傳感器技術編輯整理
1978 年加拿大渥太華通信研究中心的K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏效應，並採用駐波寫入法製成世界上第一根光纖光柵。隨後，美國聯合技術研究中心的G·Meltz等人實現了光纖Bragg光柵(FBG)的UV雷射側面寫入技術，使光纖光柵的製作技術實現了突破性進展。
光纖光柵定義及分類
光纖光柵是利用光纖中的光敏性製成的。所謂光纖中的光敏性是指雷射通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的特性。而在纖芯內形成的空間相位光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。
利用這一特性可製造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬範圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環境塵埃影響等一系列優異性能。
光纖光柵的種類很多，主要分兩大類：一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵)；二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。
下面簡單介紹幾種光纖光柵：
1. 均勻光纖光柵
均勻光纖Bragg光柵折射率變化的周期一般為0.1um量級。它可將入射光中某一確定波長的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領域，均勻光纖Bragg光柵可用於製作溫度傳感器、應變傳感器等傳感器;在光通信領域，均勻光纖Bragg光柵可用於製作帶通濾波器、分插復用器和波分復用器的解復用器等器件。
2、均勻長周期光纖光柵
均勻長周期光纖光柵折射率變化的周期一般為100um量級，它能將一定波長範圍內入射光前向傳播芯內導模耦合到包層模並損耗掉。在傳感器領域，長周期光纖光柵可用於製作微彎傳感器、折射率傳感器等傳感器;在光通信領域，長周期光纖光柵可用於製作摻餌光纖放大器增益平坦器、模式轉換器、帶阻濾波器等器件。
3、切趾光纖光柵
對於一定長度的均勻光纖Bragg光柵，其反射譜中主峰的兩側伴隨有一系列的側峰，一般稱這些側峰為光柵的邊模。如將光柵應用於一些對邊模的抑制比要求較高的器件如密集波分復用器，這些側峰的存在是一個不良的因素，它嚴重影響器件的信道隔離度。為減小光柵邊模，人們提出了一種行之有效的辦法一切趾，所謂切趾就是用一些特定的函數對光纖光柵的折射率調製幅度進行調製。經切趾後的光纖光柵稱為切趾光纖光柵，它反射譜中的邊模明顯降低。
4、相移光纖光柵
相移光纖光柵是由多段m（M>2)具有不同長度的均勻光纖Bragg光柵以及連接這些光柵的M-1個連接區域組成.相移光纖光柵因為在其反射譜中存在一透射窗口可直接用作帶通濾波器。
5、取樣光纖光柵
取樣光纖光柵也稱超結構光纖光柵，它是由多段具有相同參數的光纖光柵以相同的間距級聯成。除了用作梳狀濾波器之外，取樣光纖光柵還可用wdm系統中的分插復用器件。與其他分插復用器件不同的是，取樣光纖光柵構成的分插器件
可同時分或插多路信道間隔相同的信號。
6、chirped光纖光柵
所謂chirped光纖光柵，是指光纖的纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向逐漸變大(小)形成的一種光纖光柵。在chirped光纖光柵軸向不同位置可反射不同波長的入射光。所以chirped光纖光柵的特點是反射譜寬，在反射帶寬內具有漸變的群時延，群時延曲線的斜率即光纖光柵的色散值。所以，可以利用chirped光纖光柵作為色散補償器。
光纖光柵的三大用途包括對光線的控制、合成和路由，在光纖技術、光纖通信及光纖傳感等高技術領域中有極其廣泛的應用。
光柵的Bragg波長λB由下式決定:
λB = 2nΛ (1-1)
式中，n為芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其它物理量發生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發生變化，從而使反射光的波長發生變化，通過測量物理量變化前後反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。
如利用磁場誘導的左右旋極化波的折射率變化不同，可實現對磁場的直接測量。此外，通過特定的技術，可實現對應力和溫度的分別測量，也可同時測量。通過在光柵上塗敷特定的功能材料(如壓電材料)，還可實現對電場等物理量的間接測量。下面簡單介紹兩種不同光纖光柵傳感器的工作原理：
上面介紹的光柵傳感器系統，光柵的幾何結構是均勻的，對單參數的定點測量很有效，但在需要同時測量應變和溫度或者測量應變或溫度沿光柵長度的分布時，就顯得力不從心。一種較好的方法就是採用啁啾光纖光柵傳感器。啁啾光纖光柵由於其優異的色散補償能力而應用在高比特遠程通信系統中。
與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了△λB的變化外，還會引起光譜的展寬。這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由於應變的影響導致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化則由於折射率的溫度依賴性(dn／dT),僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。
2、長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理
長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認為有數百微米，LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進包層：λi=(n0-niclad)·Λ。式中，n0為纖芯的折射率，niclad為i階軸對稱包層模的有效折射率。光在包層中將由於包層／空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長範圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長主要取決於芯和包層的折射率差，由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移，通過檢測△λi，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應通常有不同的幅度，因而LPG適用於多參數傳感器。
光纖光柵傳感器的優勢
與傳統的傳感器相比,光纖Bragg光柵傳感器具有自己獨特的優點:
1、傳感頭結構簡單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結構中, 可測量結構內部的應力、應變及結構損傷等, 穩定性、重複性好;
2、與光纖之間存在天然的兼容性, 易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高;
3、具有非傳導性, 對被測介質影響小, 又具有抗腐蝕、抗電磁幹擾的特點, 適合在惡劣環境中工作;
4、輕巧柔軟, 可以在一根光纖中寫入多個光柵, 構成傳感陣列, 與波分復用和時分復用系統相結合, 實現分布式傳感;
5、測量信息是波長編碼的, 所以, 光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態的變化等因素的影響, 有較強的抗幹擾能力;
6、高靈敏度、高分辯力。
正是由於具有這麼多的優點,近年來,光纖光柵傳感器在大型土木工程結構、航空航天等領域的健康監測,以及能源化工等領域得到了廣泛的應用。
光纖Bragg光柵傳感器無疑是一種優秀的光纖傳感器，尤其在測量應力和應變的場合，具有其它一些傳感器無法比擬的優點，被認為是智能結構中最有希望集成在材料內部，作為監測材料和結構的載荷，探測其損傷的傳感器。
由於光柵傳感器測量精度高、動態測量範圍廣、可進行無接觸測量、易實現系統的自動化和數位化，因而在機械工業中得到了廣泛的應用。
光柵傳感器在航空太空飛行器及船舶中的應用
先進的複合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或太空飛行器的重量，對於快速航運或飛行具有重要意義，因此複合材料越來越多地被用於製造航空航海工具（如飛機的機翼）。
為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，普通船體大約需要100個傳感器，因此波長復用能力極強的光纖光柵傳感器最適合於船體檢測。
光纖光柵傳感系統可測量船體的彎曲應力，而且可測量海浪對溼甲板的抨擊力。具有幹涉探測性能的16路光纖光柵復用系統成功實現了帶寬為5kHz範圍內、解析度小於10ne/(Hz)1/2的動態應變測量。
另外，為了監測一架飛行器的應變、溫度、振動，起落駕駛狀態、超聲波場和加速度情況，通常需要100多個傳感器，故傳感器的重量要儘量輕，尺寸儘量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。
另外，實際上飛機的複合材料中存在兩個方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現多點多軸向應變和溫度測量的理想智能元件。
光柵傳感器在民用工程結構中的應用
民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。對於橋梁、礦井、隧道、大壩、建築物等來說，通過測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及狀況，方便進行維護和狀況監測。
光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行衝擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，還以監視結構的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網絡，對結構進行準分布式檢測，並通過計算機對傳感信號進行遠程控制。
光纖光柵傳感器可以檢測的建築結構之一為橋梁。應用時，一組光纖光柵被粘於橋梁複合筋的表面，或在梁的表面開一個小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽中（便於防護）。
如果需要更加完善的保護，則最好是在建造橋時把光柵埋進複合筋。同時，為了修正溫度效應引起的應變，可使用應力和溫度分開的傳感臂，並在每一個梁上均安裝這兩個臂。
光柵傳感器在電力工業中的應用
光纖光柵傳感器因不受電磁場幹擾和可實現長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。
在電力工業中，電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化，電壓變化可使壓電陶瓷（PZT）產生形變，而利用貼於PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，進而測知電流強度。這是一種較為廉價的方法，並且不需要複雜的電隔離。
另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對於那些不易檢測到的山區電線。
光纖光柵傳感器可測電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化，這一應力變化即可被粘於金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。
這是利用光纖光柵傳感器實現遠距離惡劣環境下測量的實例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調製和解調。
近年來，因冰雨導致的輸電線路杆塔的損壞時有發生。為了監測輸電桿塔的傾斜狀態，常用的方法是用GSM杆塔儀將傳感器檢測到的杆塔傾斜信息發送給管理人員和監控計算機，在計算機內進行數據處理，並根據具體的數據處理結果發出報警信息；另一種方法是將電阻應變片直接貼在輸電桿塔的結構件上，直接進行監測。這2種方法在應用時，都受到一些因素的限制，給監測工作帶來不利的影響。
近幾年，光纖傳感器的工程應用研究迅速發展。其中，光纖光柵傳感器是用光纖布拉格光柵作為敏感元件的功能型光纖傳感器，可以直接傳感溫度和應變以及實現與溫度和應變有關的其他許多物理量和化學量的間接測量。通過光纖光柵傳感器的應力變化數據可以反映出杆塔的傾斜狀態，將這種方法應用在杆塔的傾斜狀態監測中會有很大的優勢。
使用光纖布拉格光柵這一光纖傳感技術來實現輸電線桿塔傾斜狀態監測時，利用光纖布拉格光柵上應力變化引起的波長位移信息，得到光柵所感應到的應力變化信息，從而對應得到杆塔的傾斜狀態信息，實現對杆塔傾斜狀態的監測。
光柵傳感器在醫學中的應用
醫學中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內科手術是不適用的，尤其是在高微波（輻射）頻率、超聲波場或雷射輻射的過高熱治療中。由於電子傳感器中的金屬導體很容易受電流、電壓等電磁場的幹擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應，這樣會導致錯誤讀數。
近年來，使用高頻電流、微波輻射和雷射進行熱療以代替外科手術越來越受到醫學界的關注，而且傳感器的小尺寸在醫學應用中是非常重要的，因為小的尺寸對人體組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織內部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。
到目前為止，光纖光柵傳感系統已經成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場，在30℃～60℃的範圍內，獲得了解析度為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結果，而超聲場的測量解析度為10-3atm/Hz1/2，這為研究病變組織提供了有用的信息。
光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中，醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房，並注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對於心臟監測是非常重要的。
光柵傳感器在我國高鐵運行安全技術中的應用
我們平時搭乘列車，有時會覺得震動很大，乘車不舒服，這就是列車車輪出現了扁疤或者多邊形。扁疤雖然只有幾微米，但因為高鐵運行速度快，卻會對高鐵產生極大震動。而傳感器的作用，就是發現列車哪些地方出現了扁疤。
所謂光纖光柵監測系統，其實就是將碳纖維拉成光纖，再刻成光柵以安裝在列車和鐵軌上的傳感器。光柵接收到雷射信號後，會有反射波長，根據列車不同位置光柵反射回的波長情況，就可實時監測列車安全。
高鐵線路複雜多樣，放置傳感器成為了一個大問題。光纖傳感器的高明之處就在於利用鐵軌監測列車，即在鐵軌的某一小段放置傳感器，只要保證傳感器鋪放長度稍大於一個車輪周長，就能將所有經過這一段的列車車輪全部監測一次。同理，也可利用在車輪上放置傳感器監測鐵軌。
對於光纖光柵傳感器的優勢，一方面，傳統的傳感器使用電信號會受到火車及鐵軌產生的電磁信號幹擾，而光纖則不存在這個問題；另一方面，中心研發的傳感器質量小，可直接安裝在高鐵上，並不影響列車正常運行。
光柵傳感器在數控工具機上的應用
光柵傳感器作為數控工具機直線軸的位置檢測元件，相當於人的「眼睛」，就是「監視」該直線軸在執行數控系統的移動指令後，該直線軸是否真正準確地運行到數控系統指令所要求的位置。
如果數控工具機沒有安裝光柵傳感器，當數控系統發出直線軸的移動指令後，直線軸能否到達數控系統要求的位置，完全依靠數控系統調試的精度和機械傳動精度來保障。
數控工具機使用一段時間後，由於電氣調試參數的修改和機械誤差的加大等原因，該直線軸很可能和數控系統指令所要求的位置相差很多，這時候數控系統根本不知道，維修和操作工具機的人員也不知道，要想知道這個差距，維修人員就要對工具機進行精度檢測。
所以數控工具機沒有安裝光柵傳感器，就要定期對工具機的精度進行檢查，一不小心，一旦忘記檢測數控工具機的精度，很可能導致加工的產品精度超差甚至報廢。
如果數控工具機的直線軸安裝了光柵傳感器，上述問題就不用人來操心了，由光柵傳感器來完成這個使命。
如果該直線軸由於機械等原因沒有準確到達該位置，光柵傳感器作為位置檢測元件，會向數控系統發出指令，使該直線軸能夠到達比較準確的位置，直到光柵傳感器的解析度分辨不出來。
這時的光柵傳感器充當了獨立於工具機之外的監督功能，象人的眼睛一樣，一直「監視」著直線軸的位置，保證了直線軸能夠達到數控系統要求的位置。
總的來說，光柵傳感器已成為當前光纖傳感器的研究熱點。隨著光纖光柵製造技術的進步和性能的改善以及應用開發研究成果的不斷湧現，光纖光柵傳感器在傳感器領域中已經處于越來越重要的地位。 在民用工程結構、航空航天業、船舶航運業、電力工業、石油化工工業、醫學、核工業等有非常廣泛的應用。許多具有發展潛力和市場前景的可實用化技術研究都在進行當中，這些技術的成熟，將會給國民經濟建設帶來巨大的推動。