近几十年至今，电气设备感应器一直做为精确测量物理学与机械设备状况的规范机器设备充分发挥着它的功效。虽然他们在检测精确测量中无所不在，但做为电化的机器设备，她们拥有不可或缺的缺点，比如数据信号传递流程中的耗损，非常容易受电磁感应噪音的影响这些。这种缺点会导致在一些特别的运用场所中，电气设备感应器的应用越来越非常具备趣味性，乃至彻底不适合。光纤线光学传感器便是对于这种运用挑戰很好的解决方案，应用光线替代电流量，而应用规范光纤线替代铜心线做为传输方式。

过去的二十年中，光电子学的快速发展及其光纤通信系统领域中很多的创新很大地减少了电子光学元器件的价钱，提升 了品质。根据调节电子光学元器件领域的资金经营规模，光纤传感器和光纤线仪器设备早已从试验室实验研究分析环节拓展到当场具体使用场所，例如建筑构造健康监测运用等。

光纤传感器介绍

从基本概念看来，光纤传感器会依据所检测的环境因素主要参数的转变来更改其传递的光波的一个或好多个特性，例如抗压强度、相位差、光的偏振情况及其頻率等。非原有型 （复合型） 光纤传感器只是将光纤线做为光波在设施与感测器元器件相互间的传输方式，而原有型光纤传感器则将光纤线自身做为感测器元器件应用。

光纤传感技术性的核心内容是光纤线–一条苗条的夹层玻璃线，光波可以在其管理中心开展散播。光纤线关键由三个一部分构成：纤芯（core），绝缘层（cladding）和防护层（buffer coating）。在其中绝缘层可以将纤芯传出的杂散光波反射面回纤芯中，以确保光波在纤芯中具备较低的传送耗损。这一作用的建立机理是纤芯的光折光率比绝缘层的折光率高，那样光波从纤芯散播到绝缘层的过程中会产生全内反射面。最外边的防护层给予保障功效，防止外部自然环境或外力作用对光纤线导致毁坏。并且能够按照需用要抗压强度和维护程序流程的不一样，应用双层防护层。

图1. 典型性光纤线的截面图

光纤线华沙光栅尺（FBS）感应器

光纤线华沙光栅传感器是一种应用頻率最大，范畴最广泛的光纤传感器，这类感应器能依据工作温度及其/或是应变力的转变来更改其反射面的光波的光波长。光纤线华沙光栅尺是根据全息投影干预法或是相位差掩膜法来将一小段光比较敏感的光纤线曝露在一个光照强度周期时间遍布的光波下边。那样光纤线的光折光率便会依据其被光照的光波抗压强度而永久性更改。这类办法产生的光折光率的规律性转变就称为光纤线华沙光栅尺。

当一束广谱性的光线被推广到光纤线华沙光栅尺的情况下，光折光率被更改之后的每一小段光纤线就只能反射面一种特殊光波长的光波，这一光波长称之为华沙光波长，如下边的方程式 （1） 中所显示。这类特点就使光纤线华沙光栅尺只反射面一种特殊光波长的光波，而其余光波长的光波都是会被散播。

在方程式 （1）中，λb 是华沙光波长，n 是光纤线纤芯的合理折光率，而 Λ 是光栅尺中间的间距长短，称之为光栅尺周期时间。

图2. 光纤线华沙光栅传感器的原理

由于华沙光波长是光栅尺中间的间距长短的涵数（方程式 （1） 中的Λ），因此 光纤线华沙光栅尺能够被生产制造为有着不一样的华沙光波长，那样就可以采用不一样的光纤线华沙光栅尺来反射面特殊光波长的光波。

图3. 光纤线华沙光栅尺透视图

应变力及其气温的更改会一起危害光纤线华沙光栅尺合理的光折光率 n 及其光栅尺周期时间Λ ，导致的結果便是光栅尺反射面光波波长的更改。光纤线华沙光栅尺反射面光波长随应变力和环境温度的改变能够类似用方程式 （2） 中的关联来表明：

在其中 Δλ 是反射面光波长的变动而 λo 为原始的反射面光波长。

右侧减号前的第一个表明式表明的是应变力的变动对反射面光波长的危害。在其中 pe 是应变力电子光学灵巧指数，而 ε 是光栅尺所遭受应变力危害。减号后边的第二个关系式表明的是气温的变动对光波长导致的危害。在其中 αΛ 是线膨胀系数而 αn 是溫度电子光学灵巧指数。αn 展现了光折光率由于溫度变动引起的干扰而 αΛ 展现了一样的气温变动引起的光栅尺周期时间的更改。

正由于光纤线华沙光栅尺会与此同时遭受应变力和气温改变的危害，因此 在预估反射面光波长改变的过程中既要与此同时考虑到这2种要素，又要各自对其实现剖析。当开展温度检测的情况下，光纤线华沙光栅尺务必保证在彻底不会受到应变力危害的标准下。你能应用因此专业开展封裝的FBG温度感应器，这类感应器能确保封裝內部光纤线华沙光栅尺的特性不容易藕合于一切外界的弯折，拉申，挤压成型或歪曲应变力。在这样的情形下，夹层玻璃的线膨胀系数 αΛ 一般 在适用中是能够 忽视的;因此 ，因环境温度改变而导致的反射面光波长的更改就可以关键由该光纤线的溫度电子光学灵巧指数 αn 来决策了。

光纤线华沙光栅尺应变力感应器在某些程序流程上讲就更为繁杂了，由于气温和应变力会一起危害感应器的反射面光波长。为了更好地合理地开展的精确测量，在检测的情况下，务必对于溫度对光纤线华沙光栅尺导致的危害开展赔偿。为了更好地达到这类赔偿，能够应用一个与FBG应变力感应器有优良热触碰的FBG温度感应器来进行。获得检测結果之后，只须要简易地从FBG应变力感应器测出的光波长更改中减掉由FBG温度感应器测出的光波长更改就可以从方程式 （2） 中消除减号右侧的第二个关系式，那样做就弥补了应变力检测中气温变动引起的危害了。

安裝光纤线华沙光栅尺应变力感应器的历程和安裝传统式的电气设备应变力感应器的流程相近，并且FBG应变力感应器有很多种不一样的类别和安装方法可选择，包括环氧树脂胶型，可电焊焊接型， 地脚螺栓固定不动型和内嵌式型。

探寻方式

因为光纤线华沙光栅尺能够被嵌入不一样的特殊反射面光波长，因此 能够运用它来达到较好的波分复用 （WDM） 技术性。这一特点促使能够在一条远距离的单独光纤线上，以菊花链的方式联接好几个不一样的有着特殊华沙光波长的感应器。波分复用技术性在可以用的电子光学广谱性中为每一个FBG感应器分派了一个特殊的光波长范畴供其应用。因为光纤线华沙光栅尺原有的光波长特点，即使在传送流程中因为光纤线物质的变形和传送导致了光照强度的消耗和衰减系数，感应器测出的效果也依然可以维持精确。

每一个单独的光纤线华沙光栅传感器的运行光波长范畴和光波长探寻器可探寻的总光波长范畴确定了在一条独立的光纤线上能够建空的感应器的总数。一般来说，由于应变力更改引起的光波长更改会比溫度更改引起的光波长更改更为显著，因此 一般会为FBG应变力感应器分派大约5纳米技术的运行光波长范畴，而FBG温度感应器则分派大约1纳米的运行光波长范畴。又由于一般的光波长探寻器能给予的检测范畴大约为60到80纳米技术，因此 一条光纤线上建空的感应器总数一般能够从1个到80个不一 – 自然，这要创建在每个感应器反射面光波长的地区在光谱仪范畴内不可能有重合 （图 4） 的根基上的。因而，在挑选FBG感应器的情况下，必须仔细地挑选允差光波长及其工作中光波长范畴来确保每一个感应器均有其独立性的运行光波长地区。

图4. 同一条光纤线上建空的每一个FBG感应器必需具备其独立性的运行光波长范畴

一般的FBG感应器会有着好多个纳米技术的运行光波长范畴，因此 电子光学探寻器务必可以进行屏幕分辨率为好多个皮米乃至更小的精确测量 – 一个非常小的数量级。探寻FBG光栅传感器能够有几种方式 。干预计是一般 应用的实验室仪器，它还可以给予非常高像素的定量分析。可是，这种仪器设备一般来说十分价格昂贵，容积巨大而且不足牢固，因此 在一些涉及到各种各样构造的当场检测的使用中，如离心风机叶子，公路桥梁，自来水管及其堤坝等自然环境的检测中，这种仪器设备都不适合。

一种更为牢固的办法是加入了正电荷藕合元器件 （charge-coupled device - CCD） 及其固定不动的分散性模块，一般就是指光波长部位变换。

在这个办法中，会用一个广谱性的灯源直射FBG感应器 （或是一系列FBG感应器）。这种反射面光线会根据一个分散性模块，分散性模块会将光波长不一样的反射面光线各自分派到正电荷藕合元器件（CCD）表层不一样的位子上来。如下图5所显示。

图5. 应用光波长部位转换法探寻FBG光学传感器

这类办法还可以迅速而且与此同时地对建空在金属上的全部FBG感应器实现精确测量，可是它只出示了十分不足的屏幕分辨率及其频率稳定度 （SNR）。举例来说，如果我们期待在80纳米技术的光波长范畴中完成1皮米的屏幕分辨率，那麼大家必须一个包括80，000个灰度级的线形CCD元器件，这一清晰度指标值早已比现阶段在市场上可以寻找的较好的线形CCD元器件 （截止到2010年7月） 的指标值高于了10倍之上。此外，由于广谱性灯源的能量转换是被分离到一个很广的光波长范畴中，因此 FBG反射面光线的热量会十分小，有时乃至会给精确测量产生艰难。

现阶段最受欢迎的办法是运用一个可调式法珀过滤器来造就一束具备高效率能量，而且可以迅速频偏的激光器源来替代传统的的广泛的灯源。可调式的激光器源将动能集中化在一个窄小的光波长范畴里边，给予了一个具备很高频率稳定度的能量的灯源。这类系统架构给予的高电子光学输出功率让应用一条光纤线初始化好几个电子光学安全通道变成 很有可能，那样就能高效地降低多路探寻器的费用而且减少系统软件的复杂性。根据这类可调式激光器构架的探寻器能够在一个相对性大的光波长范畴里边以窄小的光谱仪带开展扫描仪，另一方面，一台光探测仪将与这一扫描仪同歩，精确测量从FBG感应器反射面过来的激光。当可调式激光发生器发送的光波长与FBG感应器的华沙光波长符合的情况下，光探测仪就能精确测量到对应的回应。该回应产生的情况下可调式激光器的光波长就相应了这时FBG感应器处测出的气温及其/或是应变力，如图所示 6所显示。

图6. 用可调式激光器源法探寻FBG光学传感器

应用这些办法开展探寻能够做到大约1皮米的精密度，相匹配到传统式FBG感应器的精密度就是约1.2微应变力（FBG应变力感应器）或约0.1℃（FBG温度感应器）。由于可调式激光器源法像针对其他的办法而言具备很高的电子光学输出功率，因此这类探寻法还能够适用光纤线长短更高 （超出10公里） 的测量运用中。

FBG光学传感器的优点

根据应用光波替代电流量及其采用规范光纤线替代铜心线做为传输方式，FBG电子光学感测器解决了很多应用电气设备感测器必须面对的挑戰和处理的艰难。光纤线和FBG光学传感器全是导体和绝缘体，具备消极性电力学特点，而且不会受到电流的磁效应噪音的危害。具备高电子光学输出功率可调式激光器源的探寻器能够以很低的内容丢失率乃至是零遗失来进行远距离的精确测量。与此同时，与电气设备感应器系统软件不一样，一个电子光学安全通道能够一起进行好几个FBG感应器的检测，巨大地减少了检测体系的容积，净重及其复杂性。

在一些环境因素标准严酷的运用当场中，一些常见的电气设备感应器，比如箔电阻应变片，热电阻，及其振弦式感应器早已难以应用乃至早已无效的情形下，光学传感器是一个十分满意的解决方案。由于光学传感器的用处及其安装方法和这种传统式的电气设备感应器相近，因此 从电气测试计划方案衔接到电子光学测试方法会比较简易。假如可以对金属和FBG的原理有一个比较好的掌握，那将协助你能够更好地接纳电子光学检测技术并掌控这类新技术应用所产生的全部优点。
来源于：ECCN

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