光栅式感测器 _生活百科

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光栅式感测器【光栅式感测器】光栅式感测器（optical grating transducer）指採用光栅叠栅条纹原理测量位移的感测器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。感测器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数位讯号输出，直接显示被测的位移量。感测器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不鏽钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种感测器的优点是量程大和精度高。光栅式感测器套用在程控、数控工具机和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有套用。
基本介绍中文名：光栅式感测器
外文名：optical grating transducer
类别：感测器
套用实践：1978 年
光纤光栅简介1978 年加拿大渥太华通信研究中心的K·O·Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并採用驻波写入法製成世界上第一根光纤光栅。19*，美国联合技术研究中心的G·Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV雷射侧面写入技术，使光纤光栅的製作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅製造技术的不断完善，其套用的成果日益增多，从光纤通信、光纤感测到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破。光纤光栅是利用光纤中的光敏性製成的。所谓光纤中的光敏性是指雷射通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可製造出许多性能独特的光纤器件，它们都具有反射频宽範围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅），二是透射光栅（也称为长周期光栅）。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。目前光纤光栅的套用主要集中在光纤通信领域和光纤感测器领域。在光纤感测器领域，光纤光栅感测器的套用前景十分广阔。由于光纤光栅感测器具有抗电磁干扰、尺寸小（标準裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃～600℃）、复用能力强、传输距离远（感测器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地套用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中，同时光纤光栅感测器还可套用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，以及在土木工程领域中（如建筑物、桥樑、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土组件和结构中测定结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智慧型建筑。工作原理我们知道，光栅的Bragg波长lB由下式决定：lB=2nL ⑴式中，n—芯模有效折射率； L—光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，还可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），对电场等物理量的间接测量也能实现。1、啁啾光纤光栅感测器的工作原理上面介绍的光栅感测器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时，採用啁啾光纤光栅感测器就就是一个不错的选择。啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而套用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅感测器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纤光栅除了DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这种感测器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn/dT），仅会影响重心的位置。因此通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。2、长周期光纤光栅（LPG）感测器的工作原理长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：li=(n0- niclad）·L ⑵式中，n0—纤芯的折射率；niclad—i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长範围上有许多的共振，其共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测Dli，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上共振带的回响通常有不同的幅度，因而适用于构建多参数感测器。套用在地球动力学中的套用在地震检测等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常複杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动範围演变的最有效手段心。光纤光栅感测器在这一领域中的套用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的应变通常包含静态和动态两种，静态应变（包括由火山产生的静态变形等）一般都定位于与地质变形源很近的距离，而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当準确的震源或火山源的位置，更好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力－应变测量仪。光纤光栅感测器是能实现远距离和密集排列复用感测的宽频、高网路化感测器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。有报导指出，光纤光栅感测器已成功检测了频率为0.1Hz～2Hz，大小为10-9 e的岩石和地表动态应变。在太空飞行器及船舶中的套用先进的複合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或太空飞行器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此複合材料越来越多地被用于製造航空航海工具（如飞机的机翼）。为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪下压力、甲板所受的抨击力，普通船体大约需要100个感测器，因此波长复用能力极强的光纤光栅感测器最适合于船体检测。光纤光栅感测系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了频宽为5kHz範围内、解析度小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超音波场和加速度情况，通常需要100多个感测器，故感测器的重量要儘量轻，尺寸儘量小，因此最灵巧的光纤光栅感测器是最好的选择。另外，实际上飞机的複合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅感测器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智慧型元件。在民用工程结构中的套用民用工程的结构监测是光纤光栅感测器最活跃的领域。对于桥樑、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况，方便进行维护和状况监测。光纤光栅感测器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，还以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅感测器可以串接成一个感测网路，对结构进行準分散式检测，并通过计算机对感测信号进行远程控制。光纤光栅感测器可以检测的建筑结构之一为桥樑。套用时，一组光纤光栅被粘于桥樑複合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中（便于防护）。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进複合筋。同时，为了修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的感测臂，并在每一个樑上均安装这两个臂。两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀*涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀*涉仪（FFPI），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来（免受应力影响），以测量和修正温度效应，同时实现了对三个量的测量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅感测器的优点，在5me的测量範围内，实现了小于 1me的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1ne/(Hz)1/2的动态应变灵敏度。在电力工业中的套用光纤光栅感测器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业套用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅感测器测量。在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化可使压电陶瓷（PZT）产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其形变，进而测知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要複杂的电隔离。另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此线上检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅感测器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化即可被粘于金属板上的光纤光栅感测器探测到。这是利用光纤光栅感测器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调製和解调。在医学中的套用医学中用的感测器多为电子感测器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波（辐射）频率、超音波场或雷射辐射的过高热治疗中。由于电子感测器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起感测头或肿瘤周围的热效应，这样会导致错误读数。近年来，使用高频电流、微波辐射和雷射进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注，而且感测器的小尺寸在医学套用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，而光纤光栅感测器正是目前为止能够做到的最小的感测器。它能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到目前为止，光纤光栅感测系统已经成功地检测了病变组织的温度和超音波场，在30℃～60℃的範围内，获得了解析度为0.1℃和精确度为±0.2℃的测量结果，而超声场的测量解析度为10-3atm/Hz1/2，这为研究病变组织提供了有用的信息。光纤光栅感测器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。在化学感测中的套用光纤光栅感测器可用于化学感测，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。长周期光栅（long period fiber grating，LPFG）与布拉格光纤光栅一样，也是由光纤轴上产生周期性的折射率调製而形成，其周期一般大于100μm 。它的耦合机理是：向前传输的纤芯基模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层模，包层模很快损失掉，所以LPFG基本上没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。LPFG对光纤包层材料折射率的变化比上述的光纤布拉格光栅更为敏感，包层材料折射率的任何变化都会改变传输光谱的特性，使吸收峰发生改变，所以长周期光栅折射率测量系统的解析度可实现10-7的灵敏度。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原则上，任何具有吸收峰谱并且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅进行探测。结束语除上述套用外，光纤光栅感测器还在其他领域得到了套用，并且许多方面的性能都比传统的机电类感测器更稳定、更可靠、更準确。光纤光栅感测器可以用于应力、应变或温度等物理量的感测测量，具有较高的灵敏度和测量範围。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，实现準分散式光纤感测。总之，光纤光栅感测器的套用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。目前对光纤光栅感测器的研究方向主要有三个方面：1、对感测器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高解析度、且能同时感测应变和温度变化的感测器研究；2、对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；3、对光纤光栅感测器的实际套用研究，包括封装技术、温度补偿技术、感测器网路技术。目前限制光纤光栅感测器套用的最主要障碍是感测信号的解调，正在研究的解调方法很多，但能够实际套用的解调产品并不多，而且价格较高。其次，光纤光栅感测器套用中的其他问题也非常重要，如： 1、由于光源频宽有限，而套用中一般要求光栅的反射谱不能重叠，因此可复用光栅的数目受到限制；2、如何实现在複合材料中同时测量多轴向的应变，以再现被测体的多轴向应变形貌；3、如何实现大範围、高精度、快速实时测量；4、如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的等。有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高解析度、大测量範围、多光栅复用的感测系统具有重要意义。光栅式感测器有如下特点　①精度高。光栅式感测器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于雷射干涉感测器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式感测器属于精度最高的。②大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式感测器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式感测器。③可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。④具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像雷射干涉感测器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式感测器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。