近幾十年以來，電氣傳感器一直作為測量物理與機(jī)械現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備發(fā)揮著它的作用。盡管它們在測試測量中無處不在，但作為電氣化的設(shè)備，他們有著與生俱來的缺陷，例如信號傳輸過程中的損耗，容易受電磁噪聲的干擾等等。這些缺陷會造成在一些特殊的應(yīng)用場合中，電氣傳感器的使用變得相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，甚至完全不適用。光纖光學(xué)傳感器就是針對這些應(yīng)用挑戰(zhàn)極好的解決方法，使用光束代替電流，而使用標(biāo)準(zhǔn)光纖代替銅線作為傳輸介質(zhì)。
在過去的二十年中，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)器件的價格，提高了質(zhì)量。通過調(diào)整光學(xué)器件行業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段擴(kuò)展到了現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用場合，比如建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用等。
光纖傳感器簡介
從基本原理來看，光纖傳感器會根據(jù)所測試的外部環(huán)境參數(shù)的變化來改變其傳播的光波的一個或幾個屬性，比如強(qiáng)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(shè)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(xì)的玻璃線，光波能夠在其中心進(jìn)行傳播。光纖主要由三個部分組成：纖芯(core)，包層(cladding)和保護(hù)層(buffercoating)。其中包層能夠?qū)⒗w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。這個功能的實(shí)現(xiàn)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候會發(fā)生全內(nèi)反射。最外面的保護(hù)層提供保護(hù)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(jù)需要要強(qiáng)度和保護(hù)程序的不同，使用多層保護(hù)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(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)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(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，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的光波，而其它波長的光波都會被傳播。
在方程(1)中，λb是布拉格波長，n是光纖纖芯的有效折射率，而Λ是光柵之間的間隔長度，稱為光柵周期。
圖2.光纖布拉格光柵傳感器的工作原理
因?yàn)椴祭癫ㄩL是光柵之間的間隔長度的函數(shù)(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，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來反射特定波長的光波。
圖3.光纖布拉格光柵透視圖
應(yīng)變以及溫度的改變會同時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(jié)果就是光柵反射光波波長的改變。光纖布拉格光柵反射波長隨應(yīng)變和溫度的變化可以近似地用方程(2)中的關(guān)系來表示：
其中Δλ是反射波長的變化而λo為初始的反射波長。
右邊加號前的第一個表示式表示的是應(yīng)變的變化對反射波長的影響。其中pe是應(yīng)變光學(xué)靈敏系數(shù)，而ε是光柵所受到應(yīng)變影響。加號后面的第二個表達(dá)式表示的是溫度的變化對波長造成的影響。其中αΛ是熱膨脹系數(shù)而αn是溫度光學(xué)靈敏系數(shù)。αn體現(xiàn)了光折射率因?yàn)闇囟茸兓斐傻挠绊懚力w現(xiàn)了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。
正因?yàn)楣饫w布拉格光柵會同時受到應(yīng)變和溫度變化的影響，所以在計算反射波長變化的時候既要同時考慮這兩種因素，又要分別對其進(jìn)行分析。當(dāng)進(jìn)行溫度測量的時候，光纖布拉格光柵必須保持在完全不受應(yīng)變影響的條件下。你可以使用為此專門進(jìn)行封裝的FBG溫度傳感器，這種傳感器能保證封裝內(nèi)部光纖布拉格光柵的屬性不會耦合于任何外部的彎曲，拉伸，擠壓或扭曲應(yīng)變。在這種情況下，玻璃的熱膨脹系數(shù)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的改變就可以主要由該光纖的溫度光學(xué)靈敏系數(shù)αn來決定了。
光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器在某種程序上講就更加復(fù)雜了，因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變會同時影響傳感器的反射波長。為了正確地進(jìn)行的測量，在測試的時候，必須針對溫度對光纖布拉格光柵造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，可以使用一個與FBG應(yīng)變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來完成。得到測試結(jié)果以后，只需要簡單地從FBG應(yīng)變傳感器測得的波長改變中減去由FBG溫度傳感器測得的波長改變就可以從方程(2)中消去加號右邊的第二個表達(dá)式，這樣做就補(bǔ)償了應(yīng)變測試中溫度變化造成的影響了。
安裝光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的過程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過程類似，而且FBG應(yīng)變傳感器有許多種不同的種類和安裝方法可供選擇，包含環(huán)氧樹脂型，可焊接型，螺栓固定型和嵌入式型。（未轉(zhuǎn)待續(xù)）
