光纖光柵傳感器原理與應用特點

近年來，隨著光纖技術日新月異的發展，出現了大量新型的光纖和光纖器件，同時伴隨著各類新型光源和光纖探測器的使用，光纖傳感技術在技術發展和實際應用上有了突破性進展。

光纖傳感器作為光纖的重要應用受到越來越多的關注，其所具有的體積小、重量輕和靈敏度高等應用特性，在防磁場干擾、防腐蝕、防水性和耐高溫高壓等方面有著傳統電子傳感器無可比擬的應用優勢。
光纖光柵傳感技術是光纖傳感技術領域重要的分支，其傳感原理為外界物理參量變化引起光纖光柵中心波長漂移，通過監測光纖光柵中心波長大小獲得物理參量具體信息，從而實現傳感。光纖光柵傳感器是一種波長調制型光纖傳感器，除普通光纖傳感器特性外，具有測量精度更高、分辨率更好以及更適合分布式測量等特點。

光纖光柵傳感器原理與應用特點

由于光誘導作用可以在摻鍺的光纖中產生光柵效應，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、制作方法及實際應用被大量研究人員進行了深入研究。
光纖的主要材料為石英，由芯層和包層構成，外層由涂覆層保護。通過對其芯層摻雜，使芯層折射率(n1)大于包層折射率(n2)，形成光波導，光即可在芯層中傳播。當光纖受到外界因素調制，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，簡化了制作過程，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，FBG)，FBG也是發展最早，應用最廣的光纖光柵之一。

光纖光柵基本傳感原理

通過某種方式在光纖纖芯上形成空間相位光柵，當光通過光纖光柵時，前向傳輸與后向傳輸的纖芯模式之間發生模式耦合，使得前向傳輸的纖芯模式轉移為后向傳輸的纖芯模式，即反射了波長在光纖光柵中心反射波長(λB)的入射光，光纖光柵中心反射波長受應變和溫度影響，可通過監測光纖光柵中心反射波長的大小，實現對應變和溫度的傳感。其他物理參量如壓強、位移等，均可轉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現對各物理參量的傳感。

光纖光柵應用特點

基于光纖光柵本身材料特性和結構特征，以及其傳感原理，其具有很多顯著的優點。

(1)體積小、重量輕、結構簡單與外形可變。

通常光纖光柵只有3～5 cm長度，光纖質量又輕，光纖光柵傳感頭是一種小巧靈活、便于攜帶的器件，且可根據光纖光柵傳感器實際使用情況，進行不同類型的封裝以滿足不同的傳感需求。

(2)化學穩定性好。

光纖光柵的主要構成材料為二氧化硅，而二氧化硅有著良好的化學穩定性，故光纖光柵傳感器防腐蝕性強，適用于化學腐蝕性的惡劣環境，也適用于各類生物體環境。

(3)物理穩定性好。

光纖光柵主要構成材料為二氧化硅，故光纖光柵對電絕緣，同時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，尤其適用于輻射強度大的惡劣環境，如應用于核磁檢測等特殊環境下的醫用檢測。

(5)傳感靈敏度高。

光纖光柵通過監測中心反射波長的變化實現傳感，故測量靈敏度高，由于很多醫學檢測的變化量均極小，一些普通傳感器無法測量出變化量，故光纖光柵的這一特性確保其可應用于醫療設備傳感領域。

(6)測量準確度高。

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

(7)分布式實時測量。

利用多種復用技術可將多個光纖光柵串聯，形成一個分布式傳感網絡，測量多個點的物理量。測量數據通過光纖實時傳輸到探測器，最終實現對多個物理量的實時檢測。此特性可滿足醫用傳感器多參數測量的要求。

(8)測量范圍廣。

通過對光纖光柵結構和封裝設計，可實現對各類物理參量的測量，如應變、溫度、壓力、旋轉速度以及pH值和濕度。