浅析光纤光栅传感器及其应用

光导纤维（下文简称光纤）是光纤光栅中的构成基础，这一材料是一种圆柱形的介质光波导，其主要作用就是作为传输的工具，传输介质信号；另一方面则是作为传感器，用来检测外界各种参数的变化。一般的光纤大多是纤芯和包层组合而成，这样组合就可以形成光的全内反射，光纤自身的性质也主要是根据纤芯和包层的结构所决定。从二十世纪七十年代开始，人类首先制造出第一根较短周期的光纤光栅之后，通过多年的技术发展，这一制造技术已经不断完善并发展，且这一技术的使用领域也在不断扩大。尤其是近几年兴起的传感器，吸引世界范围内相关学者的关注。与以往的传感器相比，光纤光栅传感器有着其独有的特性，例如直径较细、质地较软且自身重量较轻，以及自身的绝缘性和抗干扰性等特点，更多的应用于工业、农业、医疗等领域。

1 光线的主要结构和介质传输的基本原理

（1）光线的主要构造。光线主要是借助石英和相类似的光学材料，通过对材料的拉伸和处理等工序，就可以创造出光波导材料。另外，在光纤的外部的涂抹和护套等工序挨到对光纤的保护作用，并且隔离不必要的杂波，其余的部分则是主要用来传输光波[1]。

（2）光线在光纤中的传输原理。光线在光纤中的传播原理大多有三种，并且都是通过射线的光学原理来分析的，主要内容如下：①通过子午线传播。纤芯的轴线创造出来的平面将其称为子午面，在这一平面上传播的光线统称为子午线，并且光纤的内部构成大多是锯齿状的，并且呈波纹的形式，但是不均匀的子午线则会形成周期性的曲线。②通过斜光线的传播。部分光线不会经过子午面，并且不会在同一个平面内传播光线，就会称其为斜光线。在充分满足反射的情况下，斜光线也会相应产生全反射。在均匀的光纤内部，斜光线的传播轨迹是射线，在其内部非均匀的光纤内部传播的轨迹则为螺旋线。③对光波的损耗。因为光纤材料在袖手和散射等方面存在的缺陷，以及光纤耦合的不完全性，导致光波在传输的过程中会呈现一定的衰减，可以借助光波的损耗程度测算光纤的长度。

2 光纤光栅传感器的实际应用

在实际研究的过程中，对这一传感器如何放置到被埋设物体中，是当前研究的重要方面。如果有较为长期的无损埋设的方式，可以在没有损耗的情况下，大大增强这一传感器的应用范围。

（1）这一传感器在检测的过程中使用的埋设方式。这一传感器在埋入混凝土内部时，主要有三种埋入的方式：第一，一般的埋设方式；补充埋设的方式；第三，粘贴的埋设方式。第一种埋设方式只需借助钢筋将光纤固定成功，最后在覆盖混凝土即可。施工完成之后，借助光纤光栅传感器对其埋设结果进行检测。第二种埋设的方式则是对特定的部位进行检测并开槽，最后再填充混凝土。最后一种埋设的方式则是通过借助粘贴的材料，将传感器贴在混凝土的表面进行检测工作。

（2）这一传感器的主要运输原理和构造。通过借助两条紫外线光束照射光纤，通过改变光纤内部的折射率，从而在光纤内部形成长时期的周期性折射率。当光纤进入所需的混凝土中时，会出现光纤长度的变化，同时光线的温度也会随之改变。在光纤中会串联好几个FBG，通过宽带光源发射出光线，并且折射进FBG中，如果接受检测的各点应变导致反射波长的变化，就要借助FBG进行检测，并将其转化为电信号，从侧面检测出整体结构的状态。

（3）借助FBG检测钢板加混凝土结构的主要内容。钢板混凝土表面一般出现破坏的形式大多是滑移、掀起和裂缝三种形式。根据传感器的使用效果将其分为三种类型，通过相关数据的监测发现，在加载被破坏之前，桥面并没有产生比较明显的滑移或者是掀起，混凝土也没有产生明显的裂痕，但是加载被破坏之后，就出现了明显的滑移状况。光纤光栅因为自身的结构多样化，导致自身具备各种优秀的性能，不仅仅是这一传感器的传输系统重要构成部分，同时在光纤的传感方面也承担着十分重要的作用。随着现代社会的发展，科学技术的进步，以光纤光栅为构造基础的传感器正在逐渐成为新时期的研究重点，且逐渐应用到各个领域中去，所产生的各种效益也逐渐彰显。

3 这一传感器的发展前景

这一传感器和以往的相比，更具备明显的特性：其检测的精度较高、灵敏度很强、有着良好的抗干扰能力、抗腐蚀性、结构较为简单、尺寸较小且适用于多个领域等等。当前阶段的主要研究方向在于，不断优化传感器自身的横向检测和灵敏度探析，且注重对温度变化检测的传感器研究，另外对于光栅中反射出的各种信号进行细致的分析，旨在创造出成本更少、更灵敏的检测技术，在实际应用的过程中，主要借助封装技术、对温度的补偿技术以及传感器的网络技术，实现对各个领域的传感技术的研发，例如航空航天、土木工程等等。随着社会的不断发展，科学技术也在不断向前发展，光纤光栅传感器会取代更多领域的传统传感器，应用到各个领域中去。

文章来源：《冶金与材料》 网址: http://www.yjyclzz.cn/qikandaodu/2021/0708/926.html