光纖光柵感測器工作原理

㈠ 光纖布拉格光柵感測器的工作原理

簡單的說，FBG感測器主要是靠改變光柵的折射率，再通過解調儀把對應的反射光解調出來。當FBG感測器測量外界的溫度、壓力或應力時，光柵自身的柵距發生變化，從而引起反射波長的變化，解調裝置即通過檢測波長的變化推導出外界溫度、壓力或應力。其實光纖光柵感測器的重點在光纖光柵解調儀的性能。

㈡ 光柵感測器的基本原理是什麼莫爾條紋是如何形成的有和特點

光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為 10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。

感測器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成（見圖）。標尺光柵相對於指示光柵移動時，便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，並直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出，直接顯示被測的位移量。

感測器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業用白玻璃、光學玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種感測器的優點是量程大和精度高。光柵式感測器應用在程式控制、數控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。

莫爾條紋

以透射光柵為例，當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ，並且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，在光源的照射下，位於幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為「莫爾條紋」 。嚴格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示。

莫爾條紋

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。[1]

莫爾條紋具有以下特徵：

(1)莫爾條紋的變化規律：兩片光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋距離。由於光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規律近似正(余)弦函數，變化周期數與光柵相對位移的柵距數同步。

(2)放大作用：在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角θ之間有下列關系。式中，θ的單位為rad

㈢ 光柵測量原理

來測量光柵是一種特殊的光電自感測器，與普通的對射式光電感測器一樣，包含相互分離且相對放置的發射器和收光器兩部分，但其外形尺寸較大，為長管狀。測量光幕發射器產生的檢測光線並非如普通感測器般只有一束，而是沿長度方向定間距生成光線陣列，形成一個「光幕」，以一種掃描的方式，配合控制器及其軟體，實現監控和測量物體外形尺寸的功能。

㈣ 光纖光柵感測器的簡介

光纖光柵感測器可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由於光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感，即溫度與應變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應變加以區分。因此，解決交叉敏感問題，實現溫度和應力的區分測量是感測器實用化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現對溫度和應力區分測量。這些技術的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變感測器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數，利用2個二元一次方程解出溫度與應變。區分測量技術大體可分為兩類，即，多光纖光柵測量和單光纖光柵測量 。
多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優缺點。FBG/LPG法解調簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強度低，信號解調困難。光纖光柵/F-P腔集成復用法感測器溫度穩定性好、體積小、測量精度高，精度可達20×10-6，1℃，但F-P的腔長調節困難，信號解調復雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號解調也比較復雜。
單光纖光柵測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預制應變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機物對溫度和應力的響應不同增加光纖光柵對溫度或應力靈敏度，克服交叉敏感效應。這種方法的製作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫於不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實現區分測量。這種方法解調簡單，且解調為波長編碼避免了應力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量范圍偏小等問題。預制應變法是首先給光纖光柵施加一定的預應變，在預應變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂樑上。應力釋放後，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂樑上的部分形變不能恢復，從而導致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個光纖光柵有2個反射峰，一個反射峰（粘貼在懸臂樑上的部分）對應變和溫度都敏感；另一個反射峰（未粘貼部分）只對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應變。

㈤ 光纖光柵感測器

TGW光纖光柵感溫火災探測系統產品簡介
目前國內外應用的光纖光柵感測技術由於受到光源帶寬限制，一根光纖上光柵復用數量極為有限(不超過30個)，無法滿足火災探測所需測點需求。理工光科姜德生院士發明的編碼光纖光柵、全同光纖光柵等多項專利技術，突破了傳統光纖光柵產品所受技術瓶頸，能在一根光纖上制備數百個光柵測點，充分滿足了石油石化、電力、隧道交通等行業中火災探測的實際需求。同時，理工光科打破國外對光纖光柵波長解調的核心技術與器件長期以來的技術封鎖，是目前國內唯一具有全套光纖光柵自主知識產權的單位，推出的廉價低速、中速、高速三類光纖光柵波長解調儀器，成功解決了不同行業領域的實際工程需要。

基此之上，理工光科率先將光纖光柵感測技術應用於石油石化、電力、隧道交通等行業中火災探測報警，開發的TGW光纖光柵感溫火災探測系統經國家權威部門鑒定，屬國內外首創，居國際領先水平，被評為國家重點新產品，2006年榮獲國家公安部科學技術一等獎，2007年榮獲國家技術發明二等獎。

部分業績：
★世界跨度最大、承受荷載最重公鐵兩用斜拉橋長期安全監測—武漢天興洲長江大橋
★世界規模最大公路隧道火災安全監測—秦嶺終南山隧道
★世界最高面板壩滲漏與結構長期安全監測—清江水布埡電站大壩
★國家四大戰略儲備油庫火災報警
★中石化90%大型油罐火災報警
★我國第一條海底隧道火災與結構安全監測—廈門翔安海底隧道
★國內最大隧道群火災報警—滬蓉西高速公路隧道群
★三峽工程重點文物保護工程結構安全監測—白鶴梁文物保護工程結構安全在線監測
★武漢某電力研究所電力裝備溫度監測
系統技術特點：
 1、無電檢測、本質安全防爆；
 2、採用光柵進行信號檢測，信號數字化，不受光強起伏變化干擾，檢測精確度高；
 3、按波長的不同設置防火分區，同步檢測，真正實現實時監測；
 4、實現差定溫復合報警，報警准確可靠；
 5、系統具有自檢功能，可實時監測自身運行情況並輸出故障報警聲光信號；
 6、採用光纖傳輸信號，抗電磁干擾，運行穩定性好；
 7、信號衰減小，可遠距離傳輸，實現遠程監控；
 8、系統組成方便靈活，各檢測系統相對獨立，結構緊湊，安裝維護方便；
 9、抗腐蝕性好，不怕潮濕，使用壽命長。
主要產品技術參數：
1、TGW-100光纖光柵感溫火災探測器
TGW-100光纖光柵感溫火災探測器
工作溫度 -40℃~120℃
測量范圍 0℃～100℃
報警溫度誤差 ±2.5℃
光纜傳輸距離 ≥25km
最小彎曲半徑 300mm
2、TGW-100C光纖光柵感溫火災探測信號處理器
報警方式 差、定溫復合、可復位
工作電源 24VDC
工作電流 <360mA
工作溫度 0℃~40 ℃
外型尺寸 160mm×80mm×400mm (寬×高×深)
報警溫度設定范圍 65 ℃~95 ℃
輸出信號 0.3A/30VDC無源觸點9路
Rs422通訊信號、4~20mA信號
4、TGW-100D光纖光柵感溫火災探測信號處理器
報警方式 差、定溫復合、可復位
工作電源 24VDC
工作電流 <750mA
工作溫度 0℃~40 ℃
光 通 道 四路光纖同步運行
外型尺寸 450mm×130mm×290mm(寬×高×深)
報警溫度設定范圍 65 ℃~95 ℃
輸出信號 4路溫度報警開關信號、4路自檢故障報警開關信號、RS485/232通訊信號。通過火災報警控制器和上位計算機可實現分區溫度顯示、分區溫度報警和各光路故障報警。

5、四通道通用型與高速光纖光柵波長解調器
四通道通用型與高速光纖光柵波長解調器主要由五個部分組成：第一部分為寬頻光源；第二部分為可調法布里－珀羅濾波器；第三部分為四通道感測信號接入光路；第四部分為數字信號處理及放大電路；第五部分為計算機及軟體分析處理系統。其技術特點是內部核心解調器使用自行研製的「多通道角度調諧光纖法布里－珀羅濾波器」。同時，利用光纖分路器代替光開關，可以進行同步掃描，提高了掃描速度。高速光纖光柵解調儀頻率可達到300Hz，高於國外250Hz的速度水平。
這兩種光纖光柵波長解調器適用於光纖光柵溫度感測器、光纖光柵應變感測器、光纖光柵壓力感測器等各類光纖光柵感測器的信號檢測，是光纖光柵感測器工業化應用與光纖光柵感測技術研究的必備設備。

㈥ 光柵感測器工作原理（簡答題）

光柵的Bragg波長lB由下式決定：
lB=2nL ⑴
式中，n—芯模有效折射率； L—光柵周期。
當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其它物理量發生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發生變化，從而使反射光的波長發生變化，通過測量物理量變化前後反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術，還可實現對應力和溫度的分別測量和同時測量。通過在光柵上塗敷特定的功能材料（如壓電材料），對電場等物理量的間接測量也能實現。
1、啁啾光纖光柵感測器的工作原理
上面介紹的光柵感測器系統，光柵的幾何結構是均勻的，對單參數的定點測量很有效，但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。此時，採用啁啾光纖光柵感測器就就是一個不錯的選擇。
啁啾光纖光柵由於其優異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統中。與光纖Bragg光柵感測器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會發生變化。這種感測器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的。由於應變的影響，啁啾光纖光柵反射信號會拓寬，峰值波長也會發生位移，而溫度的變化則由於折射率的溫度依賴性（dn/dT），僅會影響重心的位置。因此通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。
2、長周期光纖光柵（LPG）感測器的工作原理
長周期光纖光柵（LPG）的周期一般認為有數百微米，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進包層，其公式如下：
li=(n0- niclad）·L ⑵
式中，n0—纖芯的折射率；niclad—i階軸對稱包層模的有效折射率。
光在包層中將由於包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長范圍上有許多的共振，其共振的中心波長主要取決於芯和包層的折射率差，由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移，通過檢測Dli，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上共振帶的響應通常有不同的幅度，因而適用於構建多參數感測器。

㈦ 光柵式感測器的光纖光柵感測器的工作原理

我們知道，光柵的Bragg波長lB由下式決定：
lB=2nL ⑴
式中，n—芯模有效折射率； L—光柵周期。
當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其它物理量發生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發生變化，從而使反射光的波長發生變化，通過測量物理量變化前後反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術，還可實現對應力和溫度的分別測量和同時測量。通過在光柵上塗敷特定的功能材料（如壓電材料），對電場等物理量的間接測量也能實現。
1、啁啾光纖光柵感測器的工作原理
上面介紹的光柵感測器系統，光柵的幾何結構是均勻的，對單參數的定點測量很有效，但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。此時，採用啁啾光纖光柵感測器就就是一個不錯的選擇。
啁啾光纖光柵由於其優異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統中。與光纖Bragg光柵感測器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纖光柵除了DlB的變化外，光譜的展寬也會發生變化。這種感測器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的。由於應變的影響，啁啾光纖光柵反射信號會拓寬，峰值波長也會發生位移，而溫度的變化則由於折射率的溫度依賴性（dn/dT），僅會影響重心的位置。因此通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。
2、長周期光纖光柵（LPG）感測器的工作原理
長周期光纖光柵（LPG）的周期一般認為有數百微米，它在特定的波長上可把纖芯的光耦合進包層，其公式如下：
li=(n0- niclad）·L ⑵
式中，n0—纖芯的折射率；niclad—i階軸對稱包層模的有效折射率。
光在包層中將由於包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長范圍上有許多的共振，其共振的中心波長主要取決於芯和包層的折射率差，由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移，通過檢測Dli，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上共振帶的響應通常有不同的幅度，因而適用於構建多參數感測器。

㈧ 光纖光柵感測器的原理(文字表示)

簡單的說，FBG感測器主要是靠改變光柵的折射率，再通過解調儀把對應的反射光解調出來。當FBG感測器測量外界的溫度、壓力或應力時，光柵自身的柵距發生變化，從而引起反射波長的變化，解調裝置即通過檢測波長的變化推導出外界溫度、壓力或應力。其實光纖光柵感測器的重點在光纖光柵解調儀的性能。

㈨ 光纖光柵的作用與原理

當布拉格光柵被寫入到光纖中後，應變或溫度的改變可以使光柵折射率改變，內影響某一帶寬內的反射波長發生容變化，通過解調儀處理器的檢測與轉換，把光譜信息變為可視的應變或溫度信息。這個作用就被製作成為光纖光柵感測器。
其主要原理就是光在光纖內的傳播特性，光纖光柵就是良好的提煉了某一些特性。