光纖光柵傳感器的缺點：光纖光柵傳感器

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光纖光柵傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor ）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。
中文名
光纖光柵傳感器
外文名
Fiber Grating Sensor
類    別
光纖傳感器
類    型
波長調(diào)制型光纖傳感器
分    類
溫度傳感器、加速度傳感器等
學    科
電子工程、物理
目錄
1
簡介
2
分類
?
應變
?
溫度
?
位移
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加速度計
?
壓力
3
特點
4
應用
光纖光柵傳感器簡介
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語音
光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感，即溫度與應變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應力的區(qū)分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現(xiàn)對溫度和應力區(qū)分測量。這些技術的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變傳感器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應變。區(qū)分測量技術大體可分為兩類，即多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優(yōu)缺點。FBG/LPG法解調(diào)簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強度低，信號解調(diào)困難。光纖光柵/F-P腔集成復用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測量精度高，精度可達20×10-6，1℃，但F-P的腔長調(diào)節(jié)困難，信號解調(diào)復雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號解調(diào)也比較復雜。單光纖光柵測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預制應變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機物對溫度和應力的響應不同增加光纖光柵對溫度或應力靈敏度，克服交叉敏感效應。這種方法的制作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實現(xiàn)區(qū)分測量。這種方法解調(diào)簡單，且解調(diào)為波長編碼避免了應力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量范圍偏小等問題。預制應變法是首先給光纖光柵施加一定的預應變，在預應變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復，從而導致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個光纖光柵有2個反射峰，一個反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對應變和溫度都敏感；另一個反射峰（未粘貼部分）只對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應變。
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光纖光柵傳感器分類
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語音
這些傳感器主要包括光纖光柵應變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等。
光纖光柵傳感器應變
此種傳感器是在工程領域中應用最廣泛，技術最成熟的光纖傳感器。應變直接影響光纖光柵的波長漂移，在工作環(huán)境較好或是待測結構要求精小傳感器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應變傳感器直接粘貼在待測結構的表面或者是埋設在結構的內(nèi)部。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝后才能使用。目前常用的封裝方式主要有基片式、管式和基于管式的兩端夾持式。
[1]
光纖光柵傳感器溫度
溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)，同時也是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P的一個重要物理量。目前，比較常用的電類溫度傳感器主要是熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。光纖溫度傳感與傳統(tǒng)的傳感器相比有很多優(yōu)點，如靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測等。基于光纖光柵技術的溫度傳感器，采用波長編碼技術，消除了光源功率波動及系統(tǒng)損耗的影響，適用于長期監(jiān)測;而且多個光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實現(xiàn)準分布式測量。溫度也是直接影響光纖光柵波長變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應用。同光纖光柵應變傳感器一樣，光纖光柵溫度傳感器也需要進行封裝，封裝技術的主要作用是保護和增敏，人們希望光纖光柵能夠具有較強的機械強度和較長的壽命，與此同時，還希望能在光纖傳感中通過適當?shù)姆庋b技術提高光纖光柵對溫度的響應靈敏度。普通的光纖光柵其溫度靈敏度只有0.010 nm/℃左右，這樣對于工作波長在1550nm的光纖光柵來說，測量100℃的溫度范圍波長變化僅為lnm。應用分辨率為lpm的解碼儀進行解調(diào)可獲得很高的溫度分辨率，而如果因為設備的限制，采用分辨率為0. 06nm的光譜分析儀進行測量，其分辨率僅為6度，遠遠不能滿足實際測量的需要。目前常用的封裝方式有基片式、管式和聚合物封裝方式等。
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光纖光柵傳感器位移
研究人員開展了應用光纖光柵進行位移測量的研究，目前這些研究都是通過測量懸臂梁表面的應變，然后通過計算求得懸臂梁垂直變形，即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器，目前這種傳感器在實際工程已取得了應用，國內(nèi)亦具有商品化產(chǎn)品。
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光纖光柵傳感器加速度計
1996年，美國的Berkoff等人利用光纖光柵的壓力效應設計了光纖光柵振動加速度計。轉(zhuǎn)換器由質(zhì)量板、基板和復合材料組成，質(zhì)量板和基板都是6mm厚的鋁板，基板作為剛性板起支撐作用，中間為8mm厚的復合材料夾在兩鋁板中間起彈簧的作用。在質(zhì)量塊的慣性力作用下，埋在復合材料中的光纖光柵受到橫向力作用產(chǎn)生應變，從而導致光纖光柵的布拉格波長變化。采用非平衡M-Z干涉儀對光纖光柵的應變與加速度間的關系進行解調(diào).1998年，Todd采用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器設計了光柵加速度計。加速度傳感器由兩個矩形梁和一個質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊通過點接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個矩形梁的下表面。在傳感器受到振動時，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊帶動兩個矩形梁振動使其產(chǎn)生應變，傳遞給光纖光柵引起波長移動。這種傳感器也在國內(nèi)已經(jīng)有了商品化的產(chǎn)品。
[2]
光纖光柵傳感器壓力
對拉力或壓力的監(jiān)測也是監(jiān)測的一部分重要內(nèi)容，如橋梁結構的拉索的整體索力、高緯度海洋平臺的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進萍等人相繼開發(fā)出了光纖光柵拉索壓力環(huán)和光纖光柵冰壓力傳感器，英國海軍研究中心開發(fā)了光纖光柵土壤壓力傳感器，用以監(jiān)測公路內(nèi)部的荷載情況。并且各國相繼開始光纖光柵油氣井壓力傳感器的研究工作。除以上介紹的光纖光柵傳感器外，光纖光柵研究人員和傳感器設計人員基于光纖光柵的傳感原理，還設計出光纖光柵伸長計，光纖光柵曲率計，光纖光柵濕度計，以及光纖光柵傾角儀，光纖光柵連通管等。此外，人們還通過光纖光柵應變傳感器制成用于測量公路運輸情況的運輸計、用于測量公路施工過程中瀝青應變的應變計等。
[2]
光纖光柵傳感器特點
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語音
1、抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶鸥蓴_的影響。2、電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構成的，而且無需電源驅(qū)動，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。3、耐腐蝕，化學性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料一石英具有極高的化學穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。4、體積小、重量輕，幾何形狀可塑。5、傳輸損耗小：可實現(xiàn)遠距離遙控監(jiān)測。6、傳輸容量大：可實現(xiàn)多點分布式測量。7、測量范圍廣：可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、 電壓、液位、液體濃度、成分等。
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光纖光柵傳感器應用
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語音
自從1989年美國的Morey等人首次進行光纖光柵的應變與溫度傳感器研究以來，世界各國都對其十分關注并開展了廣泛的應用研究，在短短的10多年時間里光纖光柵己成為傳感領域發(fā)展最快的技術，并在很多領域取得了成功的應用，如航空航天、土木工程、復合材料、石油化工等領域。1、土木及水利工程中的應用土木工程中的結構監(jiān)測是光纖光柵傳感器應用最活躍的領域。力學參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和健康狀況監(jiān)測是非常重要的.通過測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監(jiān)視結構的缺陷情況.。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡，對結構進行準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。2、在橋梁安全監(jiān)測中的應用目前， 應用光纖光柵傳感器最多的領域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關鍵受力構件，其他土木工程結構的預應力錨固體系，如結構加固采用的錨索、錨桿也是關鍵的受力構件。上述受力構件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況，因此對這些構件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一(1993 年)， 16 個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結構進行長期監(jiān)測， 而這在以前被認為是不可能。德國德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預應力混凝土橋， 德累斯頓大學的Meis－sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中， 測量荷載下的基本線性響應， 并且用常規(guī)的應變測量儀器作了對比試驗， 證實了光纖光柵傳感器的應用可行性。瑞士應力分析實驗室和美國海軍研究實驗室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中， 使用了32個光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時的準靜態(tài)應變進行了監(jiān)測， 32個光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進行信號解調(diào)。2003年6月，同濟大學橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測項目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。施工情況：整個檢測項目的實施主要包括傳感器布設、數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)分析三大步。在盧浦大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器，其中8個光纖光柵應變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然后通過光纖傳輸?shù)綐蚬芩瑢崿F(xiàn)大橋的集中管理。數(shù)據(jù)測量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來確定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡分析儀，完成橋梁的動態(tài)應變測試。3、在混凝土梁應變監(jiān)測中的應用1989年，美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結構中， 并描述了實際應用中這一研究領域的一些基本設想。此后， 美國、英國、加拿大、日本等國家的大學、研究機構投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結構中的應用。在混凝土結構澆注時所遇到的一個非常棘手的問題是： 如何才能在混凝土澆搗時避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫于普通單模通訊光纖上， 其質(zhì)地脆， 易斷裂， 為適應土木工程施工粗放性的特點， 在將其作為傳感器測量建筑結構應變時，應采取適當保護措施。一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應變傳感器的光纖線路后， 將混凝土應變傳感器用鐵絲等按照預定位置固定在鋼筋籠中， 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對粘貼式鋼筋應變傳感器一般則用外涂膠層進行保護。4、在水位遙測中的應用在光纖光柵技術平臺上研制出的高精度光學水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測量。傳感器的精度可以到達±0.1%F·S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長的光信號。當FBG與彈性膜片或其它設備連接在一起時，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。5、在公路健康檢測中的應用公路健康監(jiān)測必要性：交通是與人們息息相關的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個城市的發(fā)展命運。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護上，其中維護費用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。而破壞一般都是因為汽車超載，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關系。所以在公路施工過程以及使用過程中進行健康檢測是非常有必要的。現(xiàn)在的公路一般分三層進行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應變傳感器可以及時得到溫度以及應變的變化情況，對公路質(zhì)量進行實時監(jiān)控。詳細了解施工材料的特點以及影響施工質(zhì)量的因素。
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2019-07-020
參考資料
1.

賈宏志. 光纖光柵傳感器的理論和技術研究[D].中國科學院西安光學精密機械研究所,2001.
2.

李科. 光纖光柵傳感器的研究[D].太原科技大學,2008.

光纖光柵傳感器的缺點：光纖光柵傳感器技術難點與大成永盛解決方案

本文從原理上分析了光纖光柵傳感器的缺點，提出了北京大成永盛科技有限公司針對光纖光柵應力傳感器和光纖光柵應變傳感器的溫度補償解決方案，同時提及了光纖光柵串和準分布式光纖光柵傳感器。
在上一篇《北諾?毛細?光纖光柵傳感器基本原理之二，光纖光柵傳感原理》文章中，我們了解到，光纖光柵傳感器能夠直接測量的基本物理量包括了應力、應變和溫度，其根本原因在于傳感器中的光纖光柵柵距（光柵周期）和三個基本物理參量有直接的聯(lián)系，分別是力（拉力壓力）、長度（變長變短）和溫度（受熱遇冷）。其中力的變化和溫度變化都是屬于原因，而長度變化屬于結果（光纖光柵示意詳見下圖1）。
圖1
以上結論構成了光纖光柵傳感器進行傳感的理論基礎，但也帶來了一個新的挑戰(zhàn)或者說技術難點（其根本原因也即光纖光柵的固有缺點）。擺在人們面前的問題在于，當你使用光纖光柵傳感器進行傳感檢測時，你發(fā)現(xiàn)你所檢測到的反射光波長發(fā)生了變化（對應了光纖光柵柵距的變化），你如何確定這種變化是由于力的變化引起的，還是由于溫度的變化引起的？這個問題不解決，你就沒有辦法確定你所生產(chǎn)的產(chǎn)品是哪一種光纖光柵傳感器（光纖光柵溫度傳感器？光纖光柵應力傳感器？還是光纖光柵應變傳感器？），也沒有辦法確定你的光纖光柵傳感器在測量時是準確的。
我們很感謝這個偉大的時代，北京大成永盛科技有限公司很幸運地站在多個行業(yè)內(nèi)巨人的肩上，創(chuàng)造性地把現(xiàn)代冶金制管行業(yè)與光纖光柵傳感行業(yè)相結合，推出了自己的解決方案，基本解決了溫度和應力應變分離的難題，所形成的產(chǎn)品就是北諾?毛細?系列光纖光柵傳感器（原理圖及封裝結構詳見圖2、圖3）。
圖2
圖3
上圖2即為北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（01型），我們可以負責任地告訴大家，該款光纖光柵溫度傳感器從原理到實測結果均完美地實現(xiàn)了溫度和應力應變的分離（其原理及實驗證明我們將在后續(xù)文章中陸續(xù)給出）。同時該款產(chǎn)品具有靈敏度高、熱傳導快、準確度好以及體積小、重量輕、高抗拉、高抗壓、耐高溫、防水防潮、無可燃物、耐腐蝕等特點，是一款創(chuàng)新型的光纖光柵溫度傳感器。借助于這款產(chǎn)品，我們希望，大成永盛能夠幫助整個光纖光柵傳感行業(yè)向前邁進一小步，實現(xiàn)整個行業(yè)的進一步發(fā)展。
上圖3為北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵應力應變傳感器（02型），該款產(chǎn)品雖然未能單獨實現(xiàn)溫度和應力應變的分離，但是卻可以通過和北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（01型）配套使用解決溫度和應力應變分離的難題，原理如下圖4所示。
圖4
為了更好的理解上面這一張圖，我們首先要補充一個光纖光柵的基本知識：光纖光柵傳感器使用靈活的一個表現(xiàn)就是可以實現(xiàn)多點傳感，理論上我們可以在一根傳感器里刻寫無數(shù)個不同波長的光纖光柵，實現(xiàn)對同一或多個物理參量的分布式檢測（產(chǎn)品對應為北諾?毛細?準分布式光纖光柵傳感器）。具體例子詳見下圖5，該圖所示光纖刻寫了9個不同波長的光纖光柵串，能夠?qū)崿F(xiàn)9個點的同時測量。
圖5
圖6
（請原諒我隨手拍照有點渣，上圖顯示了一條刻寫了8個不同波長的光纖光柵串在光頻譜儀上的波長分布）
接著返回上圖4的例子。我們使用了兩根北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵傳感器，傳感器1和傳感器2，兩根傳感器具有不同的波長。傳感器1對于溫度和應力應變都敏感，傳感器2只對溫度敏感，他們處于同一環(huán)境，有相同的溫度。對于傳感器1來說，它的波長變化里既包括了溫度的影響，又包括了應力應變的影響，但是此時我們已經(jīng)知道了它的溫度（準確溫度來自于傳感器2），我們就可以扣除溫度對它波長變化的影響，只剩下應力應變的影響（計算原理詳見公式：ΔλＢ   ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ）。此時在這個傳感器套裝里，它就是一根測試準確的應力應變傳感器（這一計算過程被稱為光纖光柵傳感器的溫度補償）。
由以上論述可知，北京大成永盛科技有限公司所生產(chǎn)的北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器，確實實現(xiàn)了溫度和應力應變的分離，克服了光纖光柵的固有缺點。其核心在于，北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器測溫準確，不受應力應變的影響。大成永盛靠什么做到這一點？其原理和奧秘我們將在下一篇文章中開始揭示，敬請期待！
我們的理念是：“北諾?，讓光纖不脆弱！”
聲明：本公司系列產(chǎn)品多包含了包括商標和專利在內(nèi)的多項知識產(chǎn)權，為推動行業(yè)發(fā)展和技術進步，北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器產(chǎn)品價格適中，鼓勵大家正規(guī)渠道購買。未經(jīng)授權，請勿仿制！
本文轉(zhuǎn)載自北京大成永盛科技有限公司官網(wǎng)："光纖光柵傳感器技術難點與大成永盛解決方案"一文,本文內(nèi)容有時會有更新和修訂。

光纖光柵傳感器的缺點：光纖光柵傳感器相比一般傳感器具有哪些優(yōu)點

描述
隨著科技信息的迅猛發(fā)展，越來越多的高新技術應用到生活，并服務于人們的生活。而傳感器作為智能系統(tǒng)的“感官”，扮演著越來越重要的角色。只有保證信息準確無誤差、穩(wěn)定而不間斷，才能成為保證智能系統(tǒng)連續(xù)有效運行的前提。
傳感技術已被列入國家高新重點技術
傳感技術作為智能系統(tǒng)中的“感官”在不斷推成出新的信息產(chǎn)業(yè)中扮演著越來越重要的角色，對外界大量的信息進行精確的收集并且不斷的更新保證信息反饋成為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運作的前提。對于在機械、電子、測量、控制等領域，傳感器是必不可少的關鍵部件。試想如果沒有傳感器，那么我們所需要的各種檢測信息從何而來，這樣一來支撐現(xiàn)代人類文明的科學技術就不能得到發(fā)展，整體人類社會也會因此停滯不前，惟有作為“大腦”的計算機技術和“感官”的傳感器技術協(xié)調(diào)發(fā)展才能促進科學技術的不斷發(fā)展進步。
傳感器已經(jīng)存在于人類生活的各個領域，為此，在80年代初期，發(fā)達國家就已經(jīng)對傳感器在科技領域的作用進行了新的評估，美國的80年代被稱為傳感器時代，同時把傳感器技術列為90年代中最重要的關鍵技術之一，日本也曾把傳感技術列為科研領域十大技術之首，在我國的“863計劃”、“科技攻關”等計劃中也把傳感器的研究放在重要位置。
一、傳感器的定義
傳感器的定義是：感受并且接受到特定規(guī)律的的某種信號并且可以將這種信號轉(zhuǎn)換為可用信號的一種裝置。在一般情況下，傳感器由敏感部分以及將相應規(guī)律信號轉(zhuǎn)換為可用信號的電子線路組成。光纖傳感器是70年代起伴隨著光纖通信技術的飛速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型的傳感器，經(jīng)過30多年的不斷研究發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進步，各種各樣種類繁多的光纖傳感器被開發(fā)出來并應用到實際生活當中。傳統(tǒng)的傳感器以電信號為載體，利用導線進行信號傳輸，因此會受到各種外界壞境的干擾，例如會受到強磁、高溫、高壓等的影響，而光纖傳感器則以光為傳輸載體，有體積小、重量輕、靈敏度高，抗電磁干擾、電絕緣性能好等特點，利用光信號傳輸?shù)奶厥庑裕梢赃m用在高溫、高壓、強腐蝕性、高爆炸危險性的檢測環(huán)境中，可以對溫度、壓力、位移等各種待測量進行高精度測量。
自1970年第一根光纖被制作出來應用到實際工程當中以來，檢測振動、壓力、加速度、溫度等待測量的光纖傳感器相繼被開發(fā)出來。1989年光纖光柵首次被引入做傳感后，引起來各方面的廣泛關注，各國政府都投入了大量的人力、物力、資金對此進行了深入仔細的研究，光纖光柵作為一個傳感元器件，它具備一般電傳感器無法比擬的優(yōu)點：
（1）光纖光柵傳感器較普通傳感器在強干擾和強腐蝕的檢測環(huán)境下具有無可比擬的優(yōu)勢，更加適合在惡劣的環(huán)境下工作；同時對微弱信號的處理上可以實現(xiàn)實時處理和長距離精確傳輸；光纖光柵傳感頻帶寬、動態(tài)范圍大而且測量精度和靈敏度高，易于埋入或附著結構體表面，可以實時提供結構體安全性等方面的信息。
（2）由于光的波長是光的一種固有屬性，對于被檢測的信息進行采用波長進行編碼，其待測信息不受到光源功率、光纖彎曲以及其他元器件老化等因素的影響，具備較高的準確和穩(wěn)定性。
（3）光纖光柵結構簡單，尺寸較小所以適用范圍很廣，特別針對一些大型的結構或者智能系統(tǒng)，可以對其內(nèi)部的溫度、壓力等參量進行高分辨率的精準測量。
（4）光纖網(wǎng)絡的具備很強的復用性，在同一根光纖上可以安裝多個獨立的光纖光柵，多個光柵組成的傳感網(wǎng)絡可以實現(xiàn)對待測量實時的分布式測量。
光纖光柵傳感器以其獨特的優(yōu)勢經(jīng)過持續(xù)不斷的發(fā)展已經(jīng)成為了光纖通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。近年來，人們的研究熱點開始從成熟的光纖通信技術向光纖傳感技術轉(zhuǎn)移。由于其獨特的優(yōu)點和市場廣闊的發(fā)展前景，光纖傳感器飛躍發(fā)展，且展現(xiàn)出極為廣闊的前景。
自80年代起，傳感技術就已被列入國家高新重點技術。其中，光纖光柵更是占據(jù)著非常重要的地位。因我國在光纖領域研發(fā)時間不夠長，加上前期投入資金不足，造成我國的光纖光柵傳感技術相對落后于發(fā)達國家。但近年來，在國家863計劃、國家自然基金以及其他各種專項基金的支持下，國內(nèi)在光纖光柵傳感領域取得了快速的發(fā)展。且光纖傳感技術結合光纖特有的性質(zhì)，無論是在準確性、穩(wěn)定性、抗干擾能力還是在價格成本等方面具有較大的優(yōu)勢從而迅速成為傳感領域研究的焦點。
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光纖光柵傳感器的缺點：光纖光柵傳感技術的基本原理及其優(yōu)缺點

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基本原理
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性：即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。
常用的Bragg光纖光柵屬于反射型工作器件，當光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（下圖中Ιi）通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光（下圖中Ιr），并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光（下圖中Ιt）則直接透射過去，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處進行反射，多個光纖光柵陣列形成光纖光柵傳感網(wǎng)絡。
各光纖光柵反射光的中心波長λ為：
（1）
式中n為纖芯的有效折射率；Λ為纖芯折射率的調(diào)制周期。目前，在結構變形和溫度監(jiān)測中，普遍采用周期Λ＜1 μm的短周期光纖光柵傳感器，其反射波長人稱為Bragg波長。根據(jù)式（1），解調(diào)出反射光波長即可以尋址到光纖光柵傳感網(wǎng)絡中每個傳感器。
反射回來的窄帶光的中心波長隨著作用于光纖光柵的溫度和應變成線性變化，中心波長的變化量為：
（2）
式中ε為應變量；Δt為溫度變化量。由式（2）可知，光纖光柵反射光中心波長同時受溫度和應變的影響，比較成熟的方法是采用同種溫度環(huán)境下的光纖光柵溫度補償傳感器進行克服。
光纖光柵傳感器可以用于應力、應變或溫度等物理量的傳感測量，具有較高的靈敏度和測量范圍。在光纖若干個部位寫入不同柵距的光纖光柵，就可以同時測定若干部位相應物理量及其變化，實現(xiàn)準分布式光纖傳感。
光纖光柵傳感技術的優(yōu)點在于：
1）抗電磁干擾，傳輸距離遠。
2）多個不同類型的傳感器可以在一條光纖上串接復用，增加了系統(tǒng)容量。
3）以反射光的中心波長表征被測量，系統(tǒng)安裝及長期使用過程中無需定標。
4）適合結構健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)中長距離動靜態(tài)應變信號（電壓信號微弱，易受干擾）的采集。
光纖光柵傳感技術的缺點在于：
1）光纖光柵直接反映應變和溫度耦合的變化，在測量應變時，必須進行溫度補償。
2）光纖光柵較適用于測量基于應變和溫度變化的靜態(tài)或準靜態(tài)物理量（如應變、應力、溫度、位移、索力、壓力等），不適用于測量動態(tài)信號（如振動信號）和 濕度、風速等信號。
3）光纖光柵傳感器和解調(diào)設備不便于現(xiàn)場調(diào)試。為減少光纖信號損耗并避免空氣或灰塵進入法蘭盤導致激光無法傳輸，一般使用光纖熔接的方式接聯(lián)傳感器，這樣不能滿足在現(xiàn)場調(diào)試階段經(jīng)常拆換傳感器的需要。
4）現(xiàn)有的解調(diào)設備往往由工控機構成，工作溫濕度范圍、抗震及耐腐蝕性能受限，不耐惡劣環(huán)境。
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關于VISN-iFBG-S15光纖光柵解調(diào)儀
VISN-iFBG-S15是適合光纖布拉格光柵（FBG）光學傳感器的15通道光纖光柵解調(diào)儀。2Hz采樣頻率可以測量低速變化的溫度、應變和壓力等物理參數(shù)。內(nèi)置大功率波長掃描型激光器，每個光學通道具有80nm波長范圍（1510nm~1590nm），波長解調(diào)精度達1pm，可同時連接16個FBG傳感器（取決于傳感器波長范圍）。解調(diào)儀支持GPS同步，便于采集站間同步，適用于橋梁、大壩、建筑物等長期狀態(tài)監(jiān)測。
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