光纖光柵感測器

光纖光柵感測器（Fiber Grating Sensor ）屬於光纖感測器的一種，基於光纖光柵的感測過程是通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調製來獲取感測信息，是一種波長調製型光纖感測器。

基本介紹

• 中文名：光纖光柵感測器
• 外文名：Fiber Grating Sensor
• 類別：光纖感測器
• 類型：波長調製型光纖感測器
• 分類：溫度感測器、加速度感測器等
• 學科：電子工程、物理

簡介

光纖光柵感測器可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由於光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感，即溫度與應變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應變加以區分。因此，解決交叉敏感問題，實現溫度和應力的區分測量是感測器實用化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現對溫度和應力區分測量。這些技術的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變回響靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變感測器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應變回響靈敏度係數，利用2個二元一次方程解出溫度與應變。區分測量技術大體可分為兩類，即多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。

多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優缺點。FBG/LPG法解調簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為9×10^-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強度低，信號解調困難。光纖光柵/F-P腔集成復用法感測器溫度穩定性好、體積小、測量精度高，精度可達20×10^-6，1℃，但F-P的腔長調節困難，信號解調複雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號解調也比較複雜。

單光纖光柵測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預製應變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機物對溫度和應力的回響不同增加光纖光柵對溫度或應力靈敏度，克服交叉敏感效應。這種方法的製作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫於不同折射率和溫度敏感性或不同溫度回響靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連線處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實現區分測量。這種方法解調簡單，且解調為波長編碼避免了應力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量範圍偏小等問題。預製應變法是首先給光纖光柵施加一定的預應變，在預應變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地貼上在懸臂樑上。應力釋放後，未貼上部分的光纖光柵形變恢復，其中心反射波長不變；而貼上在懸臂樑上的部分形變不能恢復，從而導致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個光纖光柵有2個反射峰，一個反射峰（貼上在懸臂樑上的部分）對應變和溫度都敏感；另一個反射峰（未貼上部分）只對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應變。

分類

這些感測器主要包括光纖光柵應變感測器、溫度感測器、加速度感測器、位移感測器、壓力感測器、流量感測器、液位感測器等。

應變

此種感測器是在工程領域中套用最廣泛，技術最成熟的光纖感測器。應變直接影響光纖光柵的波長漂移，在工作環境較好或是待測結構要求精小感測器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應變感測器直接貼上在待測結構的表面或者是埋設在結構的內部。由於光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝後才能使用。目前常用的封裝方式主要有基片式、管式和基於管式的兩端夾持式。

溫度

溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，是工農業生產和科學實驗中需要經常測量和控制的主要參數，同時也是與人們日常生活密切相關的一個重要物理量。目前，比較常用的電類溫度感測器主要是熱電偶溫度感測器和熱敏電阻溫度感測器。光纖溫度感測與傳統的感測器相比有很多優點，如靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便於遙測等。基於光纖光柵技術的溫度感測器，採用波長編碼技術，消除了光源功率波動及系統損耗的影響，適用於長期監測;而且多個光纖光柵組成的溫度感測系統，採用一根光纜，可實現準分散式測量。

溫度也是直接影響光纖光柵波長變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度感測器直接套用。同光纖光柵應變感測器一樣，光纖光柵溫度感測器也需要進行封裝，封裝技術的主要作用是保護和增敏，人們希望光纖光柵能夠具有較強的機械強度和較長的壽命，與此同時，還希望能在光纖感測中通過適當的封裝技術提高光纖光柵對溫度的回響靈敏度。普通的光纖光柵其溫度靈敏度只有0.010 nm/℃左右，這樣對於工作波長在1550nm的光纖光柵來說，測量100℃的溫度範圍波長變化僅為lnm。套用解析度為lpm的解碼儀進行解調可獲得很高的溫度解析度，而如果因為設備的限制，採用解析度為0. 06nm的光譜分析儀進行測量，其解析度僅為6度，遠遠不能滿足實際測量的需要。目前常用的封裝方式有基片式、管式和聚合物封裝方式等。

位移

研究人員開展了套用光纖光柵進行位移測量的研究，目前這些研究都是通過測量懸臂樑表面的應變，然後通過計算求得懸臂樑垂直變形，即懸臂樑端部垂直位移。這種“位移感測器”不是真正意思上的位移感測器，目前這種感測器在實際工程已取得了套用，國內亦具有商品化產品。

加速度計

1996年，美國的Berkoff等人利用光纖光柵的壓力效應設計了光纖光柵振動加速度計。轉換器由質量板、基板和複合材料組成，質量板和基板都是6mm厚的鋁板，基板作為剛性板起支撐作用，中間為8mm厚的複合材料夾在兩鋁板中間起彈簧的作用。在質量塊的慣性力作用下，埋在複合材料中的光纖光柵受到橫向力作用產生應變，從而導致光纖光柵的布拉格波長變化。採用非平衡M-Z干涉儀對光纖光柵的應變與加速度間的關係進行解調.1998年，Todd採用雙撓性梁作為轉換器設計了光柵加速度計。加速度感測器由兩個矩形梁和一個質量塊組成，質量塊通過點接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個矩形梁的下表面。在感測器受到振動時，在慣性力的作用下，質量塊帶動兩個矩形梁振動使其產生應變，傳遞給光纖光柵引起波長移動。這種感測器也在國內已經有了商品化的產品。

壓力

對拉力或壓力的監測也是監測的一部分重要內容，如橋樑結構的拉索的整體索力、高緯度海洋平台的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進萍等人相繼開發出了光纖光柵拉索壓力環和光纖光柵冰壓力感測器，英國海軍研究中心開發了光纖光柵土壤壓力感測器，用以監測公路內部的荷載情況。並且各國相繼開始光纖光柵油氣井壓力感測器的研究工作。

除以上介紹的光纖光柵感測器外，光纖光柵研究人員和感測器設計人員基於光纖光柵的感測原理，還設計出光纖光柵伸長計，光纖光柵曲率計，光纖光柵濕度計，以及光纖光柵傾角儀，光纖光柵連通管等。此外，人們還通過光纖光柵應變感測器製成用於測量公路運輸情況的運輸計、用於測量公路施工過程中瀝青應變的應變計等。

特點

1、抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸的光信號不受電磁干擾的影響。

2、電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質構成的，而且無需電源驅動，因此適宜於在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。

3、耐腐蝕，化學性能穩定：由於製作光纖的材料一石英具有極高的化學穩定性，因此光纖感測器適宜於在較惡劣環境中使用。

4、體積小、重量輕，幾何形狀可塑。

5、傳輸損耗小：可實現遠距離遙控監測。

6、傳輸容量大：可實現多點分散式測量。

7、測量範圍廣：可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、 電壓、液位、液體濃度、成分等。

套用

自從1989年美國的Morey等人首次進行光纖光柵的應變與溫度感測器研究以來，世界各國都對其十分關注並開展了廣泛的套用研究，在短短的10多年時間裡光纖光柵己成為感測領域發展最快的技術，並在很多領域取得了成功的套用，如航空航天、土木工程、複合材料、石油化工等領域。

1、土木及水利工程中的套用

土木工程中的結構監測是光纖光柵感測器套用最活躍的領域。力學參量的測量對於橋樑、礦井、隧道、大壩、建築物等的維護和健康狀況監測是非常重要的.通過測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵感測器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行健康檢測、衝擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監視結構的缺陷情況.。另外，多個光纖光柵感測器可以串接成一個感測網路，對結構進行準分散式檢測，可以用計算機對感測信號進行遠程控制。

2、在橋樑安全監測中的套用

目前， 套用光纖光柵感測器最多的領域當數橋樑的安全監測。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋樑體系的關鍵受力構件，其他土木工程結構的預應力錨固體系，如結構加固採用的錨索、錨桿也是關鍵的受力構件。上述受力構件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況，因此對這些構件的受力狀況監測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。

加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵感測器進行測量的橋樑之一(1993 年)， 16 個光纖光柵感測器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖複合材料筋上，對橋樑結構進行長期監測， 而這在以前被認為是不可能。德國德勒斯登附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預應力混凝土橋， 德勒斯登大學的Meis－sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土稜柱中， 測量荷載下的基本線性回響， 並且用常規的應變測量儀器作了對比試驗， 證實了光纖光柵感測器的套用可行性。瑞士應力分析實驗室和美國海軍研究實驗室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中， 使用了32個光纖光柵感測器對箱形梁被推拉時的準靜態應變進行了監測， 32個光纖光柵分布於箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統進行信號解調。

2003年6月，同濟大學橋樑系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測項目中，採用了上海紫珊光電的光纖光柵感測器，用於檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。

施工情況：整個檢測項目的實施主要包括感測器布設、數據測量和數據分析三大步。在盧浦大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變感測器和4個光纖光柵溫度感測器，其中8個光纖光柵應變感測器串接為1路，4個溫度感測器串接為1路，然後通過光纖傳輸到橋管所，實現大橋的集中管理。數據測量的周期根據業主的要求來確定，通過在橋面載入的方式，利用光纖光柵感測網路分析儀，完成橋樑的動態應變測試。

3、在混凝土梁應變監測中的套用

1989年，美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖感測器埋入混凝土建築和結構中， 並描述了實際套用中這一研究領域的一些基本構想。此後， 美國、英國、加拿大、日本等國家的大學、研究機構投入了很大力量研究光纖感測器在智慧型混凝土結構中的套用。

在混凝土結構澆注時所遇到的一個非常棘手的問題是： 如何才能在混凝土澆搗時避免破壞感測器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫於普通單模通訊光纖上， 其質地脆， 易斷裂， 為適應土木工程施工粗放性的特點， 在將其作為感測器測量建築結構應變時，應採取適當保護措施。

一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應變感測器的光纖線路後， 將混凝土應變感測器用鐵絲等按照預定位置固定在鋼筋籠中， 然後將中間段用紗布纏繞並用膠帶固定。而對貼上式鋼筋應變感測器一般則用外塗膠層進行保護。

4、在水位遙測中的套用

在光纖光柵技術平台上研製出的高精度光學水位感測器專門用於江河、湖泊以及排污系統水位的測量。感測器的精度可以到達±0.1%F·S。光纖安裝在感測器內部，由於光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，並反射符合布拉格條件的某一波長的光信號。當FBG與彈性膜片或其它設備連線在一起時，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會隨著折射率周期性變化而發生變化。那么，根據反射波長的偏移就可以監測出水位的變化。

5、在公路健康檢測中的套用

公路健康監測必要性：交通是與人們息息相關的事情，同樣也是制約城市發展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個城市的發展命運。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護上，其中維護費用占據了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發揮和誘發交通事故的一大病害。而破壞一般都是因為汽車超載，超速以及自然原因引起的，並且也和公路修建的質量有很大關係。所以在公路施工過程以及使用過程中進行健康檢測是非常有必要的。現在的公路一般分三層進行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應變感測器可以及時得到溫度以及應變的變化情況，對公路質量進行實時監控。詳細了解施工材料的特點以及影響施工質量的因素。