光栅传感器 一文读懂光栅传感器

纸|传感器技术(WW_CGQJS)

光栅传感器是指基于光栅重叠光栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件。

通常使用的光栅是通过在玻璃板上雕刻大量平行的刻痕制成的。刻痕是不透明的部分，两个刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一个狭缝。精致的光栅上刻有数千甚至数万个1cm宽的刻痕。

这种通过透射光衍射的光栅称为透射光栅，在两个缺口之间也有通过反射光衍射的光栅。比如在涂有金属层的表面刻有许多平行的刻痕，两个刻痕之间光滑的金属表面可以反光。这种光栅就变成了反射光栅。光栅形成的光栅条纹具有光学放大和误差平均效应，可以提高测量精度。

光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统组成。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，会形成按正弦规律大致分布的明暗重叠光栅条纹。

这些条纹以光栅的相对速度运动，直接照射光电元件，在其输出端获得一系列电脉冲。数字信号通过放大、整形、辨向和计数系统输出，直接显示测量的位移。

光栅传感器的结构和工作原理

光栅传感器的结构由光源、主光栅、指示光栅、光孔和光电元件组成。

1.光源:钨丝灯泡，功率小，与光电元件配合使用，转换效率低，使用寿命短。砷化镓发光二极管等半导体发光器件可以在一定范围内工作，发光峰值波长接近硅光电晶体管的峰值波长，因此转换效率高，响应速度快。

2.光栅对:由主光栅和指示光栅组成，光栅间距相等。主光栅和指示器光栅相互重叠，但它们并不完全重合。网格线会错开一个小的夹角，从而获得莫尔条纹。主光栅一般是可移动的，可以独立移动，也可以随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围。指示光栅相对于光电器件固定。

3.通光孔:通光孔是照明器和感光器之间的通道，一般呈条状。它的长度由光感受器的排列长度决定，它的宽度由光感受器的大小决定。它附在指示栅板上。

4.受光元件:受光元件用于感应主光栅运动时产生的莫尔条纹的运动，从而测量位移。选择光敏元件时，应考虑灵敏度、响应时间、光谱特性、稳定性和体积等因素。

将主光栅和标尺光栅重叠，两者之间留有一个小间隙，两个光栅的划线之间形成一个微小的夹角θ，如图所示。

当被光源照射时，由于光阻挡效应(对于标线密度≤50条/mm的光栅)或光的衍射效应(对于标线密度≥100条/mm的光栅)，在近似垂直于标线的方向上形成明暗条纹。

在两个光栅的交叉处，光穿过间隙形成亮带；两条栅线交错处形成一条暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹间距与光栅距离w和两条光栅线之间的夹角θ(弧度)之间的关系如下

(k叫放大倍数)。

当指示光栅不移动时，主光栅与指示光栅之间始终保持夹角θ，当主光栅沿光栅的垂直方向相对移动时，莫尔条纹会沿光栅的刻线方向移动。光栅反方向移动，莫尔条纹也反方向移动。

每当主光栅移动一个光栅间距w时，莫尔条纹移动一个间距S..因此，通过测量莫尔条纹的运动，可以测量光栅运动的大小和方向，比直接测量光栅容易得多。

当主光栅在垂直于标线的方向上移动光栅间距w时，莫尔条纹移动条纹间距。当两条光栅线之间的夹角θ小时，从上面的公式可以知道，当W为常数时，θ越小，B越大，相当于将光栅距离W放大1/ θ倍。因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。

莫尔条纹由多条光栅线形成，对刻线误差有平均影响。它能在很大程度上消除由刻线误差引起的局部和短周期误差的影响，并能达到比光栅本身更高的测量精度。因此，测量光栅特别适用于小位移和高精度位移测量。

光栅传感器的特性

1.高精度。

光栅传感器在大范围测量长度或线性位移方面仅低于激光干涉传感器。光栅传感器是圆分度和角位移连续测量中最精确的。

2.大范围测量分辨率高。

感应同步器和磁光栅传感器也具有大量程测量的特点，但其分辨率和精度不如光栅传感器；

3、可实现动态测量，易于实现测量和数据处理的自动化；

4.它具有很强的抗干扰能力，对环境条件的要求不如激光干涉传感器严格，但适应性不如感应同步器和磁光栅传感器。油污和灰尘会影响其可靠性。主要适用于环境较好的实验室和车间。

光栅传感器的类型

光栅主要分为两类:一是布拉格光栅(也称反射式或短周期光栅)；另一种是透射光栅(也叫长周期光栅)。

光纤光栅在功能上可以分为周期结构和非周期结构，也可以分为滤波光栅和色散补偿光栅。色散补偿光栅是非周期光栅，也称为啁啾光栅。

光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅是由光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性，是指激光通过掺杂光纤时，折射率沿纤芯轴向周期性变化，从而在空之间形成永久相位，光纤光栅的折射率会随着光强在空之间的分布而相应变化。在纤芯中形成的空相位光栅的本质是在纤芯中形成窄带(透射或反射)滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光通过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将被反射，其他波长将继续通过光纤光栅传输。利用这一特性可以制造出许多性能独特的光纤器件。

啁啾光纤光栅传感器

工作原理与光纤布拉格光栅传感器基本相同。啁啾光纤光栅不仅会改变△λ b，还会在外界物理量的作用下展宽光谱。

当应变和温度同时存在时，这种传感器非常有用。啁啾光纤光栅由于应变的影响，使反射信号变宽，峰值波长发生偏移，而温度的变化由于折射率(DN/DT)的温度依赖性，只影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，可以同时测量应变和温度。

长周期光纤光栅传感器

长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为是几百微米。LPG将特定波长的光从纤芯耦合到包层:λ i = (n0-niclad) λ。其中n0是纤芯的折射率，niclad是一阶轴对称包层模的有效折射率。由于包层空空气界面的损耗，包层中的光会迅速衰减，留下一系列的损耗带。

独立的液化石油气可能在宽波长范围内有许多共振。LPG共振的中心波长主要取决于纤芯和包层的折射率差。由应变、温度或外部折射率变化引起的任何变化都会在共振中产生大的波长偏移。通过检测△λ i，可以获得外界物理量变化的信息。液化石油气共振带在给定波长下的响应通常具有不同的振幅，因此液化石油气适用于多参数传感器。

光栅传感器的应用领域

光栅传感器因其测量精度高、动态测量范围宽、无接触测量、系统易于自动化和数字化而在机械行业得到广泛应用。

光栅传感器在航天空航天器和船舶中的应用

先进的复合材料具有更好的抗疲劳和抗腐蚀性能，可以减轻船体或航天器的重量，对于快速运输或飞行具有重要意义。因此，复合材料越来越多地用于制造导航工具(如飞机机翼)。

为了全面测量船体的状况，需要知道甲板上不同部位的变形力矩、剪切压力和冲击力。普通船体需要100个左右的传感器，因此波长复用能力强的光纤光栅传感器最适合船体检测。

光纤光栅传感系统可以测量船体弯曲应力和海浪对湿甲板的砰击力。具有干涉检测性能的16通道光纤光栅复用系统成功实现了带宽为5kHz、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。

此外，为了监测飞机的应变、温度、振动、起降驾驶状态、超声场和加速度，通常需要100多个传感器，因此传感器应尽可能重量轻、尺寸小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最佳选择。

此外，实际上飞机复合材料中存在两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴应变和温度测量的理想智能元件。

光栅传感器在土木工程结构中的应用

土木工程结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。用于桥梁、矿山、隧道、水坝、建筑物等。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部荷载和状态，便于维护和状态监测。

光纤布拉格光栅传感器可以附着在结构表面，也可以预先嵌入结构中，可以同时检测结构的冲击、形状控制和振动阻尼，还可以监测结构的缺陷。此外，多个光纤光栅传感器可以串联形成传感网络，可以对结构进行准分布式检测，并通过计算机远程控制传感信号。

光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一是桥梁。在应用中，将一组光纤光栅粘贴在桥梁的复合肋表面，或者在梁的表面形成一个小凹槽，使光栅裸露的纤芯嵌入凹槽中(用于保护)。

如果需要更完善的保护，建桥时最好将格栅埋入复合钢筋中。同时，为了校正温度效应引起的应变，可以使用应力和温度分离的传感臂，这两个臂安装在每个梁上。

光栅传感器在电力工业中的应用

光纤光栅传感器不受电磁干扰，可实现长距离低损耗传输，是电力行业应用的理想选择。电线负载能力、变压器绕组温度、大电流等。可以通过光纤光栅传感器来测量。

在电力工业中，电流转换器可以将电流变化转化为电压变化，从而使压电陶瓷(PZT)变形。利用附着在压电陶瓷上的光纤光栅的波长漂移，很容易知道其形变，进而测量电流强度。这是一种相对便宜的方法，不需要复杂的电气隔离。

此外，大雪对导线施加过大的压力可能会导致危险事件，因此在线检测导线压力非常重要，尤其是对于山区难以检测的导线。

光纤布拉格光栅传感器可以测量导线的承载能力，其原理是将承载能力的变化转化为附着在导线上的金属板的应力变化，这种变化可以通过附着在金属板上的光纤布拉格光栅传感器来检测。

这是一个在恶劣环境下利用光纤光栅传感器实现远距离测量的例子。这种情况下，相邻光栅之间的距离较大，不需要快速调制解调。

近年来，冰和雨对输电线路杆塔的破坏频繁发生。为了监测输电塔的倾斜状态，常用的方法是将传感器检测到的塔倾斜信息发送给管理人员和监测计算机，在计算机中处理数据，并根据具体的数据处理结果发出报警信息；另一种方法是将电阻应变仪直接连接到输电塔的结构部件上，进行直接监控。这两种方法在应用时受到一些因素的限制，给监测工作带来不利影响。

近年来，光纤传感器的工程应用研究发展迅速。其中，光纤布拉格光栅传感器是一种以光纤布拉格光栅为敏感元件的功能型光纤传感器，它可以直接传感温度和应变，实现对许多其他与温度和应变相关的物理化学量的间接测量。光纤光栅传感器的应力变化数据可以反映塔架的倾斜状态，在监测塔架的倾斜状态方面具有很大的优势。

在利用光纤传感技术——光纤光栅(FBG)监测输电杆塔倾斜状态时，利用FBG应力变化引起的波长偏移信息，获得FBG感测到的应力变化信息，从而相应地获得杆塔倾斜状态信息，监测杆塔倾斜状态。

光栅传感器在医学中的应用

医学上使用的传感器多为电子传感器，不适用于很多医疗操作，尤其是在高微波(辐射)频率、超声场或激光辐射的治疗中。由于电子传感器中的金属导体容易受到电流、电压等电磁场的干扰，会在传感器头或肿瘤周围产生热效应，导致读数错误。

近年来，利用高频电流、微波辐射和激光代替手术进行热疗越来越受到医学界的关注。此外，传感器的小尺寸在医疗应用中非常重要，因为小尺寸对人体组织的伤害较小，光纤光栅传感器是迄今为止可以实现的最小传感器。它能以最小的侵入量测量人体组织中温度、压力和声波场的精确局部信息。

到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测出了病变组织的温度和超声场，并在30℃ ~ 60℃范围内获得了分辨率为0.1℃，精度为0.2℃的测量结果，而超声场的测量分辨率为10-3atm/Hz1/2，为病变组织的研究提供了有用的信息。

光纤光栅传感器也可以用来测量心脏的效率。这种方法是医生将嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，给病人注射一种冷溶液，可以测量肺动脉血液的温度，结合脉冲功率知道心脏的血液输出量，对心脏的监测非常重要。

光栅传感器在我国高速铁路运营安全技术中的应用

我们平时乘坐火车时，有时会感觉到很大的震动，乘坐时很不舒服，就是火车车轮上出现扁平的疤痕或多边形。平疤虽然只有几微米，但由于运行速度快，会对高铁产生很大的震动。传感器的作用是找出火车上平坦的疤痕出现在哪里。

所谓的光纤光栅监测系统，其实就是把碳纤维拉成光纤，然后植入光栅安装在火车和铁轨上的传感器。光栅接收到激光信号后，会有反射波长。根据光栅在列车不同位置的反射波长，可以实时监控列车安全。

高铁线路复杂多样，放置传感器成了大问题。光纤传感器的高明之处在于利用铁轨监测列车，即将传感器放置在铁轨的一小段，只需保证传感器铺设长度略长于一个车轮周长，就可以一次监测所有经过该段的列车车轮。同样，放置在轮子上的传感器也可以用来监控铁轨。

对于光纤光栅传感器的优点，一方面传统的传感器会受到火车和铁轨产生的电磁信号的干扰，而光纤则没有这个问题；另一方面，该中心开发的传感器质量较低，可以直接安装在高铁上，不影响列车的正常运行。

光栅传感器在数控机床中的应用

光栅传感器作为数控机床直线轴的位置检测元件，相当于人的“眼睛”，即在执行数控系统的运动指令后，“监控”直线轴是否真正准确地运行到数控系统指令要求的位置。

如果数控机床没有安装光栅传感器，那么直线轴能否达到数控系统要求的位置，完全取决于数控系统的调试精度和机械传动精度。

数控机床使用一段时间后，由于电气调试参数的修改和机械误差的增加，直线轴的位置可能与数控系统指令要求的位置不同。这时候数控系统根本不知道，维修操作人员也不知道。要想知道区别，维修人员必须对机床进行精度检测。

因此，数控机床没有配备光栅传感器，所以需要定期检查机床的精度。如果不小心忘记检查数控机床的精度，加工产品的精度可能会超出公差范围，甚至报废。

如果把光栅传感器安装在数控机床的直线轴上，上述问题就不用人费心了，光栅传感器就完成了这个任务。

如果线性轴由于机械原因没有准确到达位置，光栅传感器作为位置检测元件，会向数控系统发出指令，使线性轴能够到达更准确的位置，直到光栅传感器的分辨率无法分辨。

此时光栅传感器作为独立于机床的监控功能，就像人眼一样，它始终“监控”着直线轴的位置，保证直线轴能够达到数控系统所要求的位置。

总的来说，光栅传感器已经成为光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造技术的发展、性能的提高和应用开发研究成果的出现，光纤光栅传感器在传感器领域发挥着越来越重要的作用。广泛应用于土木工程结构、航空空航天工业、船舶工业、电力工业、石油化工、医药、核工业等。许多具有发展潜力和市场前景的实用技术正在研究中，这些技术的成熟将极大地推动国民经济建设。

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