淺析光纖光柵傳感器及其應(yīng)用

高薇冬

重慶工商職業(yè)學(xué)院 重慶 401520

光導(dǎo)纖維（下文簡稱光纖）是光纖光柵中的構(gòu)成基礎(chǔ)，這一材料是一種圓柱形的介質(zhì)光波導(dǎo)，其主要作用就是作為傳輸?shù)墓ぞ撸瑐鬏斀橘|(zhì)信號；另一方面則是作為傳感器，用來檢測外界各種參數(shù)的變化。一般的光纖大多是纖芯和包層組合而成，這樣組合就可以形成光的全內(nèi)反射，光纖自身的性質(zhì)也主要是根據(jù)纖芯和包層的結(jié)構(gòu)所決定。從二十世紀(jì)七十年代開始，人類首先制造出第一根較短周期的光纖光柵之后，通過多年的技術(shù)發(fā)展，這一制造技術(shù)已經(jīng)不斷完善并發(fā)展，且這一技術(shù)的使用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。尤其是近幾年興起的傳感器，吸引世界范圍內(nèi)相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。與以往的傳感器相比，光纖光柵傳感器有著其獨(dú)有的特性，例如直徑較細(xì)、質(zhì)地較軟且自身重量較輕，以及自身的絕緣性和抗干擾性等特點(diǎn)，更多的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。

1 光線的主要結(jié)構(gòu)和介質(zhì)傳輸?shù)幕驹?/h2>

（1）光線的主要構(gòu)造。光線主要是借助石英和相類似的光學(xué)材料，通過對材料的拉伸和處理等工序，就可以創(chuàng)造出光波導(dǎo)材料。另外，在光纖的外部的涂抹和護(hù)套等工序挨到對光纖的保護(hù)作用，并且隔離不必要的雜波，其余的部分則是主要用來傳輸光波[1]。

（2）光線在光纖中的傳輸原理。光線在光纖中的傳播原理大多有三種，并且都是通過射線的光學(xué)原理來分析的，主要內(nèi)容如下：①通過子午線傳播。纖芯的軸線創(chuàng)造出來的平面將其稱為子午面，在這一平面上傳播的光線統(tǒng)稱為子午線，并且光纖的內(nèi)部構(gòu)成大多是鋸齒狀的，并且呈波紋的形式，但是不均勻的子午線則會形成周期性的曲線。②通過斜光線的傳播。部分光線不會經(jīng)過子午面，并且不會在同一個平面內(nèi)傳播光線，就會稱其為斜光線。在充分滿足反射的情況下，斜光線也會相應(yīng)產(chǎn)生全反射。在均勻的光纖內(nèi)部，斜光線的傳播軌跡是射線，在其內(nèi)部非均勻的光纖內(nèi)部傳播的軌跡則為螺旋線。③對光波的損耗。因?yàn)楣饫w材料在袖手和散射等方面存在的缺陷，以及光纖耦合的不完全性，導(dǎo)致光波在傳輸?shù)倪^程中會呈現(xiàn)一定的衰減，可以借助光波的損耗程度測算光纖的長度。

2 光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際研究的過程中，對這一傳感器如何放置到被埋設(shè)物體中，是當(dāng)前研究的重要方面。如果有較為長期的無損埋設(shè)的方式，可以在沒有損耗的情況下，大大增強(qiáng)這一傳感器的應(yīng)用范圍。

（1）這一傳感器在檢測的過程中使用的埋設(shè)方式。這一傳感器在埋入混凝土內(nèi)部時(shí)，主要有三種埋入的方式：第一，一般的埋設(shè)方式；補(bǔ)充埋設(shè)的方式；第三，粘貼的埋設(shè)方式。第一種埋設(shè)方式只需借助鋼筋將光纖固定成功，最后在覆蓋混凝土即可。施工完成之后，借助光纖光柵傳感器對其埋設(shè)結(jié)果進(jìn)行檢測。第二種埋設(shè)的方式則是對特定的部位進(jìn)行檢測并開槽，最后再填充混凝土。最后一種埋設(shè)的方式則是通過借助粘貼的材料，將傳感器貼在混凝土的表面進(jìn)行檢測工作。

（2）這一傳感器的主要運(yùn)輸原理和構(gòu)造。通過借助兩條紫外線光束照射光纖，通過改變光纖內(nèi)部的折射率，從而在光纖內(nèi)部形成長時(shí)期的周期性折射率。當(dāng)光纖進(jìn)入所需的混凝土中時(shí)，會出現(xiàn)光纖長度的變化，同時(shí)光線的溫度也會隨之改變。在光纖中會串聯(lián)好幾個FBG，通過寬帶光源發(fā)射出光線，并且折射進(jìn)FBG中，如果接受檢測的各點(diǎn)應(yīng)變導(dǎo)致反射波長的變化，就要借助FBG進(jìn)行檢測，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，從側(cè)面檢測出整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

（3）借助FBG檢測鋼板加混凝土結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容。鋼板混凝土表面一般出現(xiàn)破壞的形式大多是滑移、掀起和裂縫三種形式。根據(jù)傳感器的使用效果將其分為三種類型，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在加載被破壞之前，橋面并沒有產(chǎn)生比較明顯的滑移或者是掀起，混凝土也沒有產(chǎn)生明顯的裂痕，但是加載被破壞之后，就出現(xiàn)了明顯的滑移狀況。光纖光柵因?yàn)樽陨淼慕Y(jié)構(gòu)多樣化，導(dǎo)致自身具備各種優(yōu)秀的性能，不僅僅是這一傳感器的傳輸系統(tǒng)重要構(gòu)成部分，同時(shí)在光纖的傳感方面也承擔(dān)著十分重要的作用。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以光纖光柵為構(gòu)造基礎(chǔ)的傳感器正在逐漸成為新時(shí)期的研究重點(diǎn)，且逐漸應(yīng)用到各個領(lǐng)域中去，所產(chǎn)生的各種效益也逐漸彰顯。

3 這一傳感器的發(fā)展前景

這一傳感器和以往的相比，更具備明顯的特性：其檢測的精度較高、靈敏度很強(qiáng)、有著良好的抗干擾能力、抗腐蝕性、結(jié)構(gòu)較為簡單、尺寸較小且適用于多個領(lǐng)域等等。當(dāng)前階段的主要研究方向在于，不斷優(yōu)化傳感器自身的橫向檢測和靈敏度探析，且注重對溫度變化檢測的傳感器研究，另外對于光柵中反射出的各種信號進(jìn)行細(xì)致的分析，旨在創(chuàng)造出成本更少、更靈敏的檢測技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，主要借助封裝技術(shù)、對溫度的補(bǔ)償技術(shù)以及傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對各個領(lǐng)域的傳感技術(shù)的研發(fā)，例如航空航天、土木工程等等。隨著社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，光纖光柵傳感器會取代更多領(lǐng)域的傳統(tǒng)傳感器，應(yīng)用到各個領(lǐng)域中去。

4 結(jié)束語

光纖傳感器大多會借助調(diào)制傳感技術(shù)，根據(jù)測算不同類型的信號，所以使用的范圍也更寬廣。從另一角度來說，這一傳感器在使用的過程中會很少消耗自身的能量，能夠適用于較長距離的傳輸和檢測工作，并且這一傳感器的特性在工程結(jié)構(gòu)中使用更加明顯。在研究的過程中，要更注重對傳感器的埋沒方式，在檢測的過程中要尋求更加優(yōu)秀的埋設(shè)方法，從而借助更少量的傳感器勘測出更多重要的信息。