FBG 光學(xué)傳感器基礎(chǔ)

　　右邊加號前的第一個(gè)表示式表示的是應(yīng)變的變化對反射波長的影響。其中 pe 是應(yīng)變光學(xué)靈敏系數(shù)，而 ε 是光柵所受到應(yīng)變影響。加號后面的第二個(gè)表達(dá)式表示的是溫度的變化對波長造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹系數(shù)而 αn 是溫度光學(xué)靈敏系數(shù)。αn 體現(xiàn)了光折射率因?yàn)闇囟茸兓斐傻挠绊懚?αΛ 體現(xiàn)了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。

　　正因?yàn)楣饫w布拉格光柵會同時(shí)受到應(yīng)變和溫度變化的影響，所以在計(jì)算反射波長變化的時(shí)候既要同時(shí)考慮這兩種因素，又要分別對其進(jìn)行分析。當(dāng)進(jìn)行溫度測量的時(shí)候，光纖布拉格光柵必須保持在完全不受應(yīng)變影響的條件下。你可以使用為此專門進(jìn)行封裝的FBG溫度傳感器，這種傳感器能保證封裝內(nèi)部光纖布拉格光柵的屬性不會耦合于任何外部的彎曲，拉伸，擠壓或扭曲應(yīng)變。在這種情況下，玻璃的熱膨脹系數(shù) αΛ 通常在實(shí)用中是可以忽略的;所以，因溫度變化而造成的反射波長的改變就可以主要由該光纖的溫度光學(xué)靈敏系數(shù) αn 來決定了。

　　光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器在某種程序上講就更加復(fù)雜了，因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變會同時(shí)影響傳感器的反射波長。為了正確地進(jìn)行的測量，在測試的時(shí)候，必須針對溫度對光纖布拉格光柵造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，可以使用一個(gè)與FBG應(yīng)變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來完成。得到測試結(jié)果以后，只需要簡單地從FBG應(yīng)變傳感器測得的波長改變中減去由FBG溫度傳感器測得的波長改變就可以從方程 (2) 中消去加號右邊的第二個(gè)表達(dá)式，這樣做就補(bǔ)償了應(yīng)變測試中溫度變化造成的影響了。

　　安裝光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的過程和安裝傳統(tǒng)的電氣應(yīng)變傳感器的過程類似，而且FBG應(yīng)變傳感器有許多種不同的種類和安裝方法可供選擇，包含環(huán)氧樹脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。

　　探詢方法

　　由于光纖布拉格光柵可以被植入不同的特定反射波長，所以可以利用它來實(shí)現(xiàn)良好的波分復(fù)用 (WDM) 技術(shù)。這個(gè)特性使得可以在一條長距離的獨(dú)立光纖上，以菊花鏈的形式連接多個(gè)不同的擁有特定布拉格波長的傳感器。波分復(fù)用技術(shù)在可用的光學(xué)廣譜中為每一個(gè)FBG傳感器分配了一個(gè)特定的波長范圍供其使用。由于光纖布拉格光柵固有的波長特性，就算在傳輸過程中由于光纖介質(zhì)的彎曲和傳輸造成了光強(qiáng)的損耗和衰減，傳感器測得的結(jié)果也仍然能夠保持準(zhǔn)確。

　　每一個(gè)獨(dú)立的光纖布拉格光柵傳感器的工作波長范圍和波長探詢器可探詢的總波長范圍決定了在一條單獨(dú)的光纖上可以掛接的傳感器的數(shù)量。一般來說，因?yàn)閼?yīng)變改變造成的波長改變會比溫度改變造成的波長改變更加明顯，所以一般會為FBG應(yīng)變傳感器分配大概5納米的工作波長范圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長范圍。又因?yàn)橥ǔ５牟ㄩL探詢器能提供的測試范圍大概為60到80納米，所以一條光纖上掛接的傳感器數(shù)量一般可以從1個(gè)到80個(gè)不等 – 當(dāng)然，這要建立在各個(gè)傳感器反射波長的區(qū)域在光譜范圍內(nèi)不會有重疊 (圖 4) 的基礎(chǔ)上的。因此，在選擇FBG傳感器的時(shí)候，需要仔細(xì)地選擇標(biāo)稱波長以及工作波長范圍來保證每一個(gè)傳感器都有其獨(dú)立的工作波長區(qū)域。

　　一般的FBG傳感器會擁有幾個(gè)納米的工作波長范圍，所以光學(xué)探詢器必須能夠完成分辨率為幾個(gè)皮米甚至更小的測量 – 一個(gè)相當(dāng)小的量級。探詢FBG光柵傳感器可以有幾種方法。干涉計(jì)是通常運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，它可以提供相當(dāng)高分辨率的光譜分析。但是，這些儀器一般來說非常昂貴，體積龐大并且不夠堅(jiān)固，所以在一些涉及各種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測的應(yīng)用中，如風(fēng)機(jī)葉片，橋梁，水管以及大壩等環(huán)境的監(jiān)測中，這些儀器都不適用。

　　一種更加堅(jiān)固的方法是引入了電荷耦合器件 (charge-coupled device - CCD) 以及固定的分散性單元，一般是指波長位置轉(zhuǎn)換。

　　在這種方法中，會用一個(gè)廣譜的光源照射FBG傳感器 (或者一系列FBG傳感器)。這些反射光束會通過一個(gè)分散性單元，分散性單元會將波長不同的反射光束分別分配到電荷耦合器件(CCD)表面不同的位置上去。如下圖5所示。

　　圖5. 使用波長位置轉(zhuǎn)換法探詢FBG光學(xué)傳感器

　　這種方法可以快速并且同時(shí)地對掛接在光纖上的所有FBG傳感器進(jìn)行測量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比 (SNR)。舉例來說，如果我們希望在80納米的波長范圍中實(shí)現(xiàn)1皮米的分辨率，那么我們需要一個(gè)包含80,000個(gè)像素點(diǎn)的線性CCD器件，這個(gè)像素指標(biāo)已經(jīng)比目前在市面上能夠找到的最好的線性CCD器件 (截至2010年7月) 的指標(biāo)高出了10倍以上。另外，因?yàn)閺V譜光源的能量是被分散到一個(gè)很廣的波長范圍中，所以FBG反射光束的能量會非常小，有時(shí)候甚至?xí)o測量帶來困難。