光纖光柵傳感器及其應(yīng)用

廖光萌，何建新，朱玉琴，王莞

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

1978 年，Hill 等[1]通過駐波法在摻鍺石英光纖上寫入光柵，制作了世界上第一只能夠?qū)崿F(xiàn)反向模式耦合的光纖光柵，從此打開了光纖光柵應(yīng)用的大門。1996 年，Bhatia 等[2]首次將光纖光柵引入傳感領(lǐng)域。之后，隨著光纖光柵傳感技術(shù)的快速發(fā)展，光纖光柵傳感器逐漸成為各國(guó)研究學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，并在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、石油化工以及土木工程等領(lǐng)域的應(yīng)用中大放異彩。與傳統(tǒng)的電磁、壓電類傳感器相比，光纖光柵傳感器表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。首先，光纖本身的材質(zhì)是基于玻璃纖維或聚合物材料，傳感部分也不涉及任何電磁元件，所以以光波作為信息載體的光纖光柵傳感器可以不被電磁干擾，在復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境下也能使用。其次，光纖光柵尺寸小、質(zhì)量輕，不易影響被測(cè)環(huán)境，且能夠嵌入到材料內(nèi)部對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，光纖光柵傳感器靈敏度高，周圍環(huán)境較小的擾動(dòng)變化都會(huì)引起光纖光柵物理參量的改變，從而引起光信號(hào)參量的改變。光纖光柵傳感器還可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，在一根光纖中串聯(lián)多個(gè)光柵，對(duì)在光纖傳輸通道上的各個(gè)光柵隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控，這就為工程化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 光纖光柵的原理

光纖光柵是一種用于實(shí)現(xiàn)纖芯模、包層導(dǎo)模以及包層輻射模之間模式耦合和波長(zhǎng)選擇的光纖器件，通過采用光刻和全息干涉等技術(shù)，使纖芯折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制，本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)濾波器。光纖光柵的中心波長(zhǎng)主要取決于有效折射率和光柵周期，因?yàn)橛行д凵渎屎凸鈻胖芷诘淖兓梢苑从惩饨绛h(huán)境的變化，所以光纖光柵能夠作為傳感器，光纖光柵傳感原理如圖1 所示。

圖1 光纖光柵傳感原理Fig.1 Schematic diagram of fiber grating sensing

2 光纖光柵的分類

隨著光纖光柵制作設(shè)備和工藝的發(fā)展，光纖光柵開發(fā)出不同類型。根據(jù)柵格周期分布是否均勻，可以將光纖光柵分為均勻周期光纖光柵和非均勻周期光纖光柵。均勻周期光纖光柵纖芯的折射率變化周期和折射率變化幅度均沿光纖軸向恒定不變，代表性的光纖光柵如光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵、傾斜光纖光柵。非均勻周期光纖光柵纖芯的折射率變化周期和折射率變化幅度沿光纖軸向變化，包括啁啾光纖光柵、相移光纖光柵等。下面主要介紹4 種常見的光纖光柵：光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵、傾斜光纖光柵以及啁啾光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵是極具代表性、應(yīng)用較為廣泛的光纖光柵之一，又被稱為短周期光纖光柵，光柵周期通常為亞微米級(jí)。光纖布拉格光柵的光耦合發(fā)生在傳輸方向相反的模式之間，屬于反射型帶通濾波器，其反射帶較窄，峰值波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)。當(dāng)光波通過布拉格光柵時(shí)，對(duì)滿足相位匹配條件的光會(huì)形成強(qiáng)烈反射，對(duì)不滿足相位匹配條件的光形成弱反射，相位匹配條件為[3]：

式中：n0表示光柵區(qū)的有效折射率；Λ表示光柵周期。從式（1）可以看出，光纖布拉格光柵通過誘導(dǎo)n0和Λ的變化對(duì)溫度和應(yīng)變本能的敏感，所以常用作溫度和應(yīng)變傳感器。

當(dāng)溫度變化時(shí)，會(huì)引起光柵周期與有效折射率的改變，使布拉格波長(zhǎng)發(fā)生偏移。因此，波長(zhǎng)偏移量ΔλT與溫度變化ΔT的關(guān)系式可以表示為：

式中：α為光纖材料的膨脹系數(shù)；β為折射率隨溫度的變化率。從式（3）可以看出，在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)α與β均為常數(shù)時(shí)，波長(zhǎng)偏移量與溫度變化量成正比關(guān)系。

光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感原理是應(yīng)變引起光柵周期和有效折射率改變，從而使布拉格波長(zhǎng)發(fā)生偏移。因此，波長(zhǎng)偏移量Δλε與應(yīng)變?chǔ)う诺年P(guān)系式可以表示為：

當(dāng)軸向應(yīng)力作用于光纖光柵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彈光效應(yīng)和彈性形變，這2 種現(xiàn)象會(huì)分別引起光柵周期和有效折射率的變化。因此，化簡(jiǎn)后，波長(zhǎng)偏移量Δλε與應(yīng)變?chǔ)う诺年P(guān)系式可以表示為[4]：

式中：Pe為彈光系數(shù)，通常Pe可以看作一個(gè)常數(shù)。從式（5）可以看出，波長(zhǎng)偏移量與軸向應(yīng)力兩者呈線性關(guān)系。

對(duì)光纖布拉格光柵而言，溫度的影響一直存在，所以光纖布拉格光柵應(yīng)力傳感器的波長(zhǎng)偏移量會(huì)同時(shí)受到應(yīng)力和環(huán)境溫度的影響，如果要實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的精確測(cè)量，必須考慮溫度的影響。2013 年，Huang 等[5]制備了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)哪て綁毫鞲衅鳎? 個(gè)光纖布拉格光柵沿徑向直接粘合在膜片上，利用正負(fù)應(yīng)變的2 個(gè)布拉格波長(zhǎng)位移差作為傳感信號(hào)，補(bǔ)償了溫度交叉的影響，壓力與波長(zhǎng)的線性度達(dá)到99.996%，但傳感器靈敏度不高，在0～1 MPa 的壓力范圍內(nèi)只有1.57 pm/kPa。2017 年，Liang 等[6]人開發(fā)了一種采用膜片和懸臂梁作為傳感單元的光纖光柵壓力傳感器，極大地提高了壓力傳感靈敏度，同時(shí)避免了溫度交叉的影響。它是將2 個(gè)光纖布拉格光柵分別貼合在懸臂的頂面和底面，利用這2 個(gè)位置光柵的布拉格波長(zhǎng)差作為測(cè)量信號(hào)，傳感器可以實(shí)現(xiàn)0～10 MPa 壓力范圍內(nèi)的測(cè)量，線性擬合度高達(dá)99.997%，靈敏度高達(dá)339.956 pm/MPa。光纖布拉格光柵對(duì)溫度、應(yīng)力的測(cè)量已經(jīng)趨于成熟，但對(duì)光纖布拉格光柵的研究還未止步，例如如何使用光柵進(jìn)行光柵橫向應(yīng)變感測(cè)、1 個(gè)光柵如何同時(shí)感測(cè)溫度和應(yīng)變的變化，以及如何實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度等問題，都是光纖布拉格光柵未來(lái)的研究方向。

2.2 長(zhǎng)周期光纖光柵

1996 年，Vengsarkar 等[7]第一次在氫載硅鍺光纖上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期光纖光柵的制備，拉開了長(zhǎng)周期光纖光柵研究的序幕。對(duì)于長(zhǎng)周期光纖光柵而言，光柵周期為數(shù)十或數(shù)百微米，與布拉格光纖光柵的傳輸特性和測(cè)量原理不同，它是纖芯模式與前向傳輸?shù)陌鼘幽Ｊ降鸟詈?，屬于透射型帶阻濾波器。光源通過光柵后，傳輸光譜產(chǎn)生相應(yīng)諧振波長(zhǎng)的傳輸損耗，呈現(xiàn)出1 個(gè)或多個(gè)衰減帶，這些諧振波長(zhǎng)需要滿足相位匹配條件[8]：

式中：nco和ncl分別表示纖芯模和包層模的有效折射率。由式（6）可以看出，Λ或者ncl的變化會(huì)引起諧振波長(zhǎng)的偏移，所以長(zhǎng)周期光纖光柵可以作為溫度、折射率傳感器。

長(zhǎng)周期光纖光柵表征包層模特征的有效折射率對(duì)光纖周圍環(huán)境非常敏感。根據(jù)此原理，2007 年，Tang 等[9]利用長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行了氯離子濃度檢測(cè)，在不同鹽濃度的水溶液中，測(cè)量精度約0.6%。另外，采用在長(zhǎng)周期光纖光柵表面涂覆一層膠體金納米顆粒的方法，使得傳感器靈敏度提高了約2 倍。2016 年，Urrutia 等[10]通過納米組裝技術(shù)開發(fā)了聚丙烯胺鹽酸鹽和聚丙烯酸半包裹的長(zhǎng)周期光纖光柵，使得長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)環(huán)境濕度變得敏感，通過監(jiān)測(cè)濕度引起的波長(zhǎng)變化來(lái)達(dá)到測(cè)量相對(duì)濕度（RH）的目的。經(jīng)測(cè)試，在RH為20%～80%內(nèi)，靈敏度到達(dá)了63.23 pm/%。2019 年，Wang 等[11]將聚乙二醇/聚乙烯醇復(fù)合膜涂覆在長(zhǎng)周期光纖光柵表面，制備了一種高靈敏度光纖濕度傳感器，在RH為50%～70%內(nèi)，靈敏度高達(dá)2.485 nm/%，此傳感器同時(shí)具備較好的可逆性和穩(wěn)定性。利用長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)外界折射率敏感的特征，將外界濃度變化與光纖包層模有效折射率結(jié)合，可對(duì)氣體、液體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，這使得長(zhǎng)周期光纖光柵有望在健康診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)上取得重要應(yīng)用。

2.3 傾斜光纖光柵

傾斜光纖光柵與普通光纖光柵最大的區(qū)別就是光柵條紋與光纖法線存在一定角度θ，如圖2 所示。因?yàn)楣鈻艃A斜角的引入，傾斜光纖光柵不僅使前向傳導(dǎo)的入射光被有效激發(fā)至后向傳導(dǎo)的包層模，同時(shí)保留了布拉格光柵反向傳輸?shù)墓饽Ｊ?，所以傾斜光纖光柵一般對(duì)外界折射率、光纖彎曲較為靈敏。

圖2 傾斜光纖光柵Fig.2 Tilted fiber grating

布拉格光柵偏轉(zhuǎn)角度θ就得到傾斜光柵，如圖3 所示。因此，傾斜光纖光柵的光柵周期Λg可以表示為：

圖3 布拉格光柵周期與傾斜光柵周期Fig.3 Bragg grating period and tilted grating

式中：Nco為光纖纖芯的有效折射率；Ncl為包層的有效折射率。

傾斜光纖光柵具有豐富的光學(xué)特性，對(duì)于其在腐蝕、濕度、應(yīng)變傳感上的應(yīng)用研究十分廣泛。Islam等[13]報(bào)道了傾斜光纖光柵在腐蝕監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，采用外加電流法對(duì)在NaCl 溶液中的鋼筋進(jìn)行加速腐蝕，根據(jù)包層諧振波長(zhǎng)變化監(jiān)測(cè)腐蝕過程，與布拉格波長(zhǎng)的低階包層共振相比，高階包層共振表現(xiàn)出更高的靈敏度。2017 年，Chiu 等[14]制備了一種在光柵表面涂覆石墨烯氧化物作為濕度敏感層的傾斜光纖光柵濕度傳感器，該傳感器的線性度為0.996，具有0.01 nm/%的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)有效的相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)。2018年，Liu 等[15]利用傾斜光纖光柵實(shí)現(xiàn)了折射率和液體表面張力的測(cè)量，通過傾斜光纖光柵截止波長(zhǎng)的波長(zhǎng)位移來(lái)確定折射率，然后測(cè)量?jī)A角最大包層諧振波長(zhǎng)的強(qiáng)度變化得到表面張力。傾斜光纖光柵獨(dú)特的光柵結(jié)構(gòu)，使光信號(hào)可以出現(xiàn)更多的可能性，這將使傾斜光纖光柵擁有更大的開拓潛力和發(fā)展空間。

2.4 啁啾光纖光柵

1995 年，Putnam 等[16]利用氫氟酸刻蝕的方法制備了啁啾光纖光柵，通過在錐形光纖受到一定的軸向拉力的情況下寫入光柵，在去除拉力時(shí)，光柵周期自然收縮，形成的光柵周期沿著光纖軸向單調(diào)、連續(xù)變化。線性啁啾光纖光柵的周期是隨著z軸而變化的，光柵周期Λ(z)以表示為[17-18]：

式中：Λ0為初始光柵周期；F為啁啾系數(shù)，表征啁啾程度的常數(shù)；z為沿光柵的位置；L為光柵長(zhǎng)度。啁啾光纖光柵的反射光波長(zhǎng)則可以表示為：

啁啾光纖光柵的特點(diǎn)是柵格周期沿纖芯軸向不為常數(shù)，軸向不同位置可以反射不同波長(zhǎng)的光，所以它的反射譜帶寬一般比均勻周期光纖光柵寬。利用這個(gè)特點(diǎn)，2017 年，Wei 等[19]介紹了一種啁啾光纖光柵傳感器測(cè)量爆速的方法，利用啁啾光纖光柵長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系提取爆速，速度相對(duì)不確定度小于1%。2018 年，Korganbayev 等[20]又制備了一種可同時(shí)用于溫度、溫度梯度、折射率測(cè)量的啁啾光纖光柵傳感器，通過蝕刻線性啁啾光纖光柵的一部分，獲得刻蝕和未刻蝕2 個(gè)不同的區(qū)域。由于這2 個(gè)區(qū)域的光譜不同，因此該傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度和折射率的交叉補(bǔ)償，但對(duì)小折射率值難以測(cè)量。2021 年，Ayupova 等[21]提出了一種同時(shí)用于雙折射和溫度傳感的金包層錐形啁啾光纖光柵，折射率和溫度靈敏度分別達(dá)到382.83 dB/RIU 和9.893 pm/℃。啁啾光纖光柵是一種多參數(shù)功能的傳感元件，具有反射帶寬、色散穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以用于實(shí)時(shí)溫度分布、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和暴速測(cè)試等。

3 光纖光柵傳感器的應(yīng)用

3.1 光纖光柵在溫度傳感上的應(yīng)用

對(duì)于光纖光柵傳感器而言，不僅可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)傳感測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。早在19 世紀(jì)80 年代就有人提出了分布式測(cè)量的概念[22-23]，將多個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光柵串聯(lián)在光纖上，當(dāng)寬帶光源在光纖中傳播，每個(gè)光柵過濾出不同中心波長(zhǎng)的光，通過波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，對(duì)中心波長(zhǎng)的變化進(jìn)行解析，從而測(cè)量出不同光柵位置的物理參量。光纖光柵溫度傳感可以方便地利用復(fù)用技術(shù)進(jìn)行分布式溫度測(cè)量。2007 年，Kulchin 等[24]利用這種分布式特點(diǎn)研究了一種基于光纖布拉格光柵傳感器的新型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，能夠及時(shí)進(jìn)行定溫報(bào)警和上升速率報(bào)警，可以根據(jù)最高溫度的位置輕松確定火源，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)距離內(nèi)的溫度分布和溫度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)在公路隧道火災(zāi)報(bào)警中得到廣泛應(yīng)用。2011 年，Xiang 等[25]將光纖光柵用于電氣設(shè)備的過熱保護(hù)，利用光纖光柵的溫度與布拉格波長(zhǎng)具有良好線性關(guān)系的特點(diǎn)，采用光纖光柵作為溫度傳感器。他們開發(fā)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量，利用了光纖本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)還可用于石油、化工以及礦井等易燃易爆場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)溫度的在線監(jiān)測(cè)。光纖光柵分布式的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)象、長(zhǎng)距離、大范圍的溫度監(jiān)控，這為工程化的應(yīng)用提供了巨大的便利。除此以外，小尺寸、穩(wěn)定性能強(qiáng)的特點(diǎn)，使光纖光柵傳感器能自由地布置在各種復(fù)雜環(huán)境。2012 年，鄧建剛等[26]設(shè)計(jì)了嵌入式光纖光柵傳感器的繞組電磁線，其測(cè)溫線性度大于0.99，靈敏度約10 pm/℃，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.5 ℃，可以精確測(cè)量變壓器繞組的真實(shí)溫度，同時(shí)不受電磁場(chǎng)干擾，光纖光柵尺寸小，也十分利于變壓器內(nèi)的嵌入和引出。隨著光纖光柵制造技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵溫度傳感器在惡劣高溫環(huán)境中也得到應(yīng)用。2019 年，Yang 等[27]使用飛秒激光器通過逐點(diǎn)方法制造了基于波分復(fù)用藍(lán)寶石光纖布拉格光柵的溫度傳感器，在1 200 ℃下進(jìn)行熱平衡，通過了110 h、1 000 ℃的穩(wěn)定性測(cè)試，并分別在商用燃煤和燃?xì)忮仩t中部署了42、48 d，在整個(gè)測(cè)試期間，傳感器的性能保持良好。該傳感器的測(cè)量范圍可以實(shí)現(xiàn)從室溫到1 200 ℃的測(cè)量，預(yù)計(jì)最高溫度限制可達(dá)1 900 ℃。光纖光柵溫度傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了分布式、精準(zhǔn)式以及復(fù)雜惡劣環(huán)境的測(cè)量，還逐漸朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。最近，Peng 等[28]設(shè)計(jì)了一種智能電氣設(shè)備光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。該系統(tǒng)同時(shí)具有報(bào)警和顯示分析功能，分析測(cè)量不確定度為0.072 5 ℃，系統(tǒng)的故障判斷時(shí)間不超過4.73 s，具有精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵傳感器在溫度監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用十分成功，在工程建筑、電力系統(tǒng)、石油化工、冶金礦業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績(jī)，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，市場(chǎng)也在不斷提出新的挑戰(zhàn)。未來(lái)，大型傳感器陣列、大范圍溫度監(jiān)測(cè)以及智能化監(jiān)測(cè)將是光纖光柵溫度傳感器的主要研究賽道。

3.2 光纖光柵在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

早在20 世紀(jì)末，光纖光柵就已經(jīng)用于橋梁的健康監(jiān)測(cè)[29]，并且得到了很好的驗(yàn)證。伴隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，光纖光柵傳感器在橋梁健康監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用也取得了眾多突破。2017 年，Yazdizadeh 等[30]使用光纖布拉格光柵傳感器完成了3種不同等級(jí)混凝土收縮和蠕變的測(cè)量，這種方法可以對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及橋梁橋墩結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。與布置在混凝土表面的電阻應(yīng)變計(jì)相比，鑄造在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖光柵傳感器更不容易損壞，監(jiān)測(cè)壽命更長(zhǎng)，但總應(yīng)變相差15%。同年，Hu 等[31]開發(fā)了適用于懸索頻率檢測(cè)的高靈敏度和良好重復(fù)性的光纖光柵傳感器，根據(jù)弦振動(dòng)理論，將振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換為索力，實(shí)現(xiàn)了不破壞橋梁結(jié)構(gòu)下對(duì)索力的間接測(cè)量。這種監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)在懸索類橋梁結(jié)構(gòu)上得到驗(yàn)證，并成功檢測(cè)出索力異常。一般的位移傳感器需要固定參考點(diǎn)[32]，以達(dá)到測(cè)量的目的。2019 年，Bonopera 等[33]研究了一套評(píng)估橋面承載能力的光纖光柵差分沉降傳感系統(tǒng)，無(wú)需任何固定的地面參考點(diǎn)，可以測(cè)得橋梁的垂直位移。經(jīng)驗(yàn)證，該傳感器測(cè)量的位移與線位移傳感器記錄的相應(yīng)位移平均校準(zhǔn)差異為0.8%，與千分表記錄的相應(yīng)位移平均絕對(duì)差異為 0.6 mm。同年，Zhang 等[34]設(shè)計(jì)了一種基于“擺式等強(qiáng)度梁”的光纖光柵傾角傳感器，通過傾角變化測(cè)量大跨度懸臂橋的撓度，撓度監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的范圍達(dá)到±100 mm，靈敏度為10.566 pm/mm，具有測(cè)量靈敏度高、耐長(zhǎng)期往復(fù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，并且這種測(cè)量方法克服了大跨徑懸臂橋施工期撓度監(jiān)測(cè)工序繁雜、布線困難、無(wú)法實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)等諸多不足。光纖光柵傳感器可以在各種類型結(jié)構(gòu)的橋梁上得到應(yīng)用，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋、振動(dòng)、位移以及撓度等相關(guān)參數(shù)的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)，但要滿足實(shí)際工程應(yīng)用，仍然存在一定差距。例如傳感器耐久性問題，滿足長(zhǎng)期、大規(guī)模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高性能解調(diào)設(shè)備，以及統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程都有待解決。

光纖光柵被認(rèn)為在眾多傳感元件中最有可能集成在材料表面或者內(nèi)部，作為監(jiān)測(cè)材料結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，并探測(cè)其損傷的傳感器，在航空器健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中潛力巨大。2017 年，Cui 等[35]介紹了一種基于光纖布拉格光柵測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼形變的方法，機(jī)翼的應(yīng)變通過附著在模型翼型表面上的光纖光柵獲得，并且建立了有限元模型，將理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均誤差低于5%，這對(duì)機(jī)翼的安全部署和有效運(yùn)行具有重要意義。2019 年，Kwon 等[36]提出了一種基于嵌入式光纖布拉格光柵傳感器的飛機(jī)機(jī)翼載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于應(yīng)變分布和飛行參數(shù)的飛行測(cè)量，以及機(jī)翼載荷的估計(jì)。這種將光柵嵌入結(jié)構(gòu)中的測(cè)試方法，可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部目標(biāo)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，同時(shí)滿足高精度、分布式的監(jiān)測(cè)要求，相比傳統(tǒng)傳感方式更加適用于飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。除此以外，光纖光柵傳感器還在飛機(jī)起落架應(yīng)變/應(yīng)力監(jiān)測(cè)上得到應(yīng)用。2019 年，Iadicicco 等[37]將多個(gè)光纖光柵組成傳感網(wǎng)絡(luò)，并集成在阻力支架的不同位置，通過液壓機(jī)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果非常吻合，展示了光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)載荷測(cè)量方面的巨大潛力。光纖光柵具有尺寸小、靈敏度高、抗電磁干擾以及無(wú)電傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，適合大面積分布式、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，這對(duì)于航天器來(lái)說尤為重要。對(duì)航天器機(jī)體結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變、疲勞等相關(guān)特征進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，可以有效預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷甚至剩余壽命。然而，目前所取得的研究成果與航天傳感領(lǐng)域的應(yīng)用需求還存在較大的差距，高密度、高精度、多參量監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感系統(tǒng)仍然是長(zhǎng)期需要進(jìn)行探索的研究方向。

3.3 光纖光柵在腐蝕研究上的應(yīng)用

腐蝕帶來(lái)的危害以及經(jīng)濟(jì)損失都是巨大的，除了采取必要的防腐手段，對(duì)腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及預(yù)警手段也十分重要。光纖光柵由于耐腐蝕、靈敏度高的特點(diǎn)引起了研究者們的廣泛關(guān)注。2015 年，Zhang 等[38]制備了一種基于鐵膜光纖光柵的鋼腐蝕傳感器，采用磁控濺射技術(shù)在光纖光柵上形成鐵膜，通過分析光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移量和峰值功率的變化檢測(cè)腐蝕狀態(tài)。2016 年，Tan 等[39]開發(fā)了一種非破壞性系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的方法，將光纖布拉格光柵傳感器固定在鋼筋上，以監(jiān)測(cè)由腐蝕引起的膨脹應(yīng)變，并通過觀察波長(zhǎng)變化來(lái)監(jiān)測(cè)其性能。他們研究了帶有聚二甲基硅氧烷涂層的光柵和裸光柵各自對(duì)腐蝕發(fā)生的監(jiān)測(cè)靈敏度，結(jié)果證明，帶有聚二甲基硅氧烷涂層的光柵比裸光柵具有更高的腐蝕靈敏度。另外，聚二甲基硅氧烷具有很好的耐化學(xué)性，能一定程度上保護(hù)光柵，增長(zhǎng)光柵的使用壽命，但當(dāng)聚二甲基硅氧烷大量吸收化學(xué)物質(zhì)后，也可能會(huì)降低其檢測(cè)腐蝕信號(hào)的有效性。2018 年，Tang 等[40]采用鐵碳涂層長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)了鋼筋在腐蝕過程中引起的質(zhì)量損失，觀察到鋼筋在3.5% NaCl 溶液中的波長(zhǎng)變化靈敏度為0.124 mg/nm，在砂漿中的波長(zhǎng)變化靈敏度為0.405 mg/nm，鐵碳涂層長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器顯示出對(duì)鋼腐蝕損失測(cè)量的高靈敏度，但該方法僅適合早期腐蝕監(jiān)測(cè)。目前，光纖光柵對(duì)金屬腐蝕的研究主要集中在腐蝕狀態(tài)的檢測(cè)和對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響上，由于腐蝕過程的復(fù)雜性，腐蝕傳感的很多問題還未得到解決，例如傳感信號(hào)與金屬腐蝕程度之間的定量關(guān)系是什么，金屬腐蝕如何引起光纖光柵靈敏度變化等，這使得光纖光柵在金屬腐蝕過程在線監(jiān)測(cè)方面還沒有真正的工程化應(yīng)用。未來(lái)有必要對(duì)光纖光柵傳感器在腐蝕檢測(cè)上的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性提出更高要求，結(jié)合新的傳感原理和敏感材料，對(duì)腐蝕過程進(jìn)行定性分析和定量監(jiān)測(cè)。

3.4 光纖光柵在其他方面的應(yīng)用

光纖光柵傳感技術(shù)的開發(fā)利用還擴(kuò)展到了水位監(jiān)測(cè)、離子檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用。Tan 等[41]在長(zhǎng)周期光纖光柵表面涂上聚電解質(zhì)層和金納米顆粒層用于水中的汞離子檢測(cè)，其中聚電解質(zhì)層用來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)周期光纖光柵的靈敏度，納米金粒子用來(lái)檢測(cè)汞離子，吸附在納米金顆粒層上的汞離子會(huì)引起光纖光柵外部折射率的變化，通過監(jiān)測(cè)光響應(yīng)的變化檢測(cè)水中汞離子。Chiavaioli 等[42]提出了一種基于二氧化鈦薄膜的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，通過檢測(cè)由生物識(shí)別元件與認(rèn)知元素結(jié)合引起的折射率變化的共振響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)抗原免疫球蛋白G 的檢測(cè)。Janczuk-Richter等[43]利用一種高靈敏度長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器完成了病毒檢測(cè)，并且這種方法具有通用性，選擇合適的抗體還能檢測(cè)其他病毒。由于尺寸小，光纖光柵可以進(jìn)入人體內(nèi)部測(cè)量信息，同時(shí)避免了對(duì)人體造成大量傷害。Razeghi 等[44]利用這一特點(diǎn)測(cè)量了氣管內(nèi)導(dǎo)管與氣管之間的接觸壓力，為醫(yī)學(xué)治療提供了有價(jià)值的信息。Wang 等[45]研制了由5 個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵串聯(lián)組成的傳感器，用于測(cè)量液位和流體流速，可在水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)灌溉等方面進(jìn)行應(yīng)用。Marques 等[46]提出了一種基于嵌入式光纖布拉格光柵的高靈敏度液位監(jiān)測(cè)傳感器，該傳感器在液位升降過程中具有較高的重復(fù)性，可用于飛機(jī)燃油的監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器在人類社會(huì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為科學(xué)研究、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起到巨大的推動(dòng)作用，但目前大多數(shù)光纖光柵傳感器還停留在試驗(yàn)研究階段，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化，還需要更多、更深入的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

光纖光柵傳感器在許多方面的性能都比傳統(tǒng)的電磁、壓電類傳感器更穩(wěn)定、更可靠、更準(zhǔn)確，不僅能進(jìn)行單點(diǎn)高精度測(cè)量，而且能適應(yīng)智能化、分布式、多參量的測(cè)試要求，滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。目前，光纖光柵產(chǎn)品已經(jīng)商品化，但光纖光柵傳感器還是一個(gè)方興未艾的行業(yè)。光纖光柵傳感器未來(lái)的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：

1）結(jié)合一些新的傳感原理，開發(fā)能同時(shí)感測(cè)多個(gè)物理參量的光纖光柵傳感器。

2）研究信號(hào)解析系統(tǒng)，開發(fā)低成本、集成化、可靠性高的傳感系統(tǒng)。

3）研究光纖光柵傳感器封裝技術(shù)和寬帶光源，提高光纖光柵傳感器的實(shí)用能力。

4）研究光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度、快速原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

光纖光柵傳感器作為新一代的智能傳感器，相信會(huì)有越來(lái)越多的研究成果從實(shí)驗(yàn)研究階段走向工程應(yīng)用階段。