光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過一定的技術(shù)來測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測(cè)量技術(shù)大體可分為兩類，即多光纖光柵測(cè)量和單光纖光柵測(cè)量。

　　多光纖光柵測(cè)量主要包括混合FBG/長(zhǎng)周期光柵(long period grating)法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。FBG/LPG法解調(diào)簡(jiǎn)單，但很難保證測(cè)量的是同一點(diǎn)，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測(cè)量位置，提高了測(cè)量精度，但光柵強(qiáng)度低，信號(hào)解調(diào)困難。光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測(cè)量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)困難，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號(hào)解調(diào)也比較復(fù)雜。

　　單光纖光柵測(cè)量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預(yù)制應(yīng)變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機(jī)物對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對(duì)溫度或應(yīng)力靈敏度，克服交叉敏感效應(yīng)。這種方法的制作簡(jiǎn)單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應(yīng)靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分測(cè)量。這種方法解調(diào)簡(jiǎn)單，且解調(diào)為波長(zhǎng)編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測(cè)量范圍偏小等問題。預(yù)制應(yīng)變法是首先給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應(yīng)力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復(fù)，其中心反射波長(zhǎng)不變;而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復(fù)，從而導(dǎo)致了這部分光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)改變，因此，這個(gè)光纖光柵有2個(gè)反射峰，一個(gè)反射峰(粘貼在懸臂梁上的部分)對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感;另一個(gè)反射峰(未粘貼部分)只對(duì)溫度敏感，通過測(cè)量這2個(gè)反射峰的波長(zhǎng)漂移可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。

　　光纖光柵傳感器特點(diǎn)

　　(1)抗電磁干擾:一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。

　　(2)電絕緣性能好，安全可靠:光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無需電源驅(qū)動(dòng)，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。

　　(3)耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定:由于制作光纖的材料一石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。

　　(4)體積小、重量輕，幾何形狀可塑。

　　(5)傳輸損耗小:可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。

　　(6)傳輸容量大:可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。

　　(7)測(cè)量范圍廣:可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、 電壓、液位、液體濃度、成分等。

　　光纖光柵傳感器分類

　　這些傳感器主要包括光纖光柵應(yīng)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(yīng)變

　　此種傳感器是在工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的光纖傳感器。應(yīng)變直接影響光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，在工作環(huán)境較好或是待測(cè)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(yīng)變傳感器直接粘貼在待測(cè)結(jié)構(gòu)的表面或者是埋設(shè)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(duì)其進(jìn)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(guó)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(xué)實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)，同時(shí)也是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的一個(gè)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(diǎn)，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(cè)等。基于光纖光柵技術(shù)的溫度傳感器，采用波長(zhǎng)編碼技術(shù)，消除了光源功率波動(dòng)及系統(tǒng)損耗的影響，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);而且多個(gè)光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。

　　溫度也是直接影響光纖光柵波長(zhǎng)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(yīng)用。同光纖光柵應(yīng)變傳感器一樣，光纖光柵溫度傳感器也需要進(jìn)行封裝，封裝技術(shù)的主要作用是保護(hù)和增敏，人們希望光纖光柵能夠具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和較長(zhǎng)的壽命，與此同時(shí)，還希望能在光纖傳感中通過適當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)提高光纖光柵對(duì)溫度的響應(yīng)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(duì)于工作波長(zhǎng)在1550nm的光纖光柵來說，測(cè)量100℃的溫度范圍波長(zhǎng)變化僅為lnm。應(yīng)用分辨率為lpm的解碼儀進(jìn)行解調(diào)可獲得很高的溫度分辨率，而如果因?yàn)樵O(shè)備的限制，采用分辨率為0. 06nm的光譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，其分辨率僅為6度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際測(cè)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(yīng)用光纖光柵進(jìn)行位移測(cè)量的研究，目前這些研究都是通過測(cè)量懸臂梁表面的應(yīng)變，然后通過計(jì)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(shí)際工程已取得了應(yīng)用，國(guó)內(nèi)亦具有商品化產(chǎn)品。

　　加速度計(jì)

　　1996年，美國(guó)的Berkoff等人利用光纖光柵的壓力效應(yīng)設(shè)計(jì)了光纖光柵振動(dòng)加速度計(jì)。轉(zhuǎn)換器由質(zhì)量板、基板和復(fù)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(fù)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(fù)合材料中的光纖光柵受到橫向力作用產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)變化。采用非平衡M-Z干涉儀對(duì)光纖光柵的應(yīng)變與加速度間的關(guān)系進(jìn)行解調(diào).1998年，Todd采用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了光柵加速度計(jì)。加速度傳感器由兩個(gè)矩形梁和一個(gè)質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊通過點(diǎn)接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個(gè)矩形梁的下表面。在傳感器受到振動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊帶動(dòng)兩個(gè)矩形梁振動(dòng)使其產(chǎn)生應(yīng)變，傳遞給光纖光柵引起波長(zhǎng)移動(dòng)。這種傳感器也在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了商品化的產(chǎn)品。

　　壓力

　　對(duì)拉力或壓力的監(jiān)測(cè)也是監(jiān)測(cè)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(tái)的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進(jìn)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(guó)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(cè)公路內(nèi)部的荷載情況。并且各國(guó)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(shè)計(jì)人員基于光纖光柵的傳感原理，還設(shè)計(jì)出光纖光柵伸長(zhǎng)計(jì)，光纖光柵曲率計(jì)，光纖光柵濕度計(jì)，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(yīng)變傳感器制成用于測(cè)量公路運(yùn)輸情況的運(yùn)輸計(jì)、用于測(cè)量公路施工過程中瀝青應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)等。

　　自從1989年美國(guó)的Morey等人首次進(jìn)行光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感器研究以來，世界各國(guó)都對(duì)其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究，在短短的10多年時(shí)間里光纖光柵己成為傳感領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)，并在很多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，如航空航天、土木工程、復(fù)合材料、石油化工等領(lǐng)域。

　　1、土木及水利工程中的應(yīng)用

　　土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(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)和健康狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的.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)局部的載荷及健康狀況.。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)行健康檢測(cè)、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。

　　2、在橋梁安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　目前, 應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件,其他土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固體系,如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況,因此對(duì)這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測(cè)及在此基礎(chǔ)上的安全分析評(píng)估具有重大意義。

　　加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量的橋梁之一(1993 年), 16 個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 而這在以前被認(rèn)為是不可能。德國(guó)德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋, 德累斯頓大學(xué)的Meis-sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中, 測(cè)量荷載下的基本線性響應(yīng), 并且用常規(guī)的應(yīng)變測(cè)量?jī)x器作了對(duì)比試驗(yàn), 證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。瑞士應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中, 使用了32個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)箱形梁被推拉時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè), 32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。

　　2003年6月，同濟(jì)大學(xué)橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測(cè)項(xiàng)目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測(cè)大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。

　　施工情況：整個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施主要包括傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析三大步。在盧浦大橋選定的端面上布設(shè)了8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和4個(gè)光纖光柵溫度傳感器，其中8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器串接為1路，4個(gè)溫度傳感器串接為1路，然后通過光纖傳輸?shù)綐蚬芩?，?shí)現(xiàn)大橋的集中管理。數(shù)據(jù)測(cè)量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來確定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，完成橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試。

　　3、在混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　1989年, 美國(guó)Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中, 并描述了實(shí)際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后, 美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

　　在混凝土結(jié)構(gòu)澆注時(shí)所遇到的一個(gè)非常棘手的問題是: 如何才能在混凝土澆搗時(shí)避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫于普通單模通訊光纖上, 其質(zhì)地脆, 易斷裂, 為適應(yīng)土木工程施工粗放性的特點(diǎn), 在將其作為傳感器測(cè)量建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施。

　　一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應(yīng)變傳感器的光纖線路后, 將混凝土應(yīng)變傳感器用鐵絲等按照預(yù)定位置固定在鋼筋籠中, 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對(duì)粘貼式鋼筋應(yīng)變傳感器一般則用外涂膠層進(jìn)行保護(hù)。

　　2003年9月，上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光纖光柵傳感應(yīng)變計(jì)埋設(shè)于混凝土中對(duì)北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量。上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光線光柵應(yīng)變計(jì)具有精度高(一般為1με，如果是小量程的應(yīng)變測(cè)量，可以達(dá)到0.5με)、可靠性高、安裝方式多樣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用于北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑中，布設(shè)在鋼梁上并埋設(shè)在混凝土中對(duì)支柱鋼梁進(jìn)行施工過程監(jiān)測(cè)。

　　4、在水位遙測(cè)中的應(yīng)用

　　在光纖光柵技術(shù)平臺(tái)上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測(cè)量。傳感器的精度可以到達(dá)±0.1%F·S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)FBG與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時(shí)，水位的變化會(huì)拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長(zhǎng)會(huì)隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長(zhǎng)的偏移就可以監(jiān)測(cè)出水位的變化。

　　5、在公路健康檢測(cè)中的應(yīng)用

　　公路健康監(jiān)測(cè)必要性：

　　交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國(guó)家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。，而破壞一般都是因?yàn)槠嚦d，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過程以及使用過程中進(jìn)行健康檢測(cè)是非常有必要的?，F(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對(duì)公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。