光纖布拉格光柵的點(diǎn)式光纖傳感器
光學(xué)應(yīng)變傳感器（或應(yīng)變儀）是用于壓縮和/或拉伸機(jī)械應(yīng)變（變形）的傳感器，這些傳感器基于光學(xué)技術(shù)-在大多數(shù)情況下基于光纖。它們可以基于不同的操作原理，如下所述。
注意，機(jī)械應(yīng)變是由機(jī)械力引起的。因此，應(yīng)變傳感還可以提供有關(guān)機(jī)械力或壓力的信息。
存在替代技術(shù)，例如機(jī)械和電子應(yīng)變傳感器。但是，光學(xué)應(yīng)變傳感器可以提供重要的優(yōu)勢(shì)。例如，它們可以在很寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，對(duì)電磁干擾不敏感，并且它們不需要電纜（這對(duì)于某些需要使用絕緣材料的高壓應(yīng)用很重要）。它們也適用于高帶寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量。參見(jiàn)下面有關(guān)光學(xué)應(yīng)變傳感器應(yīng)用的段落。
光學(xué)應(yīng)變傳感器的工作原理
基于光纖布拉格光柵的點(diǎn)式光纖傳感器
許多用于測(cè)量應(yīng)變的光纖傳感器都是基于光纖布拉格光柵（FBG）。該操作原理主要基于以下事實(shí)：施加到這種光柵上的應(yīng)變會(huì)影響光柵周期，從而影響布拉格波長(zhǎng)，即峰值反射率的波長(zhǎng)。所引起的應(yīng)變的變化的布拉格波長(zhǎng)的變化ε和溫度變化Δ??是[2]：
除了應(yīng)變的純粹幾何效應(yīng)（傳感器的伸長(zhǎng)，增加光柵周期）外，還有一種折射率變化引起的效應(yīng)，它取決于應(yīng)力光張量的普克爾斯系數(shù)和泊松比ν。本質(zhì)上，應(yīng)變減小了折射率，并且在某種程度上減小了增加的光柵周期的影響。對(duì)于二氧化硅纖維，減少量約等于22％。
使用光電查詢器，該光電查詢器將光發(fā)送到光柵傳感器并分析反射光以確定應(yīng)變量。例如，外腔二極管激光器適合作為光源。
為了測(cè)量機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變，例如在建筑物中，需要將基于FBG的傳感器連接到該構(gòu)件，以使其受到相同的應(yīng)變。一些表面應(yīng)變傳感器粘在平坦或有些彎曲的表面上。在其他情況下，可以使用其他連接傳感器的方法，例如點(diǎn)焊，擰緊或通過(guò)將傳感器的零件嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中。
一個(gè)挑戰(zhàn)是這種光柵的布拉格波長(zhǎng)也對(duì)溫度變化敏感。對(duì)于二氧化硅纖維，溫度變化1 K大致對(duì)應(yīng)于應(yīng)變變化10με。有多種溫度補(bǔ)償方法：
- 一個(gè)人可以使用第二個(gè)光柵，該光柵暴露在相同的溫度下，但沒(méi)有受到機(jī)械應(yīng)變。
- 在某些情況下，可以采用推挽配置的另一種技術(shù)，其中一個(gè)光柵在另一光柵被拉伸時(shí)被壓縮。然后，兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)之間的差異會(huì)對(duì)應(yīng)變產(chǎn)生反應(yīng)，而對(duì)溫度沒(méi)有反應(yīng)。
- 可以使用附加的溫度傳感器測(cè)量溫度，并使用已知的光柵溫度系數(shù)校正應(yīng)變測(cè)量值。
- 一個(gè)人可能使用兩種非常不同的詢問(wèn)波長(zhǎng)（例如在0.8-μm和1.5-μm區(qū)域），從而導(dǎo)致應(yīng)變和溫度響應(yīng)的比率不同。
另一方面，通過(guò)光波長(zhǎng)的應(yīng)變編碼使得這種傳感器對(duì)其他參數(shù)不敏感，例如沿著光纖的光功率損失或詢問(wèn)器的輸出功率。
對(duì)于某些應(yīng)用，應(yīng)變和溫度都是測(cè)量值。
基于FBG的應(yīng)變傳感器的分辨率可以優(yōu)于1με（即，相對(duì)長(zhǎng)度變化小于10?-6），并且精度可能不會(huì)低很多。例如，可以測(cè)量由1 K或更小的溫度變化引起的熱膨脹。同時(shí)，允許的測(cè)量范圍可以是±20.000με=±2％。動(dòng)態(tài)范圍因此可以大于40 dB。
對(duì)于具有高帶寬的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感（例如，用于研究聲學(xué)現(xiàn)象），可以使用更快的檢測(cè)方案，例如，使用不平衡的馬赫曾德爾光纖干涉儀，它將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)換為光功率的變化。在1 Hz的帶寬內(nèi)，靈敏度可大大優(yōu)于1nε。
準(zhǔn)分布式傳感器
基于FBG的傳感器技術(shù)的一個(gè)非常吸引人的特征是，可以在一根長(zhǎng)光纖中制造帶有許多這樣的光柵的準(zhǔn)分布式傳感器，并使用單個(gè)詢問(wèn)器，該詢問(wèn)器可以通過(guò)某種復(fù)用來(lái)處理所有不同的光柵。來(lái)自不同光柵的信號(hào)可以通過(guò)不同的方式進(jìn)行區(qū)分：
- 詢問(wèn)器可以發(fā)出光脈沖（例如，具有納秒或皮秒的持續(xù)時(shí)間）并監(jiān)視信號(hào)的到達(dá)時(shí)間（時(shí)分多路復(fù)用，TDM），由于光柵之間的光纖傳播時(shí)間延遲，信號(hào)的到達(dá)時(shí)間不同。
- 替代地，不同的光柵可以具有不同的布拉格波長(zhǎng)，從而可以通過(guò)將詢問(wèn)激光器調(diào)諧到其波長(zhǎng)來(lái)對(duì)每個(gè)光柵進(jìn)行尋址（波分復(fù)用，WDM）。除了激光器以外，還可以將寬帶光源（例如，超發(fā)光二極管）與某種光譜儀結(jié)合使用，例如與可調(diào)Fabry-Pérot濾波器或基于衍射光柵和CCD傳感器陣列的設(shè)備結(jié)合使用。
還可以結(jié)合兩種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)包含更多點(diǎn)傳感器（可能超過(guò)100個(gè)）的WDM / TDM系統(tǒng)。
與使用許多獨(dú)立傳感器相比，這種多點(diǎn)傳感器的成本可以低得多，因?yàn)楹?jiǎn)化了傳感器和電纜的安裝，并且可以使用單個(gè)詢問(wèn)器。
干涉式光纖布拉格光柵傳感器
在某些情況下，人們使用一對(duì)構(gòu)成法布里-珀羅干涉儀的布拉格光柵，其中一個(gè)通過(guò)諧振頻率的偏移來(lái)測(cè)量光柵之間的光纖應(yīng)變。當(dāng)使用具有不同布拉格波長(zhǎng)的光柵時(shí)，可以在一根光纖中再次使用該類型的多個(gè)傳感器?；蛘?，可以測(cè)量一根長(zhǎng)纖維的平均應(yīng)變。
基于微法布里-珀羅茲的傳感器
可以構(gòu)造小型Fabry-Pérot干涉儀，其中小的反射鏡距離（例如50μm）受待測(cè)應(yīng)變的影響。因此，峰值透射波長(zhǎng)將指示施加的應(yīng)變。代替?zhèn)鬏?，可以監(jiān)視共振中反射率的下降。探測(cè)光結(jié)束后，反射光可以通過(guò)單模光纖傳輸，以提供最大的便利。由于光纖僅用于傳輸光，而不用于實(shí)際的傳感器，因此該技術(shù)稱為非本征光纖傳感器，這與光纖本身充當(dāng)傳感器的固有傳感器相反。
Micro-Fabry–Pérot可以通過(guò)不同的方式生產(chǎn)，例如，通過(guò)在兩個(gè)光纖末端之間保持一定的機(jī)械部件（例如微管）之間的氣隙，或使用兩個(gè)具有反射性的熔接頭，例如在絕緣膜上涂覆電介質(zhì)涂層。光纖末端。
可以使Micro-Fabry–Pérot傳感器在比基于FBG的傳感器（可能會(huì)發(fā)生光柵退火）的更高溫度下工作。它們還可以提供非常高的應(yīng)變分辨率。另一方面，在單個(gè)光纖中不容易使用該類型的多個(gè)傳感器。
基于瑞利散射的分布式應(yīng)變傳感器
分布式光纖應(yīng)變傳感器可以用普通的單模光纖實(shí)現(xiàn)，不包含任何特殊結(jié)構(gòu)，例如光纖布拉格光柵。在許多情況下，人們使用在1.5微米光譜范圍內(nèi)運(yùn)行的電信光纖。
一種可能性是利用光纖中的瑞利散射。這是線性散射，這是由于光纖中的微觀變化所致，主要是折射率的波動(dòng)。與采用非線性散射的其他技術(shù)（請(qǐng)參閱下文）相比，該技術(shù)可獲得更強(qiáng)的信號(hào)，并且可以獲得較高的空間分辨率（例如幾毫米）。
可以使用干涉技術(shù)來(lái)分析背向散射光。本質(zhì)上，一個(gè)是將來(lái)自光纖的反射光與其他來(lái)自發(fā)出光的光疊加在一起。如果僅在光纖中的特定位置發(fā)生反射，則干涉儀的輸出將大約隨光頻率周期性變化探照燈?振蕩的速度取決于反射的位置。通過(guò)應(yīng)用傅立葉變換，可以將干涉儀信號(hào)分解為來(lái)自不同位置的反射的貢獻(xiàn)。這也可以通過(guò)基于隨機(jī)分布位置處的瑞利散射的反射來(lái)完成。當(dāng)被測(cè)光纖拉緊時(shí)，獲得的信號(hào)模式會(huì)移動(dòng)，可以使用合適的軟件進(jìn)行檢測(cè)。
該技術(shù)特別適合于以高空間分辨率但僅在有限的長(zhǎng)度（例如幾十米）上監(jiān)視應(yīng)變。
基于布里淵散射的分布式應(yīng)變傳感器
對(duì)于較長(zhǎng)纖維的應(yīng)變傳感，通常使用基于自發(fā)或受激布里淵散射的技術(shù)。例如，皮秒光脈沖從一個(gè)方向發(fā)送到光纖中，并且通過(guò)光學(xué)外差檢測(cè)分析了由于自發(fā)布里淵散射引起的相當(dāng)弱的反射分量。布里淵頻移取決于應(yīng)變和溫度，而空間分辨率可以通過(guò)時(shí)間延遲獲得。
可以使用基于受激布里淵散射的技術(shù)（稱為布里淵光學(xué)時(shí)延分析）來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。（BOTDA）。在此，使用了一個(gè)附加的弱連續(xù)波探測(cè)光束，該探測(cè)光束在與皮秒脈沖相反的方向上傳播。選擇其光頻率略低于脈沖頻率。然后，在脈沖和探測(cè)光束之間的光頻差與局部布里淵位移（取決于應(yīng)變和溫度）一致的位置處放大探測(cè)光束。（或者，當(dāng)探測(cè)光束的頻率高于脈沖頻率時(shí)，可以獲得非線性損失。）以可變的光學(xué)頻率差進(jìn)行這種測(cè)量，并且通過(guò)組合這些數(shù)據(jù)，可以有效地獲得布里淵圖。頻率與位置
這種技術(shù)的空間分辨率不如使用瑞利散射時(shí)高。另一方面，可以將它們與更長(zhǎng)的纖維結(jié)合使用-長(zhǎng)度通常超過(guò)10公里。因此，它們特別適用于例如管道監(jiān)控之類的應(yīng)用。
再次需要用于分離應(yīng)變和溫度影響的技術(shù)。如上文在光纖光柵傳感器的背景下討論的，可以應(yīng)用類似的思想。例如，一根纖維可以使用兩根暴露在相同溫度下的纖維，而一根纖維也可以感知應(yīng)變，而另一根纖維則保持松弛。
光學(xué)應(yīng)變傳感器的應(yīng)用
光學(xué)應(yīng)變傳感器的典型應(yīng)用是監(jiān)視技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，例如橋梁，隧道，礦山，建筑物，石油和天然氣管道，輸電線路，工業(yè)加工廠，飛機(jī)和風(fēng)能轉(zhuǎn)換器的葉片。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可以提高安全性，并使傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法過(guò)時(shí)，從而節(jié)省了成本。用長(zhǎng)光纖進(jìn)行分布式傳感的能力通常也很重要。有時(shí)，人們從同時(shí)測(cè)量溫度中獲利。
應(yīng)變傳感器在技術(shù)開發(fā)過(guò)程中也非常有用，例如在疲勞測(cè)試中，在受控條件下零件要承受高水平的應(yīng)變。此類測(cè)試對(duì)于保證正常運(yùn)行條件下的可靠性至關(guān)重要。
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