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什么是光柵式傳感器？光柵式傳感器的工作原理

分類：技術(shù)中心 1800人瀏覽 2018-12-29

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光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測量精度。

光柵式傳感器工作原理

我們知道，光柵的Bragg波長lB由下式?jīng)Q定：

lB=2nL ⑴

式中，n—芯模有效折射率； L—光柵周期。

當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現(xiàn)對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術(shù)，還可實現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量和同時測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料（如壓電材料），對電場等物理量的間接測量也能實現(xiàn)。

1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理

上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)，光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對單參數(shù)的定點(diǎn)測量很有效，但在需要同時測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。此時，采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個不錯的選擇。

啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響，啁啾光纖光柵反射信號會拓寬，峰值波長也會發(fā)生位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性（dn/dT），僅會影響重心的位置。因此通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應(yīng)變和溫度。

2、長周期光纖光柵（LPG）傳感器的工作原理

長周期光纖光柵（LPG）的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進(jìn)包層，其公式如下：

li=(n0- niclad）·L ⑵

式中，n0—纖芯的折射率；niclad—i階軸對稱包層模的有效折射率。

光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨(dú)立的LPG可能在一個很寬的波長范圍上有許多的共振，其共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移，通過檢測Dli，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而適用于構(gòu)建多參數(shù)傳感器。

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。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸?。?biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um）、重量輕、耐溫性好（工作溫度上限可達(dá)400℃～600℃）、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)（傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里）、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn)，早在1988年就成功地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測當(dāng)中，同時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、煤礦等各個領(lǐng)域，以及在土木工程領(lǐng)域中（如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場跑道等）的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中測定結(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)，并進(jìn)一步實現(xiàn)智能建筑。

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