簡(jiǎn)單介紹FBG光學(xué)傳感器

　　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。

圖1. 典型光纖的橫截面圖

　　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。

圖2. 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理

　　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。

圖3. 光纖布拉格光柵透視圖

　　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)。

　　右邊加號前的第一個(gè)表示式表示的是應變的變化對反射波長(cháng)的影響。其中 pe 是應變光學(xué)靈敏系數，而 ε 是光柵所受到應變影響。加號后面的第二個(gè)表達式表示的是溫度的變化對波長(cháng)造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹系數而 αn 是溫度光學(xué)靈敏系數。αn 體現了光折射率因為溫度變化造成的影響而 αΛ 體現了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。

　　正因為光纖布拉格光柵會(huì )同時(shí)受到應變和溫度變化的影響，所以在計算反射波長(cháng)變化的時(shí)候既要同時(shí)考慮這兩種因素，又要分別對其進(jìn)行分析。當進(jìn)行溫度測量的時(shí)候，光纖布拉格光柵必須保持在完全不受應變影響的條件下。你可以使用為此專(zhuān)門(mén)進(jìn)行封裝的FBG溫度傳感器，這種傳感器能保證封裝內部光纖布拉格光柵的屬性不會(huì )耦合于任何外部的彎曲，拉伸，擠壓或扭曲應變。在這種情況下，玻璃的熱膨脹系數 αΛ 通常在實(shí)用中是可以忽略的；所以，因溫度變化而造成的反射波長(cháng)的改變就可以主要由該光纖的溫度光學(xué)靈敏系數 αn 來(lái)決定了。

　　光纖布拉格光柵應變傳感器在某種程序上講就更加復雜了，因為溫度和應變會(huì )同時(shí)影響傳感器的反射波長(cháng)。為了正確地進(jìn)行的測量，在測試的時(shí)候，必須針對溫度對光纖布拉格光柵造成的影響進(jìn)行補償。為了實(shí)現這種補償，可以使用一個(gè)與FBG應變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來(lái)完成。得到測試結果以后，只需要簡(jiǎn)單地從FBG應變傳感器測得的波長(cháng)改變中減去由FBG溫度傳感器測得的波長(cháng)改變就可以從方程 (2) 中消去加號右邊的第二個(gè)表達式，這樣做就補償了應變測試中溫度變化造成的影響了。

　　安裝光纖布拉格光柵應變傳感器的過(guò)程和安裝傳統的電氣應變傳感器的過(guò)程類(lèi)似，而且FBG應變傳感器有許多種不同的種類(lèi)和安裝方法可供選擇，包含環(huán)氧樹(shù)脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。

　　探詢(xún)方法

　　由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長(cháng)，所以可以利用它來(lái)實(shí)現良好的波分復用 (WDM) 技術(shù)。這個(gè)特性使得可以在一條長(cháng)距離的獨立光纖上，以菊花鏈的形式連接多個(gè)不同的擁有特定布拉格波長(cháng)的傳感器。波分復用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個(gè)FBG傳感器分配了一個(gè)特定的波長(cháng)范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長(cháng)特性，就算在傳輸過(guò)程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強的損耗和衰減，傳感器測得的結果也仍然能夠保持準確。

　　每一個(gè)獨立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長(cháng)范圍和波長(cháng)探詢(xún)器可探詢(xún)的總波長(cháng)范圍決定了在一條單獨的光纖上可以?huà)旖拥膫鞲衅鞯臄盗?。一般?lái)說(shuō)，因為應變改變造成的波長(cháng)改變會(huì )比溫度改變造成的波長(cháng)改變更加明顯，所以一般會(huì )為FBG應變傳感器分配大概5納米的工作波長(cháng)范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長(cháng)范圍。又因為通常的波長(cháng)探詢(xún)器能提供的測試范圍大概為60到80納米，所以一條光纖上掛接的傳感器數量一般可以從1個(gè)到80個(gè)不等 – 當然，這要建立在各個(gè)傳感器反射波長(cháng)的區域在光譜范圍內不會(huì )有重疊 (圖 4) 的基礎上的。因此，在選擇FBG傳感器的時(shí)候，需要仔細地選擇標稱(chēng)波長(cháng)以及工作波長(cháng)范圍來(lái)保證每一個(gè)傳感器都有其獨立的工作波長(cháng)區域。

圖4. 同一條光纖上掛接的每一個(gè)FBG傳感器必須具有其獨立的工作波長(cháng)范圍

　　一般的FBG傳感器會(huì )擁有幾個(gè)納米的工作波長(cháng)范圍，所以光學(xué)探詢(xún)器必須能夠完成分辨率為幾個(gè)皮米甚至更小的測量 – 一個(gè)相當小的量級。探詢(xún)FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計是通常運用的實(shí)驗室設備，它可以提供相當高分辨率的光譜分析。但是，這些儀器一般來(lái)說(shuō)非常昂貴，體積龐大并且不夠堅固，所以在一些涉及各種結構的現場(chǎng)監測的應用中，如風(fēng)機葉片，橋梁，水管以及大壩等環(huán)境的監測中，這些儀器都不適用。

　　一種更加堅固的方法是引入了電荷耦合器件 (charge-coupled