FBG光學傳感器簡介

近幾十年以來，電氣傳感器一直作為測量物理與機械現(xiàn)象的標準設備發(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用場合中，電氣傳感器的使用變得相當具有挑戰(zhàn)性，甚至完全不適用。光纖光學傳感器就是針對這些應用挑戰(zhàn)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作為傳輸介質(zhì)。

在過去的二十年中，光電子學的發(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器件的價格，提高了質(zhì)量。通過調(diào)整光學器件行業(yè)的經(jīng)濟規(guī)模，光纖傳感器和光纖儀器已經(jīng)從實驗室試驗研究階段擴展到了現(xiàn)場實際應用場合，比如建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應用等。

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，光波能夠在其中心進行傳播。光纖主要由三個部分組成：纖芯(core)，包層(cladding)和保護層(buffer coating)。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(jù)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(jù)環(huán)境溫度以及/或者應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

因為布拉格波長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