光學光纖傳感器基礎

概述

　　近幾十年以來，電氣傳感器一直作為測量物理與機械現象的標準設備發揮著它的作用。盡管它們在測試測量中無處不在，但作為電氣化的設備，他們有著與生俱來的缺陷，例如信號傳輸過程中的損耗，容易受電磁噪聲的干擾等等。這些缺陷會造成在一些特殊的應用場合中，電氣傳感器的使用變得相當具有挑戰性，甚至完全不適用。光纖光學傳感器就是針對這些應用挑戰極好的解決方法，使用光束代替電流，而使用標準光纖代替銅線作為傳輸介質。

　　在過去的二十年中，光電子學的發展以及光纖通信行業中大量的革新極大地降低了光學器件的價格，提高了質量。通過調整光學器件行業的經濟規模，光纖傳感器和光纖儀器已經從實驗室試驗研究階段擴展到了現場實際應用場合，比如建筑結構健康監測應用等。

　　圖1. 典型光纖的橫截面圖

　　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，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據環境溫度以及/或者應變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

　　當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，如下面的方程 (1) 中所示。這種特性就使光纖布拉格光柵只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) 中的關系來表示：

　　其中 Δλ 是反射波長的變化而 λo 為初始的反射波長。