厚度來設(shè)定、修正不同量的范圍。 簡稱為、圖8-6光纖光柵壓力傳感器、光纖光柵水聲傳感器、水聲傳感器、水聽器，是在水中監(jiān)聽聲場信號的設(shè)備。 作為反潛聲的核心部件，在軍事領(lǐng)域有重要應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)和民間領(lǐng)域，也有海洋石油和天然氣的勘探、地震波勘探、水聲物理研究、海洋漁業(yè)等廣泛的用途。 來自波長可調(diào)窄帶光源的光進(jìn)入耦合器并分成兩束，一束經(jīng)由隔離器進(jìn)入光循環(huán)器，首先進(jìn)入光纖Bragg光柵，反射光再次進(jìn)入光循環(huán)器，最后進(jìn)入光電檢測器。 如從布拉格光柵的特性可知，對于反射光的中心波長，當(dāng)傳感器光柵到