光纤光栅传感器工作原理

㈠ 光纤布拉格光栅传感器的工作原理

简单的说，FBG传感器主要是靠改变光栅的折射率，再通过解调仪把对应的反射光解调出来。当FBG传感器测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度、压力或应力。其实光纤光栅传感器的重点在光纤光栅解调仪的性能。

㈡ 光栅传感器的基本原理是什么莫尔条纹是如何形成的有和特点

光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。

传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种传感器的优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。

莫尔条纹

以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” 。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。

莫尔条纹

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。[1]

莫尔条纹具有以下特征：

(1)莫尔条纹的变化规律：两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。

(2)放大作用：在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系。式中，θ的单位为rad

㈢ 光栅测量原理

来测量光栅是一种特殊的光电自传感器，与普通的对射式光电传感器一样，包含相互分离且相对放置的发射器和收光器两部分，但其外形尺寸较大，为长管状。测量光幕发射器产生的检测光线并非如普通传感器般只有一束，而是沿长度方向定间距生成光线阵列，形成一个“光幕”，以一种扫描的方式，配合控制器及其软件，实现监控和测量物体外形尺寸的功能。

㈣ 光纤光栅传感器的简介

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即，多光纤光栅测量和单光纤光栅测量 。
多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。
单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。

㈤ 光纤光栅传感器

TGW光纤光栅感温火灾探测系统产品简介
目前国内外应用的光纤光栅传感技术由于受到光源带宽限制，一根光纤上光栅复用数量极为有限(不超过30个)，无法满足火灾探测所需测点需求。理工光科姜德生院士发明的编码光纤光栅、全同光纤光栅等多项专利技术，突破了传统光纤光栅产品所受技术瓶颈，能在一根光纤上制备数百个光栅测点，充分满足了石油石化、电力、隧道交通等行业中火灾探测的实际需求。同时，理工光科打破国外对光纤光栅波长解调的核心技术与器件长期以来的技术封锁，是目前国内唯一具有全套光纤光栅自主知识产权的单位，推出的廉价低速、中速、高速三类光纤光栅波长解调仪器，成功解决了不同行业领域的实际工程需要。

基此之上，理工光科率先将光纤光栅传感技术应用于石油石化、电力、隧道交通等行业中火灾探测报警，开发的TGW光纤光栅感温火灾探测系统经国家权威部门鉴定，属国内外首创，居国际领先水平，被评为国家重点新产品，2006年荣获国家公安部科学技术一等奖，2007年荣获国家技术发明二等奖。

部分业绩：
★世界跨度最大、承受荷载最重公铁两用斜拉桥长期安全监测—武汉天兴洲长江大桥
★世界规模最大公路隧道火灾安全监测—秦岭终南山隧道
★世界最高面板坝渗漏与结构长期安全监测—清江水布垭电站大坝
★国家四大战略储备油库火灾报警
★中石化90%大型油罐火灾报警
★我国第一条海底隧道火灾与结构安全监测—厦门翔安海底隧道
★国内最大隧道群火灾报警—沪蓉西高速公路隧道群
★三峡工程重点文物保护工程结构安全监测—白鹤梁文物保护工程结构安全在线监测
★武汉某电力研究所电力装备温度监测
系统技术特点：
 1、无电检测、本质安全防爆；
 2、采用光栅进行信号检测，信号数字化，不受光强起伏变化干扰，检测精确度高；
 3、按波长的不同设置防火分区，同步检测，真正实现实时监测；
 4、实现差定温复合报警，报警准确可靠；
 5、系统具有自检功能，可实时监测自身运行情况并输出故障报警声光信号；
 6、采用光纤传输信号，抗电磁干扰，运行稳定性好；
 7、信号衰减小，可远距离传输，实现远程监控；
 8、系统组成方便灵活，各检测系统相对独立，结构紧凑，安装维护方便；
 9、抗腐蚀性好，不怕潮湿，使用寿命长。
主要产品技术参数：
1、TGW-100光纤光栅感温火灾探测器
TGW-100光纤光栅感温火灾探测器
工作温度 -40℃~120℃
测量范围 0℃～100℃
报警温度误差 ±2.5℃
光缆传输距离 ≥25km
最小弯曲半径 300mm
2、TGW-100C光纤光栅感温火灾探测信号处理器
报警方式 差、定温复合、可复位
工作电源 24VDC
工作电流 <360mA
工作温度 0℃~40 ℃
外型尺寸 160mm×80mm×400mm (宽×高×深)
报警温度设定范围 65 ℃~95 ℃
输出信号 0.3A/30VDC无源触点9路
Rs422通讯信号、4~20mA信号
4、TGW-100D光纤光栅感温火灾探测信号处理器
报警方式 差、定温复合、可复位
工作电源 24VDC
工作电流 <750mA
工作温度 0℃~40 ℃
光 通 道 四路光纤同步运行
外型尺寸 450mm×130mm×290mm(宽×高×深)
报警温度设定范围 65 ℃~95 ℃
输出信号 4路温度报警开关信号、4路自检故障报警开关信号、RS485/232通讯信号。通过火灾报警控制器和上位计算机可实现分区温度显示、分区温度报警和各光路故障报警。

5、四通道通用型与高速光纤光栅波长解调器
四通道通用型与高速光纤光栅波长解调器主要由五个部分组成：第一部分为宽带光源；第二部分为可调法布里－珀罗滤波器；第三部分为四通道传感信号接入光路；第四部分为数字信号处理及放大电路；第五部分为计算机及软件分析处理系统。其技术特点是内部核心解调器使用自行研制的“多通道角度调谐光纤法布里－珀罗滤波器”。同时，利用光纤分路器代替光开关，可以进行同步扫描，提高了扫描速度。高速光纤光栅解调仪频率可达到300Hz，高于国外250Hz的速度水平。
这两种光纤光栅波长解调器适用于光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅压力传感器等各类光纤光栅传感器的信号检测，是光纤光栅传感器工业化应用与光纤光栅传感技术研究的必备设备。

㈥ 光栅传感器工作原理（简答题）

光栅的Bragg波长lB由下式决定：
lB=2nL ⑴
式中，n—芯模有效折射率； L—光栅周期。
当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，还可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），对电场等物理量的间接测量也能实现。
1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理
上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时，采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。
啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纤光栅除了DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn/dT），仅会影响重心的位置。因此通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。
2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理
长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：
li=(n0- niclad）·L ⑵
式中，n0—纤芯的折射率；niclad—i阶轴对称包层模的有效折射率。
光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，其共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测Dli，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同的幅度，因而适用于构建多参数传感器。

㈦ 光栅式传感器的光纤光栅传感器的工作原理

我们知道，光栅的Bragg波长lB由下式决定：
lB=2nL ⑴
式中，n—芯模有效折射率； L—光栅周期。
当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，还可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），对电场等物理量的间接测量也能实现。
1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理
上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时，采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。
啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下，啁啾光纤光栅除了DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn/dT），仅会影响重心的位置。因此通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。
2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理
长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：
li=(n0- niclad）·L ⑵
式中，n0—纤芯的折射率；niclad—i阶轴对称包层模的有效折射率。
光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，其共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测Dli，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同的幅度，因而适用于构建多参数传感器。

㈧ 光纤光栅传感器的原理(文字表示)

简单的说，FBG传感器主要是靠改变光栅的折射率，再通过解调仪把对应的反射光解调出来。当FBG传感器测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度、压力或应力。其实光纤光栅传感器的重点在光纤光栅解调仪的性能。

㈨ 光纤光栅的作用与原理

当布拉格光栅被写入到光纤中后，应变或温度的改变可以使光栅折射率改变，内影响某一带宽内的反射波长发生容变化，通过解调仪处理器的检测与转换，把光谱信息变为可视的应变或温度信息。这个作用就被制作成为光纤光栅传感器。
其主要原理就是光在光纤内的传播特性，光纤光栅就是良好的提炼了某一些特性。