光纖光柵傳感器的分類
這些傳感器主要包括光纖光柵應變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等。
應變
此種傳感器是在工程領(lǐng)域中應用最廣泛,技術(shù)最成熟的光纖傳感器。應變直接影響光纖光柵的波長漂移,在工作環(huán)境較好或是待測結(jié)構(gòu)要求精小傳感器的情況下,人們將裸光纖光柵作為應變傳感器直接粘貼在待測結(jié)構(gòu)的表面或者是埋設在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。由于光纖光柵比較脆弱,在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞,因而需要對其進行封裝后才能使用。目前常用的封裝方式主要有基片式、管式和基于管式的兩端夾持式。
溫度
溫度是國際單位制給出的基本物理量之一,是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù),同時也是與人們?nèi)粘I蠲芮邢嚓P(guān)的一個重要物理量。目前,比較常用的電類溫度傳感器主要是熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。光纖溫度傳感與傳統(tǒng)的傳感器相比有很多優(yōu)點,如靈敏度高,體積小,耐腐蝕,抗電磁輻射,光路可彎曲,便于遙測等?;诠饫w光柵技術(shù)的溫度傳感器,采用波長編碼技術(shù),消除了光源功率波動及系統(tǒng)損耗的影響,適用于長期監(jiān)測;而且多個光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng),采用一根光纜,可實現(xiàn)準分布式測量。
溫度也是直接影響光纖光柵波長變化的因素,人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應用。同光纖光柵應變傳感器一樣,光纖光柵溫度傳感器也需要進行封裝,封裝技術(shù)的主要作用是保護和增敏,人們希望光纖光柵能夠具有較強的機械強度和較長的壽命,與此同時,還希望能在光纖傳感中通過適當?shù)姆庋b技術(shù)提高光纖光柵對溫度的響應靈敏度。普通的光纖光柵其溫度靈敏度只有0.010 nm/℃左右,這樣對于工作波長在1550nm的光纖光柵來說,測量100℃的溫度范圍波長變化僅為lnm。應用分辨率為lpm的解碼儀進行解調(diào)可獲得很高的溫度分辨率,而如果因為設備的限制,采用分辨率為0. 06nm的光譜分析儀進行測量,其分辨率僅為6度,遠遠不能滿足實際測量的需要。目前常用的封裝方式有基片式、管式和聚合物封裝方式等。
位移
研究人員開展了應用光纖光柵進行位移測量的研究,目前這些研究都是通過測量懸臂梁表面的應變,然后通過計算求得懸臂梁垂直變形,即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器,目前這種傳感器在實際工程已取得了應用,國內(nèi)亦具有商品化產(chǎn)品。
加速度計
1996年,美國的Berkoff等人利用光纖光柵的壓力效應設計了光纖光柵振動加速度計。轉(zhuǎn)換器由質(zhì)量板、基板和復合材料組成,質(zhì)量板和基板都是6mm厚的鋁板,基板作為剛性板起支撐作用,中間為8mm厚的復合材料夾在兩鋁板中間起彈簧的作用。在質(zhì)量塊的慣性力作用下,埋在復合材料中的光纖光柵受到橫向力作用產(chǎn)生應變,從而導致光纖光柵的布拉格波長變化。采用非平衡M-Z干涉儀對光纖光柵的應變與加速度間的關(guān)系進行解調(diào).1998年,Todd采用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器設計了光柵加速度計。加速度傳感器由兩個矩形梁和一個質(zhì)量塊組成,質(zhì)量塊通過點接觸焊接在兩平行梁中間,光纖光柵貼在第二個矩形梁的下表面。在傳感器受到振動時,在慣性力的作用下,質(zhì)量塊帶動兩個矩形梁振動使其產(chǎn)生應變,傳遞給光纖光柵引起波長移動。這種傳感器也在國內(nèi)已經(jīng)有了商品化的產(chǎn)品。
壓力
對拉力或壓力的監(jiān)測也是監(jiān)測的一部分重要內(nèi)容,如橋梁結(jié)構(gòu)的拉索的整體索力、高緯度海洋平臺的冰壓力,以及道路的土壤壓力,水壓力等。哈工大歐進萍等人相繼開發(fā)出了光纖光柵拉索壓力環(huán)和光纖光柵冰壓力傳感器,英國海軍研究中心開發(fā)了光纖光柵土壤壓力傳感器,用以監(jiān)測公路內(nèi)部的荷載情況。并且各國相繼開始光纖光柵油氣井壓力傳感器的研究工作。
除以上介紹的光纖光柵傳感器外,光纖光柵研究人員和傳感器設計人員基于光纖光柵的傳感原理,還設計出光纖光柵伸長計,光纖光柵曲率計,光纖光柵濕度計,以及光纖光柵傾角儀,光纖光柵連通管等。此外,人們還通過光纖光柵應變傳感器制成用于測量公路運輸情況的運輸計、用于測量公路施工過程中瀝青應變的應變計等。