光纖布拉格光柵的點式光纖傳感器
光學應變傳感器（或應變儀）是用于壓縮和/或拉伸機械應變（變形）的傳感器，這些傳感器基于光學技術-在大多數情況下基于光纖。它們可以基于不同的操作原理，如下所述。
注意，機械應變是由機械力引起的。因此，應變傳感還可以提供有關機械力或壓力的信息。
存在替代技術，例如機械和電子應變傳感器。但是，光學應變傳感器可以提供重要的優勢。例如，它們可以在很寬的溫度范圍內運行，對電磁干擾不敏感，并且它們不需要電纜（這對于某些需要使用絕緣材料的高壓應用很重要）。它們也適用于高帶寬的動態測量。參見下面有關光學應變傳感器應用的段落。
光學應變傳感器的工作原理
基于光纖布拉格光柵的點式光纖傳感器
許多用于測量應變的光纖傳感器都是基于光纖布拉格光柵（FBG）。該操作原理主要基于以下事實：施加到這種光柵上的應變會影響光柵周期，從而影響布拉格波長，即峰值反射率的波長。所引起的應變的變化的布拉格波長的變化ε和溫度變化Δ??是[2]：
除了應變的純粹幾何效應（傳感器的伸長，增加光柵周期）外，還有一種折射率變化引起的效應，它取決于應力光張量的普克爾斯系數和泊松比ν。本質上，應變減小了折射率，并且在某種程度上減小了增加的光柵周期的影響。對于二氧化硅纖維，減少量約等于22％。
使用光電查詢器，該光電查詢器將光發送到光柵傳感器并分析反射光以確定應變量。例如，外腔二極管激光器適合作為光源。
為了測量機械構件的應變，例如在建筑物中，需要將基于FBG的傳感器連接到該構件，以使其受到相同的應變。一些表面應變傳感器粘在平坦或有些彎曲的表面上。在其他情況下，可以使用其他連接傳感器的方法，例如點焊，擰緊或通過將傳感器的零件嵌入混凝土結構中。
一個挑戰是這種光柵的布拉格波長也對溫度變化敏感。對于二氧化硅纖維，溫度變化1 K大致對應于應變變化10με。有多種溫度補償方法：
- 一個人可以使用第二個光柵，該光柵暴露在相同的溫度下，但沒有受到機械應變。
- 在某些情況下，可以采用推挽配置的另一種技術，其中一個光柵在另一光柵被拉伸時被壓縮。然后，兩個布拉格波長之間的差異會對應變產生反應，而對溫度沒有反應。
- 可以使用附加的溫度傳感器測量溫度，并使用已知的光柵溫度系數校正應變測量值。
- 一個人可能使用兩種非常不同的詢問波長（例如在0.8-μm和1.5-μm區域），從而導致應變和溫度響應的比率不同。
另一方面，通過光波長的應變編碼使得這種傳感器對其他參數不敏感，例如沿著光纖的光功率損失或詢問器的輸出功率。
對于某些應用，應變和溫度都是測量值。
基于FBG的應變傳感器的分辨率可以優于1με（即，相對長度變化小于10?-6），并且精度可能不會低很多。例如，可以測量由1 K或更小的溫度變化引起的熱膨脹。同時，允許的測量范圍可以是±20.000με=±2％。動態范圍因此可以大于40 dB。
對于具有高帶寬的動態應變傳感（例如，用于研究聲學現象），可以使用更快的檢測方案，例如，使用不平衡的馬赫曾德爾光纖干涉儀，它將波長變化轉換為光功率的變化。在1 Hz的帶寬內，靈敏度可大大優于1nε。
準分布式傳感器
基于FBG的傳感器技術的一個非常吸引人的特征是，可以在一根長光纖中制造帶有許多這樣的光柵的準分布式傳感器，并使用單個詢問器，該詢問器可以通過某種復用來處理所有不同的光柵。來自不同光柵的信號可以通過不同的方式進行區分：
- 詢問器可以發出光脈沖（例如，具有納秒或皮秒的持續時間）并監視信號的到達時間（時分多路復用，TDM），由于光柵之間的光纖傳播時間延遲，信號的到達時間不同。
- 替代地，不同的光柵可以具有不同的布拉格波長，從而可以通過將詢問激光器調諧到其波長來對每個光柵進行尋址（波分復用，WDM）。除了激光器以外，還可以將寬帶光源（例如，超發光二極管）與某種光譜儀結合使用，例如與可調Fabry-Pérot濾波器或基于衍射光柵和CCD傳感器陣列的設備結合使用。
還可以結合兩種技術來實現包含更多點傳感器（可能超過100個）的WDM / TDM系統。
與使用許多獨立傳感器相比，這種多點傳感器的成本可以低得多，因為簡化了傳感器和電纜的安裝，并且可以使用單個詢問器。
干涉式光纖布拉格光柵傳感器
在某些情況下，人們使用一對構成法布里-珀羅干涉儀的布拉格光柵，其中一個通過諧振頻率的偏移來測量光柵之間的光纖應變。當使用具有不同布拉格波長的光柵時，可以在一根光纖中再次使用該類型的多個傳感器。或者，可以測量一根長纖維的平均應變。
基于微法布里-珀羅茲的傳感器
可以構造小型Fabry-Pérot干涉儀，其中小的反射鏡距離（例如50μm）受待測應變的影響。因此，峰值透射波長將指示施加的應變。代替傳輸，可以監視共振中反射率的下降。探測光結束后，反射光可以通過單模光纖傳輸，以提供最大的便利。由于光纖僅用于傳輸光，而不用于實際的傳感器，因此該技術稱為非本征光纖傳感器，這與光纖本身充當傳感器的固有傳感器相反。
Micro-Fabry–Pérot可以通過不同的方式生產，例如，通過在兩個光纖末端之間保持一定的機械部件（例如微管）之間的氣隙，或使用兩個具有反射性的熔接頭，例如在絕緣膜上涂覆電介質涂層。光纖末端。
可以使Micro-Fabry–Pérot傳感器在比基于FBG的傳感器（可能會發生光柵退火）的更高溫度下工作。它們還可以提供非常高的應變分辨率。另一方面，在單個光纖中不容易使用該類型的多個傳感器。
基于瑞利散射的分布式應變傳感器
分布式光纖應變傳感器可以用普通的單模光纖實現，不包含任何特殊結構，例如光纖布拉格光柵。在許多情況下，人們使用在1.5微米光譜范圍內運行的電信光纖。
一種可能性是利用光纖中的瑞利散射。這是線性散射，這是由于光纖中的微觀變化所致，主要是折射率的波動。與采用非線性散射的其他技術（請參閱下文）相比，該技術可獲得更強的信號，并且可以獲得較高的空間分辨率（例如幾毫米）。
可以使用干涉技術來分析背向散射光。本質上，一個是將來自光纖的反射光與其他來自發出光的光疊加在一起。如果僅在光纖中的特定位置發生反射，則干涉儀的輸出將大約隨光頻率周期性變化探照燈?振蕩的速度取決于反射的位置。通過應用傅立葉變換，可以將干涉儀信號分解為來自不同位置的反射的貢獻。這也可以通過基于隨機分布位置處的瑞利散射的反射來完成。當被測光纖拉緊時，獲得的信號模式會移動，可以使用合適的軟件進行檢測。
該技術特別適合于以高空間分辨率但僅在有限的長度（例如幾十米）上監視應變。
基于布里淵散射的分布式應變傳感器
對于較長纖維的應變傳感，通常使用基于自發或受激布里淵散射的技術。例如，皮秒光脈沖從一個方向發送到光纖中，并且通過光學外差檢測分析了由于自發布里淵散射引起的相當弱的反射分量。布里淵頻移取決于應變和溫度，而空間分辨率可以通過時間延遲獲得。
可以使用基于受激布里淵散射的技術（稱為布里淵光學時延分析）來實現更高的靈敏度。（BOTDA）。在此，使用了一個附加的弱連續波探測光束，該探測光束在與皮秒脈沖相反的方向上傳播。選擇其光頻率略低于脈沖頻率。然后，在脈沖和探測光束之間的光頻差與局部布里淵位移（取決于應變和溫度）一致的位置處放大探測光束。（或者，當探測光束的頻率高于脈沖頻率時，可以獲得非線性損失。）以可變的光學頻率差進行這種測量，并且通過組合這些數據，可以有效地獲得布里淵圖。頻率與位置
這種技術的空間分辨率不如使用瑞利散射時高。另一方面，可以將它們與更長的纖維結合使用-長度通常超過10公里。因此，它們特別適用于例如管道監控之類的應用。
再次需要用于分離應變和溫度影響的技術。如上文在光纖光柵傳感器的背景下討論的，可以應用類似的思想。例如，一根纖維可以使用兩根暴露在相同溫度下的纖維，而一根纖維也可以感知應變，而另一根纖維則保持松弛。
光學應變傳感器的應用
光學應變傳感器的典型應用是監視技術基礎設施，例如橋梁，隧道，礦山，建筑物，石油和天然氣管道，輸電線路，工業加工廠，飛機和風能轉換器的葉片。結構健康監測可以提高安全性，并使傳統的監測方法過時，從而節省了成本。用長光纖進行分布式傳感的能力通常也很重要。有時，人們從同時測量溫度中獲利。
應變傳感器在技術開發過程中也非常有用，例如在疲勞測試中，在受控條件下零件要承受高水平的應變。此類測試對于保證正常運行條件下的可靠性至關重要。
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