光柵傳感器的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件。

一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕為不透光部分，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當(dāng)于一狹縫。精制的光柵，在1cm寬度內(nèi)刻有幾千條乃至上萬(wàn)條刻痕。

這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵成為反射光柵。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。

光柵傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。

這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并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(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量。

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)均由光源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件這幾個(gè)主要部分構(gòu)成。

1、光源：鎢絲燈泡，它有較小的功率，與光電元件組合使用時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。半導(dǎo)體發(fā)光器件，如砷化鎵發(fā)光二極管，可以在 范圍內(nèi)工作，所發(fā)光的峰值波長(zhǎng)為 ，與硅光敏三極管的峰值波長(zhǎng)接近，因此，有很高的轉(zhuǎn)換效率，也有較快的響應(yīng)速度。

2、光柵付：由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊，但又不完全重合。兩者柵線間會(huì)錯(cuò)開一個(gè)很小的夾角 ，以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動(dòng)的，它可以單獨(dú)地移動(dòng)，也可以隨被測(cè)物體而移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍。指示光柵相對(duì)于光電器件而固定。

3、通光孔：通光孔是發(fā)光體與受光體的通路，一般為條形狀，其長(zhǎng)度由受光體的排列長(zhǎng)度決定，寬度由受光體的大小決定。它是帖在指示光柵板上的。

4、受光元件：受光元件是用來(lái)感知主光柵在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生莫爾條紋的移動(dòng)，從而測(cè)量位移量。在選擇光敏元件時(shí)，要考慮靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、光譜特性、穩(wěn)定性、體積等因素。

將主光柵與標(biāo)尺光柵重疊放置，兩者之間保持很小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一個(gè)微小的夾角θ，如圖所示。

當(dāng)有光源照射時(shí)，由于擋光效應(yīng)(對(duì)刻線密度≤50條/mm的光柵)或光的衍射作用(對(duì)刻線密度≥100條/mm的光柵)，與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。

在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶;在兩光柵刻線的錯(cuò)開的地方，形成暗帶;這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ(單位為rad)之間的關(guān)系為

(K稱為放大倍數(shù))。

當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ，而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動(dòng);光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋也反向移動(dòng)。

主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)間距S。因此通過測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)，就能測(cè)量光柵移動(dòng)的大小和方向，這要比直接對(duì)光柵進(jìn)行測(cè)量容易得多。

當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當(dāng)兩個(gè)光柵刻線夾角θ較小時(shí)，由上述公式可知，W一定時(shí)，θ愈小，則B愈大，相當(dāng)于把柵距W放大了1/ θ倍。因此，莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對(duì)刻線誤差具有平均效應(yīng)，能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達(dá)到比光柵本身刻線精度更高的測(cè)量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位移、高精度位移測(cè)量。

光柵傳感器的特點(diǎn)

1、精度高。

光柵式傳感器在大量程測(cè)量長(zhǎng)度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?。在圓分度和角位移連續(xù)測(cè)量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的;

2、大量程測(cè)量兼有高分辨力。

感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測(cè)量的特點(diǎn)，但分辨力和精度都不如光柵式傳感器;

3、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化;

4、具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)性強(qiáng)，油污和灰塵會(huì)影響它的可靠性。主要適用于在實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境較好的車間使用。

光柵傳感器的種類

光柵主要分兩大類：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)。

光纖Bragg光柵傳感器

光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時(shí)，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位，光纖光柵的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。

當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)將透過光纖光柵繼續(xù)往前傳輸，利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。

啁啾光纖光柵傳感器

與光纖Bragg光柵傳感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△λB的變化外，還 會(huì)引起光譜的展寬。

這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)的拓寬和峰值波長(zhǎng)的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT)，僅影響重心的位置。通過同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。

長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器

長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米， LPG在特定的波長(zhǎng)上把纖芯的光耦合進(jìn)包層：λi= (n0-niclad)?Λ 。式中，n0為纖芯的折射率，niclad為i階軸對(duì)稱包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。

一個(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有許多的共振，LPG共振的中心波長(zhǎng)主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長(zhǎng)位移，通過檢測(cè)△λi，就可獲得外界物理量變化的信息。 LPG在給定波長(zhǎng)上的共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。

光柵傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

由于光柵傳感器測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣、可進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量、易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

光柵傳感器在航空航天器及船舶中的應(yīng)用

先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對(duì)于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)的機(jī)翼)。

為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，普通船體大約需要100個(gè)傳感器，因此波長(zhǎng)復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測(cè)。

光纖光柵傳感系統(tǒng)可測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測(cè)量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測(cè)性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。

另外，為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)，起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。

另外，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測(cè)量的理想智能元件。

光柵傳感器在民用工程結(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。對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來(lái)說，通過測(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，方便進(jìn)行維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)。

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，還以監(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)，并通過計(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，或在梁的表面開一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中(便于防護(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。同時(shí)，為了修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。

光柵傳感器在電力工業(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，電壓變化可使壓電陶瓷(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，進(jìn)而測(cè)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)力變化即可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)。

近年來(lái)，因冰雨導(dǎo)致的輸電線路桿塔的損壞時(shí)有發(fā)生。為了監(jiān)測(cè)輸電桿塔的傾斜狀態(tài)，常用的方法是用GSM桿塔儀將傳感器檢測(cè)到的桿塔傾斜信息發(fā)送給管理人員和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)具體的數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出報(bào)警信息;另一種方法是將電阻應(yīng)變片直接貼在輸電桿塔的結(jié)構(gòu)件上，直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這2種方法在應(yīng)用時(shí)，都受到一些因素的限制，給監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)不利的影響。

近幾年，光纖傳感器的工程應(yīng)用研究迅速發(fā)展。其中，光纖光柵傳感器是用光纖布拉格光柵作為敏感元件的功能型光纖傳感器，可以直接傳感溫度和應(yīng)變以及實(shí)現(xiàn)與溫度和應(yīng)變有關(guān)的其他許多物理量和化學(xué)量的間接測(cè)量。通過光纖光柵傳感器的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)可以反映出桿塔的傾斜狀態(tài)，將這種方法應(yīng)用在桿塔的傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)中會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。

使用光纖布拉格光柵這一光纖傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸電線桿塔傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，利用光纖布拉格光柵上應(yīng)力變化引起的波長(zhǎng)位移信息，得到光柵所感應(yīng)到的應(yīng)力變化信息，從而對(duì)應(yīng)得到桿塔的傾斜狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔傾斜狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

光柵傳感器在醫(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圍的熱效應(yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。

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，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過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，而超聲場(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。

光柵傳感器在我國(guó)高鐵運(yùn)行安全技術(shù)中的應(yīng)用

我們平時(shí)搭乘列車，有時(shí)會(huì)覺得震動(dòng)很大，乘車不舒服，這就是列車車輪出現(xiàn)了扁疤或者多邊形。扁疤雖然只有幾微米，但因?yàn)楦哞F運(yùn)行速度快，卻會(huì)對(duì)高鐵產(chǎn)生極大震動(dòng)。而傳感器的作用，就是發(fā)現(xiàn)列車哪些地方出現(xiàn)了扁疤。

所謂光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)就是將碳纖維拉成光纖，再刻成光柵以安裝在列車和鐵軌上的傳感器。光柵接收到激光信號(hào)后，會(huì)有反射波長(zhǎng)，根據(jù)列車不同位置光柵反射回的波長(zhǎng)情況，就可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車安全。

高鐵線路復(fù)雜多樣，放置傳感器成為了一個(gè)大問題。光纖傳感器的高明之處就在于利用鐵軌監(jiān)測(cè)列車，即在鐵軌的某一小段放置傳感器，只要保證傳感器鋪放長(zhǎng)度稍大于一個(gè)車輪周長(zhǎng)，就能將所有經(jīng)過這一段的列車車輪全部監(jiān)測(cè)一次。同理，也可利用在車輪上放置傳感器監(jiān)測(cè)鐵軌。

對(duì)于光纖光柵傳感器的優(yōu)勢(shì)，一方面，傳統(tǒng)的傳感器使用電信號(hào)會(huì)受到火車及鐵軌產(chǎn)生的電磁信號(hào)干擾，而光纖則不存在這個(gè)問題;另一方面，中心研發(fā)的傳感器質(zhì)量小，可直接安裝在高鐵上，并不影響列車正常運(yùn)行。

光柵傳感器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

光柵傳感器作為數(shù)控機(jī)床直線軸的位置檢測(cè)元件，相當(dāng)于人的“眼睛”，就是“監(jiān)視”該直線軸在執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的移動(dòng)指令后，該直線軸是否真正準(zhǔn)確地運(yùn)行到數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置。

如果數(shù)控機(jī)床沒有安裝光柵傳感器，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出直線軸的移動(dòng)指令后，直線軸能否到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)要求的位置，完全依靠數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試的精度和機(jī)械傳動(dòng)精度來(lái)保障。

數(shù)控機(jī)床使用一段時(shí)間后，由于電氣調(diào)試參數(shù)的修改和機(jī)械誤差的加大等原因，該直線軸很可能和數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置相差很多，這時(shí)候數(shù)控系統(tǒng)根本不知道，維修和操作機(jī)床的人員也不知道，要想知道這個(gè)差距，維修人員就要對(duì)機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)。

所以數(shù)控機(jī)床沒有安裝光柵傳感器，就要定期對(duì)機(jī)床的精度進(jìn)行檢查，一不小心，一旦忘記檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的精度，很可能導(dǎo)致加工的產(chǎn)品精度超差甚至報(bào)廢。

如果數(shù)控機(jī)床的直線軸安裝了光柵傳感器，上述問題就不用人來(lái)操心了，由光柵傳感器來(lái)完成這個(gè)使命。

如果該直線軸由于機(jī)械等原因沒有準(zhǔn)確到達(dá)該位置，光柵傳感器作為位置檢測(cè)元件，會(huì)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，使該直線軸能夠到達(dá)比較準(zhǔn)確的位置，直到光柵傳感器的分辨率分辨不出來(lái)。

這時(shí)的光柵傳感器充當(dāng)了獨(dú)立于機(jī)床之外的監(jiān)督功能，象人的眼睛一樣，一直“監(jiān)視”著直線軸的位置，保證了直線軸能夠達(dá)到數(shù)控系統(tǒng)要求的位置。