光纖光柵傳感器原理與應(yīng)用特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)日新月異的發(fā)展，出現(xiàn)了大量新型的光纖和光纖器件，同時(shí)伴隨著各類新型光源和光纖探測(cè)器的使用，光纖傳感技術(shù)在技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用上有了突破性進(jìn)展。

光纖傳感器作為光纖的重要應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，其所具有的體積小、重量輕和靈敏度高等應(yīng)用特性，在防磁場(chǎng)干擾、防腐蝕、防水性和耐高溫高壓等方面有著傳統(tǒng)電子傳感器無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
光纖光柵傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域重要的分支，其傳感原理為外界物理參量變化引起光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移，通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng)大小獲得物理參量具體信息，從而實(shí)現(xiàn)傳感。光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，除普通光纖傳感器特性外，具有測(cè)量精度更高、分辨率更好以及更適合分布式測(cè)量等特點(diǎn)。

光纖光柵傳感器原理與應(yīng)用特點(diǎn)

由于光誘導(dǎo)作用可以在摻鍺的光纖中產(chǎn)生光柵效應(yīng)，從而成功制作出世界上第一根光纖光柵。自此以后，光纖光柵的基本原理、制作方法及實(shí)際應(yīng)用被大量研究人員進(jìn)行了深入研究。
光纖的主要材料為石英，由芯層和包層構(gòu)成，外層由涂覆層保護(hù)。通過(guò)對(duì)其芯層摻雜，使芯層折射率(n1)大于包層折射率(n2)，形成光波導(dǎo)，光即可在芯層中傳播。當(dāng)光纖受到外界因素調(diào)制，芯層折射率受到周期性變化，形成光纖光柵。相位掩模法是目前光纖光柵制作最方便和效果最好的方法，簡(jiǎn)化了制作過(guò)程，降低了制作成本。光纖光柵種類繁多，其中典型的是光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)，F(xiàn)BG也是發(fā)展最早，應(yīng)用最廣的光纖光柵之一。

光纖光柵基本傳感原理

通過(guò)某種方式在光纖纖芯上形成空間相位光柵，當(dāng)光通過(guò)光纖光柵時(shí)，前向傳輸與后向傳輸?shù)睦w芯模式之間發(fā)生模式耦合，使得前向傳輸?shù)睦w芯模式轉(zhuǎn)移為后向傳輸?shù)睦w芯模式，即反射了波長(zhǎng)在光纖光柵中心反射波長(zhǎng)(λB)的入射光，光纖光柵中心反射波長(zhǎng)受應(yīng)變和溫度影響，可通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和溫度的傳感。其他物理參量如壓強(qiáng)、位移等，均可轉(zhuǎn)化為溫度或壓力等因素直接作用于光纖光柵
上，從而可利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)各物理參量的傳感。

光纖光柵應(yīng)用特點(diǎn)

基于光纖光柵本身材料特性和結(jié)構(gòu)特征，以及其傳感原理，其具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)。

(1)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與外形可變。

通常光纖光柵只有3～5 cm長(zhǎng)度，光纖質(zhì)量又輕，光纖光柵傳感頭是一種小巧靈活、便于攜帶的器件，且可根據(jù)光纖光柵傳感器實(shí)際使用情況，進(jìn)行不同類型的封裝以滿足不同的傳感需求。

(2)化學(xué)穩(wěn)定性好。

光纖光柵的主要構(gòu)成材料為二氧化硅，而二氧化硅有著良好的化學(xué)穩(wěn)定性，故光纖光柵傳感器防腐蝕性強(qiáng)，適用于化學(xué)腐蝕性的惡劣環(huán)境，也適用于各類生物體環(huán)境。

(3)物理穩(wěn)定性好。

光纖光柵主要構(gòu)成材料為二氧化硅，故光纖光柵對(duì)電絕緣，同時(shí)可防水和耐高溫高壓。

(4)不受電磁干擾。

由于光纖光柵的工作原理，其具有不受電磁干擾的特性，尤其適用于輻射強(qiáng)度大的惡劣環(huán)境，如應(yīng)用于核磁檢測(cè)等特殊環(huán)境下的醫(yī)用檢測(cè)。

(5)傳感靈敏度高。

光纖光柵通過(guò)監(jiān)測(cè)中心反射波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)傳感，故測(cè)量靈敏度高，由于很多醫(yī)學(xué)檢測(cè)的變化量均極小，一些普通傳感器無(wú)法測(cè)量出變化量，故光纖光柵的這一特性確保其可應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備傳感領(lǐng)域。

(6)測(cè)量準(zhǔn)確度高。

基于光纖光柵的傳感原理，不受光源等其他因素干擾，其測(cè)量準(zhǔn)確度較高，而醫(yī)用傳感器對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求很高，使光纖光柵這一特性較好滿足醫(yī)用傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度要求。

(7)分布式實(shí)時(shí)測(cè)量。

利用多種復(fù)用技術(shù)可將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)，形成一個(gè)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的物理量。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳輸?shù)教綔y(cè)器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物理量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。此特性可滿足醫(yī)用傳感器多參數(shù)測(cè)量的要求。

(8)測(cè)量范圍廣。

通過(guò)對(duì)光纖光柵結(jié)構(gòu)和封裝設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物理參量的測(cè)量，如應(yīng)變、溫度、壓力、旋轉(zhuǎn)速度以及pH值和濕度。