FBG 光學(xué)傳感器基礎

　　概述

　　近幾十年以來(lái)，電氣傳感器一直作為測量物理與機械現象的標準設備發(fā)揮著(zhù)它的作用。盡管它們在測試測量中無(wú)處不在，但作為電氣化的設備，他們有著(zhù)與生俱來(lái)的缺陷，例如信號傳輸過(guò)程中的損耗，容易受電磁噪聲的干擾等等。這些缺陷會(huì )造成在一些特殊的應用場(chǎng)合中，電氣傳感器的使用變得相當具有挑戰性，甚至完全不適用。光纖光學(xué)傳感器就是針對這些應用挑戰極好的解決方法，使用光束代替電流，而使用標準光纖代替銅線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)。

　　在過(guò)去的二十年中，光電子學(xué)的發(fā)展以及光纖通信行業(yè)中大量的革新極大地降低了光學(xué)器件的價(jià)格，提高了質(zhì)量。通過(guò)調整光學(xué)器件行業(yè)的經(jīng)濟規模，光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實(shí)驗室試驗研究階段擴展到了現場(chǎng)實(shí)際應用場(chǎng)合，比如建筑結構健康監測應用等。

　　光纖傳感器簡(jiǎn)介

　　從基本原理來(lái)看，光纖傳感器會(huì )根據所測試的外部環(huán)境參數的變化來(lái)改變其傳播的光波的一個(gè)或幾個(gè)屬性，比如強度、相位、偏振狀態(tài)以及頻率等。非固有型 (混合型) 光纖傳感器僅僅將光纖作為光波在設備與傳感元件之間的傳輸介質(zhì)，而固有型光纖傳感器則將光纖本身作為傳感元件使用。

　　光纖傳感技術(shù)的核心是光纖–一條纖細的玻璃線(xiàn)，光波能夠在其中心進(jìn)行傳播。光纖主要由三個(gè)部分組成：纖芯(core)，包層(cladding)和保護層(buffer coating)。其中包層能夠將纖芯發(fā)出的雜散光波反射回纖芯中，以保證光波在纖芯中具有最低的傳輸損耗。這個(gè)功能的實(shí)現原理是纖芯的光折射率比包層的折射率高，這樣光波從纖芯傳播到包層的時(shí)候會(huì )發(fā)生全內反射。最外面的保護層提供保護作用，避免外界環(huán)境或外力對光纖造成損壞。而且可以根據需要要強度和保護程序的不同，使用多層保護層。

　　光纖布拉格光柵(FBS)傳感器

　　光纖布拉格光柵傳感器是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據環(huán)境溫度以及/或者應變的變化來(lái)改變其反射的光波的波長(cháng)。光纖布拉格光柵是通過(guò)全息干涉法或者相位掩膜法來(lái)將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì )根據其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

　　當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì )反射一種特定波長(cháng)的光波，這個(gè)波長(cháng)稱(chēng)為布拉格波長(cháng)，如下面的方程 (1) 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(cháng)的光波，而其它波長(cháng)的光波都會(huì )被傳播。

　　在方程 (1)中，λb 是布拉格波長(cháng)，n 是光纖纖芯的有效折射率，而 Λ 是光柵之間的間隔長(cháng)度，稱(chēng)為光柵周期。

　　因為布拉格波長(cháng)是光柵之間的間隔長(cháng)度的函數(方程 (1) 中的Λ)，所以光纖布拉格光柵可以被生產(chǎn)為具有不同的布拉格波長(cháng)，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來(lái)反射特定波長(cháng)的光波。

　　應變以及溫度的改變會(huì )同時(shí)影響光纖布拉格光柵有效的光折射率 n 以及光柵周期Λ ，造成的結果就是光柵反射光波波長(cháng)的改變。光纖布拉格光柵反射波長(cháng)隨應變和溫度的變化可以近似地用方程 (2) 中的關(guān)系來(lái)表示：

　　其中 Δλ 是反射波長(cháng)的變化而 λo 為初始的反射波長(cháng)。