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,例如信号传输过程中的损耗,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解决办法,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降低了光学器材的价格,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。这个功用的完成原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高,这样光波从纤芯传达到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。并且可以依据需要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灵敏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达到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