光纖光柵傳感器的研究與應(yīng)用

圖2中的FBGl裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)，兩端與玻璃管固定，以使其僅受外界溫度的影響；而FBG2不裝在玻璃管內(nèi)，因而會(huì)同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響。由于光纖和玻璃管具有相同的熱膨脹性。因此，F(xiàn)BGl和FBG2的溫度敏感系數(shù)相同。
2．4 溫度(應(yīng)力)補(bǔ)償法
其實(shí)，目前研究較多的還是溫度補(bǔ)償法。該方法主要通過某種方法或裝置先將溫度擾動(dòng)引起的波長(zhǎng)漂移剔除掉，從而使應(yīng)變測(cè)量不受溫度的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了關(guān)于FBG交叉敏感的問題，主要考慮實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的溫度補(bǔ)償方法。它們分為單FBG法和雙FBG法兩大類。
2．5 光強(qiáng)測(cè)溫法
光強(qiáng)測(cè)溫法是通過光強(qiáng)與待測(cè)點(diǎn)溫度的關(guān)系來(lái)確定溫度值，故可消除溫度對(duì)波長(zhǎng)移動(dòng)的影響。該方法需要特殊結(jié)構(gòu)的FBG，而且需要利用特殊材料，同時(shí)對(duì)解調(diào)方案也有相應(yīng)的要求。

3 光纖光柵的應(yīng)用
由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自G．Meltz等人首次報(bào)道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來(lái)，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
3．1 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
光纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視以及用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測(cè)提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國(guó)家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。德國(guó)的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量(～1mm)的優(yōu)勢(shì)，并已有實(shí)例應(yīng)用于對(duì)生長(zhǎng)中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)。
3．2 智能橋梁建筑材料應(yīng)用
智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、以及故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將光纖應(yīng)用于橋梁測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測(cè)量和測(cè)控，從而構(gòu)成智能橋梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對(duì)應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；我國(guó)的繆延彪教授建立了一種新的波長(zhǎng)干涉儀試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對(duì)距離測(cè)量。
3．3 航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用
上世紀(jì)90年代，Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了I-FOG原理，同時(shí)通過采用消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢(shì)，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度／剪切應(yīng)力傳感器，來(lái)分辨溫度和剪切應(yīng)力引起的布拉格波長(zhǎng)偏移，從而廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)備。
3．4 工礦企業(yè)系統(tǒng)
基于光纖的彈光效應(yīng)，F(xiàn)BG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)中。在許多特殊場(chǎng)合，如核工業(yè)、化工、石油鉆探等都應(yīng)用了監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，2001年，美國(guó)CiDRA公司采用光纖布拉格光柵傳感器在加利福尼亞的Baker油田進(jìn)行了壓力測(cè)試，測(cè)程為0～103 MPa，準(zhǔn)確度為±41．3 kPa，分辨率為2．06 kPa，可見其具有非常高的精度。法國(guó)Alstom公司鐵路部的Transport S．A．領(lǐng)導(dǎo)研制了一種安裝有FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。

4 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵的傳感技術(shù)得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用。由于其擁有獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必會(huì)受到越來(lái)越多行業(yè)的重視，也必將在傳感領(lǐng)域中呈現(xiàn)出非常重要的地位。但是，許多光纖傳感中的關(guān)鍵技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，距商業(yè)實(shí)用化階段還有一定的距離，因此，還需集中力量為光纖光柵研究成果的產(chǎn)業(yè)化繼續(xù)努力，更重要的是要促進(jìn)民族光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。