【導讀】近(jin)幾(ji)十(shi)年(nian)以(yi)來(lai)，電(dian)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)直(zhi)作(zuo)為(wei)測(ce)量(liang)物(wu)理(li)與(yu)機(ji)械(xie)現(xian)象(xiang)的(de)標(biao)準(zhun)設(she)備(bei)發(fa)揮(hui)著(zhe)它(ta)的(de)作(zuo)用(yong)。盡(jin)管(guan)它(ta)們(men)在(zai)測(ce)試(shi)測(ce)量(liang)中(zhong)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)
，但(dan)作(zuo)為(wei)電(dian)氣(qi)化(hua)的(de)設(she)備(bei)，他(ta)們(men)有(you)著(zhe)與(yu)生(sheng)俱(ju)來(lai)的(de)缺(que)陷(xian)，例(li)如(ru)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)損(sun)耗(hao)


，容(rong)易(yi)受(shou)電(dian)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)等(deng)等(deng)。這(zhe)些(xie)缺(que)陷(xian)會(hui)造(zao)成(cheng)在(zai)一(yi)些(xie)特(te)殊(shu)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)中(zhong)
，電(dian)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)變(bian)得(de)相(xiang)當(dang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)
，甚(shen)至(zhi)完(wan)全(quan)不(bu)適(shi)用(yong)。光(guang)纖(xian)光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)是(shi)針(zhen)對(dui)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)挑(tiao)戰(zhan)極(ji)好(hao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)，使(shi)用(yong)光(guang)束(shu)代(dai)替(ti)電(dian)流(liu)，而(er)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)光(guang)纖(xian)代(dai)替(ti)銅(tong)線(xian)作(zuo)為(wei)傳(chuan)輸(shu)介(jie)質(zhi)。

近(jin)幾(ji)十(shi)年(nian)以(yi)來(lai)，電(dian)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)直(zhi)作(zuo)為(wei)測(ce)量(liang)物(wu)理(li)與(yu)機(ji)械(xie)現(xian)象(xiang)的(de)標(biao)準(zhun)設(she)備(bei)發(fa)揮(hui)著(zhe)它(ta)的(de)作(zuo)用(yong)。盡(jin)管(guan)它(ta)們(men)在(zai)測(ce)試(shi)測(ce)量(liang)中(zhong)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)

，但(dan)作(zuo)為(wei)電(dian)氣(qi)化(hua)的(de)設(she)備(bei)，他(ta)們(men)有(you)著(zhe)與(yu)生(sheng)俱(ju)來(lai)的(de)缺(que)陷(xian)，例(li)如(ru)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)損(sun)耗(hao)，容(rong)易(yi)受(shou)電(dian)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)等(deng)等(deng)。這(zhe)些(xie)缺(que)陷(xian)會(hui)造(zao)成(cheng)在(zai)一(yi)些(xie)特(te)殊(shu)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)中(zhong)
，電(dian)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)變(bian)得(de)相(xiang)當(dang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)，甚(shen)至(zhi)完(wan)全(quan)不(bu)適(shi)用(yong)。光(guang)纖(xian)光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)是(shi)針(zhen)對(dui)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)挑(tiao)戰(zhan)極(ji)好(hao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)，使(shi)用(yong)光(guang)束(shu)代(dai)替(ti)電(dian)流(liu)
，而(er)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)光(guang)纖(xian)代(dai)替(ti)銅(tong)線(xian)作(zuo)為(wei)傳(chuan)輸(shu)介(jie)質(zhi)。

在(zai)過(guo)去(qu)的(de)二(er)十(shi)年(nian)中(zhong)，光(guang)電(dian)子(zi)學(xue)的(de)發(fa)展(zhan)以(yi)及(ji)光(guang)纖(xian)通(tong)信(xin)行(xing)業(ye)中(zhong)大(da)量(liang)的(de)革(ge)新(xin)極(ji)大(da)地(di)降(jiang)低(di)了(le)光(guang)學(xue)器(qi)件(jian)的(de)價(jia)格(ge)，提(ti)高(gao)了(le)質(zhi)量(liang)。通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)光(guang)學(xue)器(qi)件(jian)行(xing)業(ye)的(de)經(jing)濟(ji)規(gui)模(mo)

，光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)光(guang)纖(xian)儀(yi)器(qi)已(yi)經(jing)從(cong)實(shi)驗(yan)室(shi)試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)階(jie)段(duan)擴(kuo)展(zhan)到(dao)了(le)現(xian)場(chang)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)
，比(bi)如(ru)建(jian)築(zhu)結(jie)構(gou)健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)應(ying)用(yong)等(deng)。

光纖傳感器簡介

從基本原理來看，光纖傳感器會根據所測試的外部環境參數的變化來改變其傳播的光波的一個或幾個屬性，比如強度
、相位
、偏振狀態以及頻率等。非固有型 （混合型） 光纖傳感器僅僅將光纖作為光波在設備與傳感元件之間的傳輸介質，而固有型光纖傳感器則將光纖本身作為傳感元件使用。

光纖傳感技術的核心是光纖–一條纖細的玻璃線，光波能夠在其中心進行傳播。光纖主要由三個部分組成：纖芯（core），包層（cladding）和保護層（buffer coating）。qizhongbaocengnenggoujiangxianxinfachudezasanguangbofanshehuixianxinzhong，yibaozhengguangbozaixianxinzhongjuyouzuididechuanshusunhao。zhegegongnengdeshixianyuanlishixianxindeguangzheshelvbibaocengdezheshelvgao
，zheyangguangbocongxianxinchuanbodaobaocengdeshihouhuifashengquanneifanshe。zuiwaimiandebaohucengtigongbaohuzuoyong，bimianwaijiehuanjinghuowailiduiguangxianzaochengsunhuai。erqiekeyigenjuxuyaoyaoqiangduhebaohuchengxudebutong，shiyongduocengbaohuceng。

圖1. 典型光纖的橫截麵圖

光纖布拉格光柵（FBS）傳感器

光纖布拉格光柵傳感器是一種使用頻率最高，範圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據環境溫度以及/huozheyingbiandebianhualaigaibianqifanshedeguangbodebochang。guangxianbulageguangzhashitongguoquanxiganshefahuozhexiangweiyanmofalaijiangyixiaoduanguangmingandeguangxianbaoluzaiyigeguangqiangzhouqifenbudeguangboxiamian。zheyangguangxiandeguangzheshelvjiuhuigenjuqibeizhaoshedeguangboqiangdueryongjiugaibian。zhezhongfangfazaochengdeguangzheshelvdezhouqixingbianhuajiujiaozuoguangxianbulageguangzha。

dangyishuguangpudeguangshubeichuanbodaoguangxianbulageguangzhadeshihou，guangzheshelvbeigaibianyihoudemeiyixiaoduanguangxianjiuzhihuifansheyizhongtedingbochangdeguangbo，zhegebochangchengweibulagebochang，ruxiamiandefangcheng （1） 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵隻反射一種特定波長的光波
，而其它波長的光波都會被傳播。

在方程 （1）中
，λb 是布拉格波長，n 是光纖纖芯的有效折射率
，而 Λ 是光柵之間的間隔長度，稱為光柵周期。

圖2. 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理

因為布拉格波長是光柵之間的間隔長度的函數（方程 （1） 中的Λ）
，所以光纖布拉格光柵可以被生產為具有不同的布拉格波長，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來反射特定波長的光波。

圖3. 光纖布拉格光柵透視圖

應變以及溫度的改變會同時影響光纖布拉格光柵有效的光折射率 n 以及光柵周期Λ
，造成的結果就是光柵反射光波波長的改變。光纖布拉格光柵反射波長隨應變和溫度的變化可以近似地用方程 （2） 中的關係來表示：

其中 Δλ 是反射波長的變化而 λo 為初始的反射波長。

右邊加號前的第一個表示式表示的是應變的變化對反射波長的影響。其中 pe 是應變光學靈敏係數，而 ε 是光柵所受到應變影響。加號後麵的第二個表達式表示的是溫度的變化對波長造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹係數而 αn 是溫度光學靈敏係數。αn 體現了光折射率因為溫度變化造成的影響而 αΛ 體現了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。

zhengyinweiguangxianbulageguangzhahuitongshishoudaoyingbianhewendubianhuadeyingxiang，suoyizaijisuanfanshebochangbianhuadeshihoujiyaotongshikaolvzheliangzhongyinsu，youyaofenbieduiqijinxingfenxi。dangjinxingwenduceliangdeshihou，guangxianbulageguangzhabixubaochizaiwanquanbushouyingbianyingxiangdetiaojianxia。nikeyishiyongweicizhuanmenjinxingfengzhuangdeFBG溫wen度du傳chuan感gan器qi，這zhe種zhong傳chuan感gan器qi能neng保bao證zheng封feng裝zhuang內nei部bu光guang纖xian布bu拉la格ge光guang柵zha的de屬shu性xing不bu會hui耦ou合he於yu任ren何he外wai部bu的de彎wan曲qu，拉la伸shen
，擠ji壓ya或huo扭niu曲qu應ying變bian。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，玻bo璃li的de熱re膨peng脹zhang係xi數shu αΛ 通常在實用中是可以忽略的;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靈敏係數 αn 來決定了。

guangxianbulageguangzhayingbianchuanganqizaimouzhongchengxushangjiangjiugengjiafuzale
，yinweiwenduheyingbianhuitongshiyingxiangchuanganqidefanshebochang。weilezhengquedijinxingdeceliang
，zaiceshideshihou
，bixuzhenduiwenduduiguangxianbulageguangzhazaochengdeyingxiangjinxingbuchang。weileshixianzhezhongbuchang，keyishiyongyigeyuFBG應變傳感器有良好熱接觸的FBG溫度傳感器來完成。得到測試結果以後，隻需要簡單地從FBG應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表達式，這樣做就補償了應變測試中溫度變化造成的影響了。

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

探詢方法

由於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現良好的波分複用 （WDM） 技ji術shu。這zhe個ge特te性xing使shi得de可ke以yi在zai一yi條tiao長chang距ju離li的de獨du立li光guang纖xian上shang，以yi菊ju花hua鏈lian的de形xing式shi連lian接jie多duo個ge不bu同tong的de擁yong有you特te定ding布bu拉la格ge波bo長chang的de傳chuan感gan器qi。波bo分fen複fu用yong技ji術shu在zai可ke用yong的de光guang學xue廣guang譜pu中zhong為wei每mei一yi個geFBG傳(chuan)感(gan)器(qi)分(fen)配(pei)了(le)一(yi)個(ge)特(te)定(ding)的(de)波(bo)長(chang)範(fan)圍(wei)供(gong)其(qi)使(shi)用(yong)。由(you)於(yu)光(guang)纖(xian)布(bu)拉(la)格(ge)光(guang)柵(zha)固(gu)有(you)的(de)波(bo)長(chang)特(te)性(xing)，就(jiu)算(suan)在(zai)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)由(you)於(yu)光(guang)纖(xian)介(jie)質(zhi)的(de)彎(wan)曲(qu)和(he)傳(chuan)輸(shu)造(zao)成(cheng)了(le)光(guang)強(qiang)的(de)損(sun)耗(hao)和(he)衰(shuai)減(jian)，傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)得(de)的(de)結(jie)果(guo)也(ye)仍(reng)然(ran)能(neng)夠(gou)保(bao)持(chi)準(zhun)確(que)。

meiyigedulideguangxianbulageguangzhachuanganqidegongzuobochangfanweihebochangtanxunqiketanxundezongbochangfanweijuedinglezaiyitiaodandudeguangxianshangkeyiguajiedechuanganqideshuliang。yibanlaishuo
，yinweiyingbiangaibianzaochengdebochanggaibianhuibiwendugaibianzaochengdebochanggaibiangengjiamingxian，suoyiyibanhuiweiFBG應變傳感器分配大概5納米的工作波長範圍，而FBG溫度傳感器則分配大概1納米的工作波長範圍。又因為通常的波長探詢器能提供的測試範圍大概為60到80納米
，所以一條光纖上掛接的傳感器數量一般可以從1個到80個不等 – 當然，這要建立在各個傳感器反射波長的區域在光譜範圍內不會有重疊 （圖 4） 的基礎上的。因此，在選擇FBG傳感器的時候，需要仔細地選擇標稱波長以及工作波長範圍來保證每一個傳感器都有其獨立的工作波長區域。

圖4. 同一條光纖上掛接的每一個FBG傳感器必須具有其獨立的工作波長範圍

一般的FBG傳感器會擁有幾個納米的工作波長範圍，所以光學探詢器必須能夠完成分辨率為幾個皮米甚至更小的測量 – 一個相當小的量級。探詢FBG光(guang)柵(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)有(you)幾(ji)種(zhong)方(fang)法(fa)。幹(gan)涉(she)計(ji)是(shi)通(tong)常(chang)運(yun)用(yong)的(de)實(shi)驗(yan)室(shi)設(she)備(bei)，它(ta)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)相(xiang)當(dang)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)光(guang)譜(pu)分(fen)析(xi)。但(dan)是(shi)，這(zhe)些(xie)儀(yi)器(qi)一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)非(fei)常(chang)昂(ang)貴(gui)，體(ti)積(ji)龐(pang)大(da)並(bing)且(qie)不(bu)夠(gou)堅(jian)固(gu)，所(suo)以(yi)在(zai)一(yi)些(xie)涉(she)及(ji)各(ge)種(zhong)結(jie)構(gou)的(de)現(xian)場(chang)監(jian)測(ce)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)
，如(ru)風(feng)機(ji)葉(ye)片(pian)
，橋(qiao)梁(liang)，水(shui)管(guan)以(yi)及(ji)大(da)壩(ba)等(deng)環(huan)境(jing)的(de)監(jian)測(ce)中(zhong)，這(zhe)些(xie)儀(yi)器(qi)都(dou)不(bu)適(shi)用(yong)。

一種更加堅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換。

在這種方法中，會用一個廣譜的光源照射FBG傳感器 （或者一係列FBG傳感器）。這些反射光束會通過一個分散性單元，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）表麵不同的位置上去。如下圖5所示。

圖5. 使用波長位置轉換法探詢FBG光學傳感器

這種方法可以快速並且同時地對掛接在光纖上的所有FBG傳感器進行測量，但是它隻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納米的波長範圍中實現1皮米的分辨率
，那麼我們需要一個包含80，000個像素點的線性CCD器件，這個像素指標已經比目前在市麵上能夠找到的最好的線性CCD器件 （截至2010年7月） 的指標高出了10倍以上。另外，因為廣譜光源的能量是被分散到一個很廣的波長範圍中，所以FBG反射光束的能量會非常小
，有時候甚至會給測量帶來困難。

目mu前qian最zui流liu行xing的de方fang法fa是shi利li用yong一yi個ge可ke調tiao法fa珀po濾lv波bo器qi來lai創chuang造zao一yi束shu具ju有you高gao能neng量liang
，並bing且qie能neng夠gou快kuai速su掃sao頻pin的de激ji光guang源yuan來lai代dai替ti傳chuan統tong的de廣guang譜pu的de光guang源yuan。可ke調tiao的de激ji光guang源yuan將jiang能neng量liang集ji中zhong在zai一yi個ge很hen窄zhai的de波bo長chang範fan圍wei裏li麵mian，提ti供gong了le一yi個ge具ju有you很hen高gao信xin噪zao比bi的de高gao能neng量liang的de光guang源yuan。這zhe種zhong體ti係xi結jie構gou提ti供gong的de高gao光guang學xue功gong率lv讓rang使shi用yong一yi條tiao光guang纖xian掛gua載zai多duo個ge光guang學xue通tong道dao成cheng為wei可ke能neng，這zhe樣yang就jiu能neng有you效xiao地di減jian少shao多duo通tong道dao探tan詢xun器qi的de成cheng本ben並bing且qie降jiang低di係xi統tong的de複fu雜za度du。基ji於yu這zhe種zhong可ke調tiao激ji光guang架jia構gou的de探tan詢xun器qi可ke以yi在zai一yi個ge相xiang對dui大da的de波bo長chang範fan圍wei裏li麵mian以yi很hen窄zhai的de光guang譜pu帶dai進jin行xing掃sao描miao，另ling一yi方fang麵mian，一yi台tai光guang探tan測ce器qi將jiang與yu這zhe個ge掃sao描miao同tong步bu，測ce量liang從congFBG傳感器反射回來的激光束。當可調激光器發射的激光波長與FBG傳感器的布拉格波長吻合的時候，光探測器就能測量到相應的響應。該響應發生的時候可調激光的波長就對應了此時FBG傳感器處測得的溫度以及/或者應變，如圖 6所示。

圖6. 用可調激光源法探詢FBG光學傳感器

使用這種方法進行探詢可以達到大概1皮米的精度，對應到傳統FBG傳感器的精度即是約1.2微應變（FBG應變傳感器）或約0.1攝氏度（FBG溫度傳感器）。因為可調激光源法相對於其它的方法來說具有很高的光學功率，所以這種探詢法還可以適用於光纖長度更大 （超過10千米） 的測量應用中。

FBG光學傳感器的優勢

通過使用光波代替電流以及使用標準光纖代替銅線作為傳輸介質，FBG光學傳感解決了許多使用電氣傳感需要麵臨的挑戰和解決的困難。光纖和FBG光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)是(shi)絕(jue)緣(yuan)體(ti)，具(ju)有(you)被(bei)動(dong)性(xing)電(dian)學(xue)特(te)性(xing)，並(bing)且(qie)不(bu)受(shou)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。具(ju)有(you)高(gao)光(guang)學(xue)功(gong)率(lv)可(ke)調(tiao)激(ji)光(guang)源(yuan)的(de)探(tan)詢(xun)器(qi)可(ke)以(yi)以(yi)很(hen)低(di)的(de)數(shu)據(ju)丟(diu)失(shi)率(lv)甚(shen)至(zhi)是(shi)零(ling)丟(diu)失(shi)來(lai)完(wan)成(cheng)長(chang)距(ju)離(li)的(de)測(ce)量(liang)。同(tong)時(shi)
，與(yu)電(dian)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)不(bu)同(tong)，一(yi)個(ge)光(guang)學(xue)通(tong)道(dao)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)完(wan)成(cheng)多(duo)個(ge)FBG傳感器的測試，極大地減小了測試係統的體積，重量以及複雜度。

在zai一yi些xie外wai部bu環huan境jing條tiao件jian惡e劣lie的de應ying用yong現xian場chang中zhong，一yi些xie常chang用yong的de電dian氣qi傳chuan感gan器qi，例li如ru箔bo應ying變bian片pian
，熱re電dian偶ou，以yi及ji振zhen弦xian式shi傳chuan感gan器qi已yi經jing很hen難nan使shi用yong甚shen至zhi已yi經jing失shi效xiao的de情qing況kuang下xia，光guang學xue傳chuan感gan器qi是shi一yi個ge非fei常chang理li想xiang的de解jie決jue辦ban法fa。因yin為wei光guang學xue傳chuan感gan器qi的de用yong途tu以yi及ji安an裝zhuang方fang法fa和he這zhe些xie傳chuan統tong的de電dian氣qi傳chuan感gan器qi類lei似si，所suo以yi從cong電dian氣qi測ce試shi方fang案an過guo渡du到dao光guang學xue測ce試shi方fang案an會hui相xiang對dui簡jian單dan。如ru果guo能neng夠gou對dui光guang纖xian和heFBG的工作原理有一個比較好的了解，那將幫助你更好地接受光學測試技術並駕馭這種新技術所帶來的所有優勢。

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