一文读懂光栅传感器

光栅式传感器指采用光栅叠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构成的光学器件。

一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。

这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅成为反射光栅。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。

这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。

光栅传感器的结构及工作原理

光栅传感器的结构均由光源、主光栅、指示光栅、通光孔、光电元件这几个主要部分构成。

1、光源：钨丝灯泡，它有较小的功率，与光电元件组合使用时，转换效率低，使用寿命短。半导体发光器件，如砷化镓发光二极管，可以在 范围内工作，所发光的峰值波长为 ，与硅光敏三极管的峰值波长接近，因此，有很高的转换效率，也有较快的响应速度。

2、光栅付：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。主光栅和指示光栅相互重叠，但又不完全重合。两者栅线间会错开一个很小的夹角 ，以便于得到莫尔条纹。一般主光栅是活动的，它可以单独地移动，也可以随被测物体而移动，其长度取决于测量范围。指示光栅相对于光电器件而固定。

3、通光孔：通光孔是发光体与受光体的通路，一般为条形状，其长度由受光体的排列长度决定，宽度由受光体的大小决定。它是帖在指示光栅板上的。

4、受光元件：受光元件是用来感知主光栅在移动时产生莫尔条纹的移动，从而测量位移量。在选择光敏元件时，要考虑灵敏度、响应时间、光谱特性、稳定性、体积等因素。 

将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如图所示。

当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条/mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。

在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ（单位为rad）之间的关系为 

（K称为放大倍数）。

当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。

主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。

当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由上述公式可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了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。

莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。

光栅传感器的特点

1、精度高。

光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的；

2、大量程测量兼有高分辨力。

感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器；

3、可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；

4、具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

光栅传感器的种类

光栅主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（Chirp光栅）。

• 光纤Bragg光栅传感器

光纤光栅是利用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，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位，光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输，利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

• 啁啾光纤光栅传感器 

与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λＢ的变化外，还 会引起光谱的展宽。

这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（ｄｎ／ｄＴ），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就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）的周期一般认为有数百微米， ＬＰＧ在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λｉ＝ （ｎ０－ｎｉｃｌａｄ）・Λ 。式中，ｎ０为纤芯的折射率，ｎｉｃｌａｄ为ｉ阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。

一个独立的ＬＰＧ可能在一个很宽的波长范围内有许多的共振，ＬＰＧ共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λｉ，就可获得外界物理量变化的信息。 ＬＰＧ在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而ＬＰＧ适用于多参数传感器。

光栅传感器的应用领域

由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。

• 光栅传感器在航空航天器及船舶中的应用

先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具（如飞机的机翼）。

为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。

光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了带宽为5kHz范围内、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。

另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。

另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。

• 光栅传感器在民用工程结构中的应用

民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况，方便进行维护和状况监测。

光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，还以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，并通过计算机对传感信号进行远程控制。

光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中（便于防护）。

如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。同时，为了修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 

• 光栅传感器在电力工业中的应用

光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。

在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化可使压电陶瓷（PZT）产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其形变，进而测知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。

另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。

光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。

这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调制和解调。

近年来，因冰雨导致的输电线路杆塔的损坏时有发生。为了监测输电杆塔的倾斜状态，常用的方法是用GSM杆塔仪将传感器检测到的杆塔倾斜信息发送给管理人员和监控计算机，在计算机内进行数据处理，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片直接贴在输电杆塔的结构件上，直接进行监测。这2种方法在应用时，都受到一些因素的限制，给监测工作带来不利的影响。

近几年，光纤传感器的工程应用研究迅速发展。其中，光纤光栅传感器是用光纤布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量。通过光纤光栅传感器的应力变化数据可以反映出杆塔的倾斜状态，将这种方法应用在杆塔的倾斜状态监测中会有很大的优势。

使用光纤布拉格光栅这一光纤传感技术来实现输电线杆塔倾斜状态监测时，利用光纤布拉格光栅上应力变化引起的波长位移信息，得到光栅所感应到的应力变化信息，从而对应得到杆塔的倾斜状态信息，实现对杆塔倾斜状态的监测。

• 光栅传感器在医学中的应用

医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波（辐射）频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中。由于电子传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致错误读数。

近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注，而且传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，而光纤光栅传感器正是目前为止能够做到的最小的传感器。它能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、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了病变组织的温度和超声波场，在30℃～60℃的范围内，获得了分辨率为0.1℃和精确度为±0.2℃的测量结果，而超声场的测量分辨率为10-3atm/Hz1/2，这为研究病变组织提供了有用的信息。

光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。

• 光栅传感器在我国高铁运行安全技术中的应用

我们平时搭乘列车，有时会觉得震动很大，乘车不舒服，这就是列车车轮出现了扁疤或者多边形。扁疤虽然只有几微米，但因为高铁运行速度快，却会对高铁产生极大震动。而传感器的作用，就是发现列车哪些地方出现了扁疤。

所谓光纤光栅监测系统，其实就是将碳纤维拉成光纤，再刻成光栅以安装在列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，根据列车不同位置光栅反射回的波长情况，就可实时监测列车安全。

高铁线路复杂多样，放置传感器成为了一个大问题。光纤传感器的高明之处就在于利用铁轨监测列车，即在铁轨的某一小段放置传感器，只要保证传感器铺放长度稍大于一个车轮周长，就能将所有经过这一段的列车车轮全部监测一次。同理，也可利用在车轮上放置传感器监测铁轨。

对于光纤光栅传感器的优势，一方面，传统的传感器使用电信号会受到火车及铁轨产生的电磁信号干扰，而光纤则不存在这个问题；另一方面，中心研发的传感器质量小，可直接安装在高铁上，并不影响列车正常运行。

• 光栅传感器在数控机床上的应用

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”，就是“监视”该直线轴在执行数控系统的移动指令后，该直线轴是否真正准确地运行到数控系统指令所要求的位置。

如果数控机床没有安装光栅传感器，当数控系统发出直线轴的移动指令后，直线轴能否到达数控系统要求的位置，完全依靠数控系统调试的精度和机械传动精度来保障。

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加大等原因，该直线轴很可能和数控系统指令所要求的位置相差很多，这时候数控系统根本不知道，维修和操作机床的人员也不知道，要想知道这个差距，维修人员就要对机床进行精度检测。

所以数控机床没有安装光栅传感器，就要定期对机床的精度进行检查，一不小心，一旦忘记检测数控机床的精度，很可能导致加工的产品精度超差甚至报废。

如果数控机床的直线轴安装了光栅传感器，上述问题就不用人来操心了，由光栅传感器来完成这个使命。

如果该直线轴由于机械等原因没有准确到达该位置，光栅传感器作为位置检测元件，会向数控系统发出指令，使该直线轴能够到达比较准确的位置，直到光栅传感器的分辨率分辨不出来。

这时的光栅传感器充当了独立于机床之外的监督功能，象人的眼睛一样，一直“监视”着直线轴的位置，保证了直线轴能够达到数控系统要求的位置。

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