近几十年以来，电气传感器一向作为丈量物理与机械现象的规范设备发挥着它的效果。虽然它们在测验丈量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺点，例如信号传输进程中的损耗，简略受电磁噪声的搅扰等等。这些缺点会形成在一些特别的运用场合中，电气传感器的运用变得适当具有应战性，乃至彻底不适用。光纤光学传感器便是针对这些运用应战极好的处理办法，运用光束替代电流，而运用规范光纤替代铜线作为传输介质。
在曩昔的二十年中，光电子学的开展以及光纤通信职业中很多的改造极大地下降了光学器材的价格，提高了质量。经过调整光学器材职业的经济规划，光纤传感器和光纤仪器现已从实验室实验研讨阶段扩展到了现场实践运用场合，比方建筑结构健康监测运用等。
光纤传感器简介
从基本原理来看，光纤传感器会依据所测验的外部环境参数的改动来改动其传达的光波的一个或几个特点，比方强度、相位、偏振状况以及频率等。非固有型 （混合型） 光纤传感器只是将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤自身作为传感元件运用。
光纤传感技能的中心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波可以在其间心进行传达。光纤主要由三个部分组成：纤芯（core），包层（cladding）和维护层（buffer coating）。其间包层可以将纤芯宣布的杂散光波反射回纤芯中，以确保光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功用的完结原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传到达包层的时分会产生全内反射。最外面的维护层供给维护效果，防止外界环境或外力对光纤形成损坏。而且可以依据需求要强度和维护程序的不同，运用多层维护层。
图1. 典型光纤的横截面图
光纤布拉格光栅（FBS）传感器
光纤布拉格光栅传感器是一种运用频率最高，规模最广的光纤传感器，这种传感器能依据环境温度以及/或许应变的改动来改动其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是经过全息干与法或许相位掩膜法来将一小段光活络的光纤暴露在一个光强周期散布的光波下面。这样光纤的光折射率就会依据其被照耀的光波强度而永久改动。这种办法形成的光折射率的周期性改动就叫做光纤布拉格光栅。
当一束广谱的光束被传到达光纤布拉格光栅的时分，光折射率被改动今后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，如下面的方程 （1） 中所示。这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传达。
在方程 （1）中，λb 是布拉格波长，n 是光纤纤芯的有用折射率，而 Λ 是光栅之间的距离长度，称为光栅周期。
图2. 光纤布拉格光栅传感器的作业原理
由于布拉格波长是光栅之间的距离长度的函数（方程 （1） 中的Λ），所以光纤布拉格光栅可以被出产为具有不同的布拉格波长，这样就可以运用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。
图3. 光纤布拉格光栅透视图
应变以及温度的改动会一起影响光纤布拉格光栅有用的光折射率 n 以及光栅周期Λ ，形成的成果便是光栅反射光波波长的改动。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的改动可以近似地用方程 （2） 中的联系来表明：
其间 Δλ 是反射波长的改动而 λo 为初始的反射波长。
右边加号前的第一个表明式表明的是应变的改动对反射波长的影响。其间 pe 是应变光学活络系数，而 ε 是光栅所遭到应变影响。加号后边的第二个表达式表明的是温度的改动对波长形成的影响。其间 αΛ 是热膨胀系数而 αn 是温度光学活络系数。αn 表现了光折射率由于温度改动形成的影响而 αΛ 表现了相同的温度改动形成的光栅周期的改动。
正由于光纤布拉格光栅会一起遭到应变和温度改动的影响，所以在核算反射波长改动的时分既要一起考虑这两种要素，又要别离对其进行剖析。当进行温度丈量的时分，光纤布拉格光栅有必要坚持在彻底不受应变影响的条件下。你可以运用为此专门进行封装的FBG温度传感器，这种传感器能确保封装内部光纤布拉格光栅的特点不会耦合于任何外部的曲折，拉伸，揉捏或歪曲应变。在这种情况下，玻璃的热膨胀系数 αΛ 一般在有用中是可以疏忽的;所以，因温度改动而形成的反射波长的改动就可以主要由该光纤的温度光学活络系数 αn 来决议了。
光纤布拉格光栅应变传感器在某种程序上讲就愈加杂乱了，由于温度和应变会一起影响传感器的反射波长。为了正确地进行的丈量，在测验的时分，有必要针对温度对光纤布拉格光栅形成的影响进行补偿。为了完结这种补偿，可以运用一个与FBG应变传感器有杰出热触摸的FBG温度传感器来完结。得到测验成果今后，只需求简略地从FBG应变传感器测得的波长改动中减去由FBG温度传感器测得的波长改动就可以从方程 （2） 中消去加号右边的第二个表达式，这样做就补偿了应变测验中温度改动形成的影响了。
装置光纤布拉格光栅应变传感器的进程和装置传统的电气应变传感器的进程相似，而且FBG应变传感器有许多种不同的品种和装置办法可供挑选，包括环氧树脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。
打听办法
由于光纤布拉格光栅可以被植入不同的特定反射波长，所以可以运用它来完结杰出的波分复用 （WDM） 技能。这个特性使得可以在一条长距离的独立光纤上，以菊花链的方式衔接多个不同的具有特定布拉格波长的传感器。波分复用技能在可用的光学广谱中为每一个FBG传感器分配了一个特定的波长规模供其运用。由于光纤布拉格光栅固有的波长特性，就算在传输进程中由于光纤介质的曲折和传输形成了光强的损耗和衰减，传感器测得的成果也依然可以坚持精确。
每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的作业波长规模和波长打听器可打听的总波长规模决议了在一条独自的光纤上可以挂接的传感器的数量。一般来说，由于应变改动形成的波长改动会比温度改动形成的波长改动愈加显着，所以一般会为FBG应变传感器分配大约5纳米的作业波长规模，而FBG温度传感器则分配大约1纳米的作业波长规模。又由于一般的波长打听器能供给的测验规模大约为60到80纳米，所以一条光纤上挂接的传感器数量一般可以从1个到80个不等 – 当然，这要建立在各个传感器反射波长的区域在光谱规模内不会有堆叠 （图 4） 的基础上的。因而，在挑选FBG传感器的时分，需求细心地挑选标称波长以及作业波长规模来确保每一个传感器都有其独立的作业波长区域。
图4. 同一条光纤上挂接的每一个FBG传感器有必要具有其独立的作业波长规模
一般的FBG传感器会具有几个纳米的作业波长规模，所以光学打听器有必要可以完结分辨率为几个皮米乃至更小的丈量 – 一个适当小的量级。打听FBG光栅传感器可以有几种办法。干与计是一般运用的实验室设备，它可以供给适当高分辨率的光谱剖析。可是，这些仪器一般来说十分贵重，体积巨大而且不行巩固，所以在一些触及各种结构的现场监测的运用中，如风机叶片，桥梁，水管以及大坝等环境的监测中，这些仪器都不适用。
一种愈加巩固的办法是引入了电荷耦合器材 （charge-coupled device – CCD） 以及固定的涣散性单元，一般是指波长方位转化。
在这种办法中，会用一个广谱的光源照耀FBG传感器 （或许一系列FBG传感器）。这些反射光束会经过一个涣散性单元，涣散性单元会将波长不同的反射光束别离分配到电荷耦合器材（CCD）外表不同的方位上去。如下图5所示。
图5. 运用波长方位转化法打听FBG光学传感器
这种办法可以快速而且一起地对挂接在光纤上的一切FBG传感器进行丈量，可是它只供给了十分有限的分辨率以及信噪比 （SNR）。举例来说，假如咱们期望在80纳米的波长规模中完结1皮米的分辨率，那么咱们需求一个包括80，000个像素点的线性CCD器材，这个像素目标现已比现在在市面上可以找到的最好的线性CCD器材 （到2010年7月） 的目标高出了10倍以上。别的，由于广谱光源的能量是被涣散到一个很广的波长规模中，所以FBG反射光束的能量会十分小，有时分乃至会给丈量带来困难。
现在最盛行的办法是运用一个可调法珀滤波器来发明一束具有高能量，而且可以快速扫频的激光源来替代传统的广谱的光源。可调的激光源将能量会集在一个很窄的波长规模里边，供给了一个具有很高信噪比的高能量的光源。这种体系结构供给的高光学功率让运用一条光纤挂载多个光学通道成为可能，这样就能有用地削减多通道打听器的本钱而且下降体系的杂乱度。根据这种可调激光架构的打听器可以在一个相对大的波长规模里边以很窄的光谱带进行扫描，另一方面，一台光探测器将与这个扫描同步，丈量从FBG传感器反射回来的激光束。当可调激光器发射的激光波长与FBG传感器的布拉格波长符合的时分，光探测器就能丈量到相应的呼应。该呼应产生的时分可调激光的波长就对应了此刻FBG传感器处测得的温度以及/或许应变，如图 6所示。
图6. 用可调激光源法打听FBG光学传感器
运用这种办法进行打听可以到达大约1皮米的精度，对应到传统FBG传感器的精度便是约1.2微应变（FBG应变传感器）或约0.1摄氏度（FBG温度传感器）。由于可调激光源法相关于其它的办法来说具有很高的光学功率，所以这种打听法还可以适用于光纤长度更大 （超越10千米） 的丈量运用中。
FBG光学传感器的优势
经过运用光波替代电流以及运用规范光纤替代铜线作为传输介质，FBG光学传感处理了许多运用电气传感需求面对的应战和处理的困难。光纤和FBG光学传感器都是绝缘体，具有被动性电学特性，而且不受电磁感应噪声的影响。具有高光学功率可调激光源的打听器可以以很低的数据丢掉率乃至是零丢掉来完结长距离的丈量。一起，与电气传感器体系不同，一个光学通道可以一起完结多个FBG传感器的测验，极大地减小了测验体系的体积，分量以及杂乱度。
在一些外部环境条件恶劣的运用现场中，一些常用的电气传感器，例如箔应变片，热电偶，以及振弦式传感器现已很难运用乃至现已失效的情况下，光学传感器是一个十分抱负的处理办法。由于光学传感器的用处以及装置办法和这些传统的电气传感器相似，所以从电气测验计划过渡到光学测验计划会相对简略。假如可以对光纤和FBG的作业原理有一个比较好的了解，那将协助你更好地承受光学测验技能并驾御这种新技能所带来的一切优势。
来历：ECCN
