摘要:在光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。早在1988年就成功地在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測技術(shù)，同時(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域，還在土木工程領(lǐng)域的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測定其結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。

關(guān)鍵詞:光纖光柵 傳感器 技術(shù) 應(yīng)用

一、光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。目前主要的制作方法是紫外激光寫人法。光纖光柵根據(jù)其折射率分布形式有光纖bragg光柵、碉瞅光柵、取樣光柵以及長周期光柵，濾油特?cái)偢鞑幌嗤９饫w光柵傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)。用光纖布拉格光柵敏感元件的功能型光纖傳感器，可以傳感溫度和應(yīng)變有關(guān)的物理量和化學(xué)量的間接測量。光纖布拉格光柵除了具有普通光纖傳感器抗電磁、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn):探頭結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于和光纖輥合，穩(wěn)合損耗小;因其屬于波長調(diào)制型，所以抗干擾能力強(qiáng);集傳感和傳輸為一體，具有很強(qiáng)的復(fù)用能力，易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò);測量對象廣泛，易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)傳感測量等;因通過光傳感，其抗電磁輻射能力大大提高。光纖光柵傳感器原理大致為，光纖光柵的中心波長隨溫度及應(yīng)變的變化而變化，且波長的變化量與被測量的變化量在理論上呈線性關(guān)系。光纖光柵傳感器的研究關(guān)鍵問題是如何提高中心波長移動量的精度。

由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前己相當(dāng)成熟、可靠性和成本己得到公認(rèn)、并已經(jīng)被廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復(fù)用等諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢，F(xiàn)BG和其他的光柵類傳感器就是一個(gè)最好的例證。當(dāng)前的原理性研究熱點(diǎn)集中于光纖光柵型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，己走過了原理性研究和實(shí)驗(yàn)論證的百家爭鳴階段。目前成熟的制作工藝己可形成小批量生產(chǎn)能力，而研究的焦點(diǎn)也轉(zhuǎn)向解決高精度應(yīng)用、完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)，以及降低成本等幾個(gè)方向上，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合而為一的特性，使得沿布設(shè)路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，這也是開發(fā)的熱點(diǎn)。

二、光纖光柵傳感器的應(yīng)用

1、航天器

先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)的機(jī)翼)。實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元件。

2、化學(xué)傳感

光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因?yàn)楣鈻诺闹行牟ㄩL隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用。目前已經(jīng)用長周期光柵測出了許多化學(xué)物質(zhì)的濃度，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3和1.45之間的化學(xué)物質(zhì)都可用長周期光柵進(jìn)行探測。

3、電力工業(yè)

光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實(shí)現(xiàn)長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價(jià)的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測量的實(shí)例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。

4、工程結(jié)構(gòu)

民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。如果需要更加完善的保護(hù)，則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋，由于需要修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。

5、地球動力學(xué)

在地震檢測等地球動力學(xué)領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應(yīng)力-應(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。

6、醫(yī)學(xué)應(yīng)用

醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中，由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應(yīng)，這樣會導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。

光纖傳感器有許多獨(dú)特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題。光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。有效地解決上述問題對于實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、穩(wěn)定、高分辨率、大測量范圍、多光柵復(fù)用的傳感系統(tǒng)具有重要意義，這些都有待發(fā)展。

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