光纖光柵的定義，我們應(yīng)該如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)？

光纖光柵是一種通過(guò)一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，是一種無(wú)源濾波器件。由于光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點(diǎn)，并且其諧振波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因此在制作光纖激光器、光纖通信和傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光纖光柵的種類很多，主要分兩大類：一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵);二是透射光柵(也稱為長(zhǎng)周期光柵)。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵，色散補(bǔ)償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。

由于光纖光柵與光纖之間天然的兼容性，很容易將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣列，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感，加上光纖光柵具有普通光纖的許多優(yōu)點(diǎn)外，且本身的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制，測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗影響的特點(diǎn)，因此光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用引起了世界各國(guó)有關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大興趣。自從1989年Morey等人首先對(duì)光纖光柵的應(yīng)變和溫度傳感特性進(jìn)行了研究后，光纖光柵傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，現(xiàn)在人們已將其逐步應(yīng)用于多種物理量的測(cè)量，制成了各種傳感器。

民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的。通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀況。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面，或在梁的表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護(hù)。如果需要更加完善的保護(hù)，則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋，由于需要修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開(kāi)的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。

兩個(gè)具有相同中心波長(zhǎng)的光纖光柵代替法布里-珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里-珀羅干涉儀(FFH)，利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化，這一方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。用FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG，其中一個(gè)光柵用來(lái)測(cè)應(yīng)變，另一個(gè)被保護(hù)起來(lái)，免受應(yīng)力影響，以測(cè)量和修正溫度效應(yīng)，所以FFP～FBG實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量三個(gè)量：溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)。已在5mε的測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小于1με的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1nε/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。

在電力工業(yè)中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾和可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測(cè)量。

在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價(jià)的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對(duì)電線施加的過(guò)量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件，因此在線檢測(cè)電線壓力非常重要，特別是對(duì)于那些不易檢測(cè)到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測(cè)電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測(cè)到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。

在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對(duì)許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場(chǎng)或激光輻射的過(guò)高熱治療中，由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場(chǎng)的干擾而引起傳感頭或腫瘤周?chē)臒嵝?yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。為測(cè)定高頻輻射或微波場(chǎng)的安全性，需用超聲波傳感器檢測(cè)一系列醫(yī)療(包括超聲手術(shù)、過(guò)高熱治療、碎結(jié)石手術(shù)等)中所用的超聲診斷儀器的性能。近年來(lái)，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來(lái)越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小，光纖光柵傳感器是目前為止能夠做到的最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式測(cè)量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測(cè)了病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，在30℃-60℃的范圍內(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測(cè)量結(jié)果，超聲場(chǎng)的測(cè)量分辨率為10-3atm/Hz1/2，這為研究病變組織提供了有用的信息。

光纖光柵傳感器還可用來(lái)測(cè)量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測(cè)量肺動(dòng)脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對(duì)于心臟監(jiān)測(cè)是非常重要的。