光纖光柵傳感器技術及其應用

摘要:在光纖傳感器領域，光纖光柵傳感器的應用前景十分廣闊。早在1988年就成功地在航空、航天領域中作為有效的無損檢測技術，同時光纖光柵傳感器還可應用于化學醫藥、材料工業、水利電力、船舶、煤礦等各個領域，還在土木工程領域的混凝土組件和結構中，測定其結構的完整性和內部應變狀態，從而建立靈巧結構，進一步實現智能建筑。

關鍵詞:光纖光柵 傳感器 技術 應用

一、光纖光柵傳感技術

光纖光柵是利用光纖的光折變效應，使纖芯折射率沿軸向產生周期性變化，在纖芯內形成空間相位光柵。目前主要的制作方法是紫外激光寫人法。光纖光柵根據其折射率分布形式有光纖bragg光柵、碉瞅光柵、取樣光柵以及長周期光柵，濾油特攤各不相同。光纖光柵傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術而迅速發展起來的一種以光為載體、光纖為媒質感知和傳輸外界信號的新型傳感技術。用光纖布拉格光柵敏感元件的功能型光纖傳感器，可以傳感溫度和應變有關的物理量和化學量的間接測量。光纖布拉格光柵除了具有普通光纖傳感器抗電磁、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕等優點外，還具有以下獨特優點:探頭結構簡單，尺寸小，易于和光纖輥合，穩合損耗小;因其屬于波長調制型，所以抗干擾能力強;集傳感和傳輸為一體，具有很強的復用能力，易于構成傳感網絡;測量對象廣泛，易于實現多參數傳感測量等;因通過光傳感，其抗電磁輻射能力大大提高。光纖光柵傳感器原理大致為，光纖光柵的中心波長隨溫度及應變的變化而變化，且波長的變化量與被測量的變化量在理論上呈線性關系。光纖光柵傳感器的研究關鍵問題是如何提高中心波長移動量的精度。

由于很多光纖傳感器的開發是以取代當前己相當成熟、可靠性和成本己得到公認、并已經被廣泛采用的傳統機電傳感系統為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復用等諸多優勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優勢，FBG和其他的光柵類傳感器就是一個最好的例證。當前的原理性研究熱點集中于光纖光柵型傳感器和分布式光纖傳感系統兩大板塊。FBG型光纖傳感器自發明之日起，己走過了原理性研究和實驗論證的百家爭鳴階段。目前成熟的制作工藝己可形成小批量生產能力，而研究的焦點也轉向解決高精度應用、完善解調和復用技術，以及降低成本等幾個方向上，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質合而為一的特性，使得沿布設路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優點，這也是開發的熱點。

二、光纖光柵傳感器的應用

1、航天器

先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。實際上飛機的復合材料中存在兩個方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現多點多軸向應變和溫度測量的理想智能元件。

2、化學傳感

光纖光柵傳感器可用于化學傳感，因為光柵的中心波長隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用。目前已經用長周期光柵測出了許多化學物質的濃度，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3和1.45之間的化學物質都可用長周期光柵進行探測。

3、電力工業

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業應用的理想選擇。電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷(PZT)產生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復雜的電隔離。這是利用光纖光柵傳感器實現遠距離惡劣環境下測量的實例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調制和解調。

4、工程結構

民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監視結構的缺陷情況。光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結構之一為橋梁。如果需要更加完善的保護，則最好是在建造橋時把光柵埋進復合筋，由于需要修正溫度效應引起的應變，可使用應力和溫度分開的傳感臂，并在每一個梁上均安裝這兩個臂。

5、地球動力學

在地震檢測等地球動力學領域中，光纖光柵傳感器在這一領域中的應用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學地震儀使用等方面。為了得到相當準確的震源或火山源的位置，更好地描述源區的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應力-應變測量儀。光纖光柵傳感器是能實現遠距離和密集排列復用傳感的寬帶、高網絡化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學領域中無疑具有較大的潛在用途。

6、醫學應用

醫學中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內科手術是不適用的，尤其是在高微波(輻射)頻率、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導體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應，這樣會導致錯誤讀數。光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監測是非常重要的。

光纖傳感器有許多獨特優勢，可以解決許多傳統傳感器無法解決的問題。光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域，有著非常廣闊的發展前景。有效地解決上述問題對于實現廉價、穩定、高分辨率、大測量范圍、多光柵復用的傳感系統具有重要意義，這些都有待發展。

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